JP6016455B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP6016455B2
JP6016455B2 JP2012117666A JP2012117666A JP6016455B2 JP 6016455 B2 JP6016455 B2 JP 6016455B2 JP 2012117666 A JP2012117666 A JP 2012117666A JP 2012117666 A JP2012117666 A JP 2012117666A JP 6016455 B2 JP6016455 B2 JP 6016455B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide
region
layer
film
semiconductor
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
JP2012117666A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013247142A5 (en
JP2013247142A (en
Inventor
智和 横井
智和 横井
亮 徳丸
亮 徳丸
健輔 吉住
健輔 吉住
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 JP2012117666A priority Critical patent/JP6016455B2/en
Publication of JP2013247142A publication Critical patent/JP2013247142A/en
Publication of JP2013247142A5 publication Critical patent/JP2013247142A5/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6016455B2 publication Critical patent/JP6016455B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、半導体膜の作製方法に関する。本発明は半導体装置、及び半導体装置の作製方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor film. The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

なお、本明細書等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、発光表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。   Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a light-emitting display 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。当該トランジスタは集積回路(IC)や画像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として、シリコン系半導体が広く知られている。   A technique for forming a transistor (also referred to as a thin film transistor or a TFT) using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to an electronic device such as an integrated circuit (IC) or an image display device. Silicon-based semiconductors are widely known as semiconductors applicable to transistors.

また他の半導体として、酸化物半導体が注目されている。例えば、酸化物半導体として、Zn−O系酸化物半導体、又はIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。   As another semiconductor, an oxide semiconductor has attracted attention. For example, a technique for manufacturing a transistor using a Zn—O-based oxide semiconductor or an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Documents 1 and 2). .

また、非特許文献1では、露出した酸化物半導体にアルゴンプラズマ処理をおこなう自己整合プロセスにより、その部分の酸化物半導体の抵抗率を低下させてソース領域及びドレイン領域とした酸化物半導体トランジスタが開示されている。   Further, Non-Patent Document 1 discloses an oxide semiconductor transistor in which the resistivity of an oxide semiconductor in that portion is reduced to form a source region and a drain region by a self-alignment process in which an exposed oxide semiconductor is subjected to argon plasma treatment. Has been.

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A

S. Jeon et al. ”180nm Gate Length Amorphous InGaZnO Thin Film Transistor for High Density Image Sensor Application”, IEDM Tech. Dig., p.504, 2010.S. Jeon et al. “180 nm Gate Length Amorphous InGaZnO Thin Film Transistor for High Density Image Sensor Application”, IEDM Tech. Dig. , P. 504, 2010.

画像表示装置の高精細化や、集積回路の大規模化に伴い、回路の高速駆動が求められている。トランジスタはそのオン特性(例えば、オン電流や電界効果移動度)が高いほど、回路の高速動作に適している。   As the image display device becomes higher in definition and the scale of the integrated circuit is increased, high-speed driving of the circuit is required. The transistor has a higher on-characteristic (for example, on-current and field-effect mobility) and is suitable for high-speed operation of the circuit.

しかしながら、ソース電極とドレイン電極の間の寄生抵抗が高いと、十分に高いオン特性が得られないといった問題がある。   However, if the parasitic resistance between the source electrode and the drain electrode is high, there is a problem that sufficiently high on-characteristics cannot be obtained.

非特許文献1に開示された方法では、酸化物半導体表面を露出させて、アルゴンプラズマ処理を行うことにより、ソース領域及びドレイン領域となるべき部分の酸化物半導体も同時にエッチングされ、ソース領域及びドレイン領域が薄層化する(非特許文献1の図8参照)。その結果、ソース領域及びドレイン領域の抵抗が増加し、また、薄層化に伴うオーバーエッチングによる不良品発生の確率も増加する。   In the method disclosed in Non-Patent Document 1, the surface of the oxide semiconductor is exposed, and argon plasma treatment is performed, so that the oxide semiconductor in the portions to be the source region and the drain region is also etched at the same time. The region is thinned (see FIG. 8 of Non-Patent Document 1). As a result, the resistance of the source region and the drain region increases, and the probability of occurrence of defective products due to over-etching associated with the thinning increases.

本発明は、このような技術的背景のもとでなされたものである、したがって、本発明の一態様は、ソース電極とドレイン電極間の寄生抵抗が低減され、オン特性が改善された半導体装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。   The present invention has been made under such a technical background. Therefore, one embodiment of the present invention is a semiconductor device in which parasitic resistance between a source electrode and a drain electrode is reduced and on-characteristics are improved. It is one of the issues to provide. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device.

上記課題を解決するため、本発明はチャネルが形成される酸化物半導体膜の形成方法に着眼した。不純物元素が添加された酸化物半導体を含む導電性の酸化物膜に対して、当該酸化物膜の一部の領域における不純物元素を酸素と置換して半導体領域を形成する。そして酸化物膜における不純物元素が酸素と置換されていない低抵抗領域をソース領域及びドレイン領域として用い、不純物元素が酸素と置換された半導体領域をチャネル形成領域として用いればよい。   In order to solve the above problems, the present invention has focused on a method for forming an oxide semiconductor film in which a channel is formed. For a conductive oxide film including an oxide semiconductor to which an impurity element is added, a semiconductor region is formed by replacing the impurity element in part of the oxide film with oxygen. Then, a low resistance region in which the impurity element in the oxide film is not replaced with oxygen may be used as a source region and a drain region, and a semiconductor region in which the impurity element is replaced with oxygen may be used as a channel formation region.

すなわち、本発明の一態様の半導体膜の形成方法は、被形成面上に不純物元素が添加された酸化物半導体を含む酸化物層を形成し、酸化物層の上面の一部を露出させるように、酸化物層上に保護層を形成し、酸化物層の当該露出した領域に対して不純物元素を酸素と置換する置換処理を施して、酸化物層の一部に半導体領域を形成する工程を有する。   That is, in the method for forming a semiconductor film of one embodiment of the present invention, an oxide layer including an oxide semiconductor to which an impurity element is added is formed over a formation surface, and a part of the top surface of the oxide layer is exposed. Forming a semiconductor region in part of the oxide layer by forming a protective layer over the oxide layer and subjecting the exposed region of the oxide layer to substitution treatment for replacing the impurity element with oxygen. Have

このような方法により、低抵抗な酸化物層の一部に半導体領域が形成された、半導体膜を形成できる。また、上記本発明の一態様の方法を用いることで低抵抗領域が薄膜化することがないため、当該領域の抵抗を十分に低減することができる。   By such a method, a semiconductor film in which a semiconductor region is formed in part of a low-resistance oxide layer can be formed. Further, since the low-resistance region is not thinned by using the method of one embodiment of the present invention, the resistance of the region can be sufficiently reduced.

このような半導体膜はトランジスタ以外にも、例えば高抵抗な半導体領域を抵抗として用いた抵抗素子として応用することも可能である。半導体領域への置換処理の条件を変えることにより、当該半導体領域における抵抗率の値を自由に設定することができる。さらに、不純物元素が添加された酸化物半導体を含む低抵抗領域によって寄生抵抗が極めて低減されているため、抵抗率の値の設計値からのずれを抑制することができる。   Such a semiconductor film can be applied as a resistance element using, for example, a high-resistance semiconductor region as a resistor in addition to a transistor. By changing the conditions for the replacement process for the semiconductor region, the resistivity value in the semiconductor region can be freely set. Further, since the parasitic resistance is extremely reduced by the low resistance region including the oxide semiconductor to which the impurity element is added, the deviation of the resistivity value from the design value can be suppressed.

また、上記半導体膜の形成方法における上記不純物元素は窒素であることが好ましい。   The impurity element in the method for forming a semiconductor film is preferably nitrogen.

窒素が含有した酸化物半導体を含む薄膜は、極めて高い導電性を示す導電膜として用いることができる。さらに、窒素原子は酸素原子と原子半径が近く、置換処理により比較的容易に酸素原子と置換することが可能なため好ましい。   A thin film including an oxide semiconductor containing nitrogen can be used as a conductive film having extremely high conductivity. Further, a nitrogen atom is preferable because it has an atomic radius close to that of an oxygen atom and can be replaced with an oxygen atom relatively easily by a substitution treatment.

また、上記半導体膜の形成方法における、上記置換処理として、酸素ラジカル処理、酸素イオン注入処理、酸素プラズマ処理、又は熱酸化処理の、いずれか1つ以上の処理を施すことが好ましい。   In the method for forming a semiconductor film, it is preferable to perform at least one of oxygen radical treatment, oxygen ion implantation treatment, oxygen plasma treatment, and thermal oxidation treatment as the substitution treatment.

不純物元素の置換は、高エネルギーの酸素を酸化物層に接触させることにより行うことができる。上述した処理方法は、従来の半導体プロセスとの親和性が高いため、特別な設備投資を行うことなく上述の方法を適用できるため好ましい。   The substitution of the impurity element can be performed by bringing high-energy oxygen into contact with the oxide layer. The above-described processing method is preferable because the above-described method can be applied without any special capital investment because of its high affinity with the conventional semiconductor process.

また、上述の処理方法のうち2つ以上を用いてもよい。例えば不純物元素が添加された酸化物層に酸素ラジカル処理と酸素イオン注入処理を施すことにより、酸化物層の表層から下層にかけて均一に置換が行える。   Two or more of the above processing methods may be used. For example, by performing oxygen radical treatment and oxygen ion implantation treatment on an oxide layer to which an impurity element is added, uniform replacement can be performed from the surface layer to the lower layer of the oxide layer.

また、本発明の一態様の半導体装置の作製方法は、被形成面上に不純物元素が添加された酸化物半導体を含む酸化物層を形成し、酸化物層の上面の一部を露出させるように、酸化物層上に保護層を形成し、酸化物層の当該露出した領域に対して不純物元素を酸素と置換する置換処理を施して、酸化物層に、第1の低抵抗領域及び第2の低抵抗領域に挟持された半導体領域を形成する工程と、ゲート絶縁層を形成する工程と、ゲート電極層を形成する工程と、を有する。さらに、ゲート絶縁層と半導体領域とは接して形成され、ゲート電極層とゲート絶縁層とは接して形成され、ゲート電極層と半導体領域とは重なるように形成されることを特徴とする。   In addition, in the method for manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention, an oxide layer including an oxide semiconductor to which an impurity element is added is formed over a formation surface and a part of the top surface of the oxide layer is exposed. Then, a protective layer is formed over the oxide layer, and the exposed region of the oxide layer is subjected to substitution treatment for replacing the impurity element with oxygen, so that the first low-resistance region and the first low-resistance region are formed in the oxide layer. A step of forming a semiconductor region sandwiched between the two low-resistance regions, a step of forming a gate insulating layer, and a step of forming a gate electrode layer. Further, the gate insulating layer and the semiconductor region are formed in contact with each other, the gate electrode layer and the gate insulating layer are formed in contact with each other, and the gate electrode layer and the semiconductor region are formed to overlap each other.

このような方法により、半導体領域を挟持する低抵抗領域をソース領域又はドレイン領域として用いることにより、ソース電極又はドレイン電極との接触抵抗も十分に低減できる。したがって、ソース電極とドレイン電極の間の寄生抵抗が低減され、オン特性が改善された半導体装置を作製することができる。   With such a method, the contact resistance with the source electrode or the drain electrode can be sufficiently reduced by using the low resistance region sandwiching the semiconductor region as the source region or the drain region. Therefore, a semiconductor device in which the parasitic resistance between the source electrode and the drain electrode is reduced and the on-characteristic is improved can be manufactured.

また、本発明の他の一態様の半導体装置の作製方法は、被形成面上に不純物元素が添加された酸化物半導体を含む酸化物層を形成し、酸化物層の上面の一部を露出させるように、酸化物層上に保護層を形成し、当該露出した領域における酸化物層の上部の一部をエッチングし、酸化物層の露出した領域に対して不純物元素を酸素と置換する置換処理を施して、酸化物層の一部に半導体領域を形成する工程と、ゲート絶縁層を形成する工程と、ゲート電極層を形成する工程と、を有する。さらに、ゲート絶縁層と半導体領域とは接して形成され、ゲート電極層とゲート絶縁層とは接して形成され、ゲート電極層と半導体領域とは重なるように形成されることを特徴とする。   In another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device includes forming an oxide layer including an oxide semiconductor to which an impurity element is added over a formation surface and exposing part of the top surface of the oxide layer. And forming a protective layer over the oxide layer, etching a part of the upper portion of the oxide layer in the exposed region, and substituting oxygen for the impurity element in the exposed region of the oxide layer. A process is performed to form a semiconductor region in part of the oxide layer, a step of forming a gate insulating layer, and a step of forming a gate electrode layer. Further, the gate insulating layer and the semiconductor region are formed in contact with each other, the gate electrode layer and the gate insulating layer are formed in contact with each other, and the gate electrode layer and the semiconductor region are formed to overlap each other.

このような方法により、低抵抗領域の厚さを半導体領域よりも厚く形成できるため、当該領域の抵抗をより低減できる。また、同時に半導体領域を薄膜化できるため、半導体装置を微細化した場合でも短チャネル効果を効果的に抑制することができる。   By such a method, since the thickness of the low resistance region can be formed thicker than that of the semiconductor region, the resistance of the region can be further reduced. In addition, since the semiconductor region can be thinned at the same time, the short channel effect can be effectively suppressed even when the semiconductor device is miniaturized.

また、上記いずれかの半導体装置の作製方法における上記不純物元素は窒素であることが好ましい。   In addition, the impurity element in any of the above methods for manufacturing a semiconductor device is preferably nitrogen.

また、上記いずれかの半導体装置の作製方法における上記置換処理として、酸素ラジカル処理、酸素イオン注入処理、酸素プラズマ処理、又は熱酸化処理の、いずれか1つ以上の処理を施すことが好ましい。   Moreover, it is preferable to perform any one or more of oxygen radical treatment, oxygen ion implantation treatment, oxygen plasma treatment, and thermal oxidation treatment as the substitution treatment in any of the above semiconductor device manufacturing methods.

また、本発明の一態様の半導体装置は、同一面上に第1の低抵抗領域と、第2の低抵抗領域と第1の低抵抗領域と第2の低抵抗領域に挟持された半導体領域と、半導体領域と重なるゲート電極層と、半導体領域とゲート電極層に挟持されたゲート絶縁層と、を有する。また半導体領域の厚さは、第1の低抵抗領域及び第2の低抵抗領域よりも薄く、第1の低抵抗領域、第2の低抵抗領域、及び半導体領域は、不純物元素を含む酸化物半導体を含み、さらに半導体領域は、第1の低抵抗領域及び第2の低抵抗領域よりも、酸素の含有量が多く、且つ、不純物元素の含有量が少ないことを特徴とする。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a semiconductor region sandwiched between a first low-resistance region, a second low-resistance region, a first low-resistance region, and a second low-resistance region on the same surface. A gate electrode layer overlapping with the semiconductor region, and a gate insulating layer sandwiched between the semiconductor region and the gate electrode layer. In addition, the thickness of the semiconductor region is smaller than that of the first low resistance region and the second low resistance region, and the first low resistance region, the second low resistance region, and the semiconductor region are oxides containing an impurity element. The semiconductor region includes a semiconductor, and the semiconductor region has a higher oxygen content and a lower impurity element content than the first low resistance region and the second low resistance region.

このような構成とすることにより、低抵抗領域の厚さが半導体領域よりも厚いため、当該領域の抵抗をより低減できる。また、同時に半導体領域が薄膜化されているため、半導体装置が微細化された場合であっても短チャネル効果を効果的に抑制することができる。またこのように半導体領域に十分に低減された量の窒素が含有されていることにより、オン電流を高めることができ、オン特性が向上した半導体装置とすることができる。   With such a configuration, the thickness of the low resistance region is thicker than that of the semiconductor region, so that the resistance of the region can be further reduced. At the same time, since the semiconductor region is thinned, the short channel effect can be effectively suppressed even when the semiconductor device is miniaturized. In addition, when the semiconductor region contains a sufficiently reduced amount of nitrogen, the on-current can be increased and a semiconductor device with improved on-characteristic can be obtained.

また、上記半導体装置において、半導体領域は、第1の低抵抗領域又は第2の低抵抗領域と接する端部に向かって、連続的に厚さが増すように設けられることが好ましい。   In the semiconductor device, it is preferable that the semiconductor region is provided so as to continuously increase in thickness toward an end portion in contact with the first low resistance region or the second low resistance region.

このような構成では、半導体領域の端部において電流密度を緩和することができるため、チャネルとソース又はドレインの境界における発熱が抑制され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。   With such a structure, current density can be reduced at the end portion of the semiconductor region, so that heat generation at the boundary between the channel and the source or drain is suppressed, and a highly reliable semiconductor device can be obtained.

また特に、トップゲート型のトランジスタでは、厚さの異なる半導体領域と低抵抗領域の境界において、ゲート絶縁層の被覆性が高まるため、ゲート絶縁層が局所的に薄くなることによるゲートリークや絶縁破壊といった不具合が抑制され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。   In particular, in the case of a top-gate transistor, the coverage of the gate insulating layer is enhanced at the boundary between the semiconductor region and the low-resistance region having different thicknesses. Therefore, gate leakage and dielectric breakdown due to local thinning of the gate insulating layer. Such a problem is suppressed, and a highly reliable semiconductor device can be obtained.

また、上記いずれかの半導体装置における不純物元素は、窒素であることが好ましい。   Further, the impurity element in any of the above semiconductor devices is preferably nitrogen.

特に、不純物元素として窒素を用いることにより、高い導電性を有する低抵抗領域とすることができる。   In particular, by using nitrogen as the impurity element, a low resistance region having high conductivity can be obtained.

また、上記いずれかの半導体装置における酸化物半導体は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物であることが好ましい。   In addition, the oxide semiconductor in any of the above semiconductor devices is preferably an oxide containing indium, gallium, and zinc.

このような酸化物半導体をトランジスタ等の半導体装置に用いた場合では、比較的低温で形成されたアモルファス状態の酸化物半導体であっても、他の酸化物半導体に比べて良好な電気的特性(高い電界効果移動度や小さいS値など)と高い信頼性を兼ね備えているため好ましい。ここで、例えば酸化物半導体の一つである酸化亜鉛は低温で多結晶状態となりやすく、その結晶粒界により所望の電界効果移動度やS値などの電気特性を得ることが困難である。   In the case where such an oxide semiconductor is used for a semiconductor device such as a transistor, even if the oxide semiconductor is in an amorphous state formed at a relatively low temperature, it has better electrical characteristics than other oxide semiconductors ( High field effect mobility, small S value, etc.) and high reliability are preferable. Here, for example, zinc oxide, which is one of oxide semiconductors, tends to be in a polycrystalline state at a low temperature, and it is difficult to obtain desired electric characteristics such as field effect mobility and S value due to the crystal grain boundary.

本発明によれば、ソース電極とドレイン電極間の寄生抵抗が低減され、オン特性が改善された半導体装置を提供できる。また、信頼性の高い半導体装置を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which the parasitic resistance between the source electrode and the drain electrode is reduced and the on-characteristic is improved. In addition, a highly reliable semiconductor device can be provided.

本発明の一態様の、半導体装置の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の作製工程例を説明する図。4A to 4D illustrate an example of a manufacturing process of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の作製工程例を説明する図。4A to 4D illustrate an example of a manufacturing process of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の作製工程例を説明する図。4A to 4D illustrate an example of a manufacturing process of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、半導体装置の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、抵抗素子の構成例を説明する図。3A and 3B each illustrate a structure example of a resistance element of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、抵抗素子の構成例を説明する図。3A and 3B each illustrate a structure example of a resistance element of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、CPUの構成例を説明する図。FIG. 10 illustrates a configuration example of a CPU of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、電子機器の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of an electronic device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の、電子機器の構成例を説明する図。6A and 6B illustrate a structure example of an electronic device according to one embodiment of the present invention. 実施例にかかる、シート抵抗の測定結果。The measurement result of sheet resistance concerning an example. 実施例にかかる、断面観察像。The cross-sectional observation image concerning an Example. 実施例にかかる、断面観察像。The cross-sectional observation image concerning an Example. 実施例にかかる、EDX分析の測定結果。The measurement result of the EDX analysis concerning an Example. 実施例にかかる、XPS分析の測定結果。The measurement result of the XPS analysis concerning an Example.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、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、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。   Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

なお、本明細書で説明する各図において、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 in each drawing described in this specification, the size, the layer thickness, or the region of each component is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通又は非導通を制御するスイッチング動作等を実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を含む。   A transistor is a kind of semiconductor element, and can realize amplification of current and voltage, switching operation for controlling conduction or non-conduction, and the like. The transistor in this specification includes an IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) and a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor).

また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合等には入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。   In addition, the functions of “source” and “drain” may be switched when transistors having different polarities are employed, or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ等のスイッチング素子、抵抗素子、コイル、容量素子、その他の各種機能を有する素子等が含まれる。   In addition, in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “thing having some electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets. For example, “things having some electric action” include electrodes, wirings, switching elements such as transistors, resistance elements, coils, capacitive elements, and other elements having various functions.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、及びその作製方法について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例としてトランジスタの構成例及び作製方法例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings. In this embodiment, a structural example and a manufacturing method of a transistor will be described as an example of a semiconductor device.

<構成例>
図1(A)は、本構成例で例示するトランジスタ100の上面概略図であり、図1(B)は、図1(A)中の切断線A−Bで切断した断面概略図である。なお、明瞭化のため図1(A)には構成要素の一部(保護層109、ゲート絶縁層111等)は明示していない。
<Configuration example>
1A is a schematic top view of a transistor 100 exemplified in this structural example, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along a cutting line AB in FIG. 1A. Note that some components (such as the protective layer 109 and the gate insulating layer 111) are not illustrated in FIG. 1A for clarity.

基板101上に形成されるトランジスタ100は、低抵抗領域105a、低抵抗領域105b、及び半導体領域107を備える酸化物層103と、低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bを覆う保護層109と、少なくとも半導体領域107の上面に接するゲート絶縁層111と、ゲート絶縁層111の上面に接し、且つ半導体領域107と重なるゲート電極層113と、酸化物層103及びゲート電極層113を覆う絶縁層117と、絶縁層117に設けられた開口部を介してそれぞれ低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bに電気的に接続するソース電極層115a及びドレイン電極層115bと、を有する。   The transistor 100 formed over the substrate 101 includes an oxide layer 103 including a low resistance region 105a, a low resistance region 105b, and a semiconductor region 107, a protective layer 109 that covers the low resistance region 105a and the low resistance region 105b, and at least A gate insulating layer 111 in contact with the upper surface of the semiconductor region 107; a gate electrode layer 113 in contact with the upper surface of the gate insulating layer 111 and overlapping the semiconductor region 107; an insulating layer 117 covering the oxide layer 103 and the gate electrode layer 113; A source electrode layer 115a and a drain electrode layer 115b which are electrically connected to the low resistance region 105a or the low resistance region 105b through openings provided in the insulating layer 117, respectively.

酸化物層103は、不純物元素が添加された酸化物半導体を含んで構成されている。   The oxide layer 103 includes an oxide semiconductor to which an impurity element is added.

低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bは上記不純物元素により十分に低抵抗化された領域であり、トランジスタ100のソース領域又はドレイン領域をなしている。したがって、ソース電極層115aとドレイン電極層115bの間の寄生抵抗が十分に低減されている。   The low resistance region 105 a and the low resistance region 105 b are regions that have been sufficiently reduced in resistance by the impurity element, and form the source region or the drain region of the transistor 100. Therefore, the parasitic resistance between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b is sufficiently reduced.

半導体領域107は、トランジスタ100のチャネルが形成される領域を含み、低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bよりも、酸素の含有量が多く、且つ上記不純物元素の含有量が少ない。   The semiconductor region 107 includes a region where a channel of the transistor 100 is formed, and has a higher oxygen content and a lower content of the impurity element than the low resistance region 105a and the low resistance region 105b.

半導体領域107には十分に低減された量の上記不純物元素が含まれていると、トランジスタ100のオン特性(電界効果移動度やオン電流等)が向上するため好ましい。   It is preferable that the semiconductor region 107 contain the impurity element in a sufficiently reduced amount because the on characteristics (such as field-effect mobility and on-state current) of the transistor 100 are improved.

さらに、半導体領域107に低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bと同一の微量な不純物元素が含まれていることにより、半導体領域107と、低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bの境界におけるショットキー障壁を小さくすることができるため、ソース電極層115aとドレイン電極層115bの間の寄生抵抗を低減できる。   Further, since the semiconductor region 107 contains the same trace amount of impurity elements as the low resistance region 105a and the low resistance region 105b, a Schottky barrier at the boundary between the semiconductor region 107 and the low resistance region 105a or the low resistance region 105b. Therefore, parasitic resistance between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b can be reduced.

ゲート電極層113は、少なくとも半導体領域107の一部と重なるように設けられていればよいが、図1に示すように半導体領域107の全部と重なるように設けることにより、半導体領域107中のチャネルが形成されない領域(Loff領域ともいう)をなくすことができるため、トランジスタ100のオン電流を増大させることができる。   The gate electrode layer 113 may be provided so as to overlap with at least part of the semiconductor region 107, but by providing the gate electrode layer 113 so as to overlap with the entire semiconductor region 107 as illustrated in FIG. Since a region where the gate electrode is not formed (also referred to as a Loff region) can be eliminated, the on-state current of the transistor 100 can be increased.

また、ゲート電極層113と低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bとが重なる領域には、保護層109が形成されている。当該保護層109によりゲート電極層113と低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bとの間の寄生容量を低減できるため、低消費電力駆動が可能なトランジスタ100が実現できる。また、当該保護層109を設けることにより当該寄生容量を低減しつつ、ゲート絶縁層111を薄膜化できる。ゲート絶縁層111を薄膜化することで、さらにオン特性を向上させることができる。   A protective layer 109 is formed in a region where the gate electrode layer 113 and the low resistance region 105a or the low resistance region 105b overlap. Since the protective layer 109 can reduce parasitic capacitance between the gate electrode layer 113 and the low resistance region 105a or the low resistance region 105b, the transistor 100 that can be driven with low power consumption can be realized. Further, by providing the protective layer 109, the gate insulating layer 111 can be thinned while reducing the parasitic capacitance. By reducing the thickness of the gate insulating layer 111, the on characteristics can be further improved.

なお、上記では一つのゲート電極層113を半導体領域107の上層に設ける構成としたが、図1(C)のように、半導体領域107よりも基板101側に第2のゲート絶縁層として機能する絶縁層118を介して第2のゲート電極層116を設ける構成としてもよい。一方のゲートに適切な電位を与えることにより、トランジスタのしきい値電圧を自由に設定することができる。例えば一方のゲートにトランジスタをオフ状態とする電位を与えることにより、確実にノーマリーオフのトランジスタを実現できる。   Note that although one gate electrode layer 113 is provided above the semiconductor region 107 in the above description, it functions as a second gate insulating layer closer to the substrate 101 than the semiconductor region 107 as shown in FIG. The second gate electrode layer 116 may be provided with the insulating layer 118 provided therebetween. By applying an appropriate potential to one of the gates, the threshold voltage of the transistor can be freely set. For example, a normally-off transistor can be reliably realized by applying a potential for turning off the transistor to one gate.

またこのとき、第2のゲート電極層116を被覆する絶縁層118の表面は、当該第2のゲート電極層116の厚さを反映して形成される段差を無くすように、当該表面が平坦化されていることが好ましい。例えば、絶縁層118の表面に対して、CMP法などの研磨処理、ドライエッチング処理、又はプラズマ処理などの平坦化処理を行えばよい。   At this time, the surface of the insulating layer 118 covering the second gate electrode layer 116 is flattened so that a step formed by reflecting the thickness of the second gate electrode layer 116 is eliminated. It is preferable that For example, the surface of the insulating layer 118 may be subjected to a planarization process such as a polishing process such as a CMP method, a dry etching process, or a plasma process.

本構成例で例示したトランジスタ100は、ソース電極層115aとドレイン電極層115bの間の寄生抵抗が低減され、オン特性が向上したトランジスタである。   The transistor 100 illustrated in this structural example is a transistor in which the parasitic resistance between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b is reduced and the on-state characteristics are improved.

<作製方法例>
以下では、上記トランジスタ100の作製方法の一例について説明する。図2は本実施の形態で例示するトランジスタの作製方法にかかる断面概略図である。
<Example of production method>
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the transistor 100 will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view according to the method for manufacturing the transistor exemplified in this embodiment.

まず、基板101上に絶縁層119を形成する。   First, the insulating layer 119 is formed over the substrate 101.

絶縁表面を有する基板101に使用することの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等のガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を用いることができる。また、シリコンや炭化シリコン等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等の化合物半導体基板、SOI基板等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101として用いてもよい。   There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate 101 having an insulating surface as long as it has at least heat resistance to withstand heat treatment performed later. For example, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire 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, It may be used as the substrate 101.

また、基板101として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタ100を直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタ100を作製し、その後可撓性基板に転置してもよい。なお、トランジスタ100を作製基板から剥離し、可撓性基板に転置するために、作製基板とトランジスタ100の間に剥離層を設けるとよい。   Alternatively, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate 101. In order to manufacture a flexible semiconductor device, the transistor 100 may be directly formed over a flexible substrate, or the transistor 100 is manufactured over another manufacturing substrate and then transferred to the flexible substrate. Also good. Note that a separation layer may be provided between the formation substrate and the transistor 100 in order to separate the transistor 100 from the formation substrate and transfer it to the flexible substrate.

絶縁層119は、基板101に含まれる不純物がトランジスタ100に拡散しないための保護膜として機能する。絶縁層119としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成することができ、酸化シリコン、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の単層又は積層構造とすることができる。但し、絶縁層119は、酸化物絶縁層を含む単層又は積層構造として、該酸化物絶縁層が後に形成される酸化物層103と接する構造とすることが好ましい。なお、絶縁層119は、必ずしも設けなくともよい。   The insulating layer 119 functions as a protective film for preventing impurities contained in the substrate 101 from diffusing into the transistor 100. The insulating layer 119 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. Silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, hafnium oxide , Gallium oxide, or a film containing a mixed material thereof can be a single layer or a stacked structure. Note that the insulating layer 119 is preferably formed as a single layer or a stacked structure including an oxide insulating layer so that the oxide insulating layer is in contact with the oxide layer 103 to be formed later. Note that the insulating layer 119 is not necessarily provided.

絶縁層119は酸素過剰領域を有すると、絶縁層119に含まれる過剰な酸素によって、後に形成される半導体領域107のチャネル形成領域の酸素欠損を補填することが可能であるため好ましい。絶縁層119が積層構造の場合は、少なくとも酸化物層103と接する層(好ましくは酸化物絶縁層)において酸素過剰領域を有することが好ましい。絶縁層119に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層119を成膜すればよい。又は、成膜後の絶縁層119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、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法(イオンドーピング法、イオンインプランテーション法ともいう。)や、プラズマ処理等を用いることができる。   It is preferable that the insulating layer 119 have an oxygen-excess region because excess oxygen contained in the insulating layer 119 can fill oxygen vacancies in a channel formation region of the semiconductor region 107 to be formed later. In the case where the insulating layer 119 has a stacked structure, it is preferable that at least a layer in contact with the oxide layer 103 (preferably an oxide insulating layer) include an oxygen-excess region. In order to provide the oxygen-excess region in the insulating layer 119, for example, the insulating layer 119 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) may be introduced into the insulating layer 119 after film formation to form an oxygen-excess region. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method (also referred to as an ion doping method or an ion implantation method), plasma treatment, or the like can be used.

また、絶縁層119は、酸素過剰領域を有する層の下側に接して、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することが好ましい。絶縁層119が窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することで、トランジスタ100への不純物の拡散を防止することができる。   The insulating layer 119 preferably includes a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, or an aluminum oxide film in contact with the lower side of the layer having an oxygen-excess region. When the insulating layer 119 includes a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, or an aluminum oxide film, diffusion of impurities into the transistor 100 can be prevented.

絶縁層119において酸化物層103が接して形成される領域に、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。   Planarization treatment may be performed on a region where the oxide layer 103 is formed in contact with the insulating layer 119. 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、酸素等を用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、絶縁層119の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, powdery substances (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the insulating layer 119 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、絶縁層119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 the steps is not particularly limited, and may be set as appropriate in accordance with the uneven state of the surface of the insulating layer 119.

また、絶縁層119を水素(水や水酸基を含む)等の不純物が低減され、かつ酸素過剰な状態とするために、絶縁層119に水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための加熱処理(脱水化又は脱水素化処理)及び/又は酸素ドープ処理を行ってもよい。脱水化又は脱水素化処理と、酸素ドープ処理は複数回行ってもよく、両方を繰り返し行ってもよい。   Further, hydrogen (including water and hydroxyl groups) is removed (dehydrated or dehydrated) from the insulating layer 119 so that impurities such as hydrogen (including water and hydroxyl groups) are reduced and oxygen is excessive. Heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) and / or oxygen doping treatment may be performed. The dehydration or dehydrogenation treatment and the oxygen doping treatment may be performed a plurality of times, or both may be repeated.

続いて、絶縁層119上に不純物元素が添加された酸化物半導体を含む導電性の酸化物膜を成膜し、当該酸化物膜を島状に加工して酸化物層103を形成する(図2(A)参照)。   Next, a conductive oxide film including an oxide semiconductor to which an impurity element is added is formed over the insulating layer 119, and the oxide film is processed into an island shape to form the oxide layer 103 (FIG. 2 (A)).

酸化物膜の成膜方法として、スパッタリング法、MBE(Moleculer Beam Epitaxy)法、プラズマCVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。好適にはスパッタリング法を用いる。   As a method for forming the oxide film, a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a plasma CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or the like can be used as appropriate. A sputtering method is preferably used.

酸化物膜は、添加する不純物元素を含む雰囲気下、好ましくは不純物元素と酸素を含む雰囲気下で成膜する。不純物元素を含む雰囲気下で成膜することで、成膜された膜中に均一に不純物元素を添加することができる。   The oxide film is formed in an atmosphere containing an impurity element to be added, preferably in an atmosphere containing an impurity element and oxygen. By forming a film in an atmosphere containing an impurity element, the impurity element can be uniformly added to the formed film.

また、スパッタリング法を用いて成膜する場合には、上記に加えて不純物元素を含むターゲットを用いて成膜することで不純物元素が添加された酸化物半導体を含む酸化物膜を成膜してもよい。また、酸化物半導体を含むターゲットと、不純物元素を含むターゲットの2つのターゲットを用い、2つのターゲットから同時に、又は交互に成膜することにより、酸化物膜を成膜してもよい。   In addition, in the case where a film is formed by a sputtering method, an oxide film including an oxide semiconductor to which an impurity element is added is formed by using a target including an impurity element in addition to the above. Also good. Alternatively, an oxide film may be formed by using two targets, a target including an oxide semiconductor and a target including an impurity element, and forming the targets simultaneously or alternately from the two targets.

酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また、トランジスタ100の電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)のうち、少なくとも一を有することが好ましい。   An oxide semiconductor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, In and Zn are preferably included. Further, as a stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor 100, in addition to them, at least one of gallium (Ga), tin (Sn), hafnium (Hf), zirconium (Zr), and aluminum (Al) is used. It is preferable to have.

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。   Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium (Tb). , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する。)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Zr−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物等のターゲットを用いてスパッタリング法等により形成することができる。なお、スパッタリング法に限らず、上述の酸化物半導体を真空蒸着法、パルスレーザ堆積法、CVD法等を用いて形成することができる。   For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides such as In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide Oxides, Sn—Mg oxides, In—Mg oxides, In—Ga oxides, In—Ga—Zn oxides (also referred to as IGZO) which are oxides of ternary metals, In -Al-Zn oxide, In-Sn-Zn oxide, Sn-Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide Oxide, In-Zr-Zn-based oxide, In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In- Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide, In-Gd-Zn oxide In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn Oxide, In—Lu—Zn oxide, In—Sn—Ga—Zn oxide, In—Hf—Ga—Zn oxide, In—Al—Ga— which is an oxide of a quaternary metal It is formed by a sputtering method or the like using a target such as a Zn-based oxide, In-Sn-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Hf-Zn-based oxide, or In-Hf-Al-Zn-based oxide. Can do. Note that the above oxide semiconductor can be formed by a vacuum evaporation method, a pulse laser deposition method, a CVD method, or the like without being limited to the sputtering method.

なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。   Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoのうちの1つ又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0 is satisfied, and m is not an integer) may be used as the oxide semiconductor. M represents one or more metal elements of Ga, Fe, Mn, and Co. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 is satisfied, and n is an integer) may be used as the oxide semiconductor.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=2:2:1、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1、In:Sn:Zn=2:1:3あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。   For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, In: Ga: Zn = 2: 2: 1, or In: Ga: Zn = 3: 1: 2 atomic ratio In—Ga—Zn-based oxidation Or an oxide in the vicinity of the composition can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1, In: Sn: Zn = 2: 1: 3, or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide Or an oxide in the vicinity of the composition may be used.

インジウムを含む酸化物半導体は、これらの組成に限られず、必要とする電気的特性(電界効果移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする電気的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。   The oxide semiconductor containing indium is not limited to these compositions, and an oxide semiconductor having an appropriate composition may be used depending on required electrical characteristics (field-effect mobility, threshold value, variation, and the like). In order to obtain necessary electrical characteristics, it is preferable that the carrier concentration, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal element to oxygen, interatomic bond distance, density, and the like are appropriate.

例えば、In−Sn−Zn系酸化物半導体を用いたトランジスタでは比較的容易に高い電界効果移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いたトランジスタでも、バルク内欠陥密度を低くすることにより電界効果移動度を上げることができる。   For example, in a transistor including an In—Sn—Zn-based oxide semiconductor, high field effect mobility can be obtained relatively easily. However, even in a transistor including an In—Ga—Zn-based oxide semiconductor, field-effect mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk.

なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成のrだけ近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)+(b−B)+(c−C)≦rを満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。 Note that for example, the composition of an oxide in which the atomic ratio of In, Ga, and Zn is In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) has an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: B: C, (A + B + C = 1) is the vicinity of r of the oxide composition, a, b, c are (a−A) 2 + (b−B) 2 + (c−C) 2 ≦ It refers to meet the r 2. For example, r may be 0.05. The same applies to other oxides.

本実施の形態において、酸化物膜は単層構造を有する。但し、酸化物膜は、不純物が添加された酸化物半導体を含む酸化物膜が複数積層された構造としてもよい。例えば、酸化物膜を、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜の積層として、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第1の酸化物膜に三元系金属の酸化物を用い、第2の酸化物膜に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。   In this embodiment, the oxide film has a single-layer structure. Note that the oxide film may have a structure in which a plurality of oxide films including an oxide semiconductor to which an impurity is added are stacked. For example, the oxide film may be a stack of a first oxide film and a second oxide film, and metal oxides having different compositions may be used for the first oxide film and the second oxide film. . For example, a ternary metal oxide may be used for the first oxide film, and a binary metal oxide may be used for the second oxide film. For example, both the first oxide film and the second oxide film may be ternary metal oxides.

また、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜の構成元素を同一とし、両者の組成比を異ならせてもよい。例えば、第1の酸化物膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1とし、第2の酸化物膜の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2としてもよい。また、第1の酸化物膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2とし、第2の酸化物膜の原子数比をIn:Ga:Zn=2:1:3としてもよい。   In addition, the constituent elements of the first oxide film and the second oxide film may be the same, and the composition ratio of the two may be different. For example, the atomic ratio of the first oxide film may be In: Ga: Zn = 1: 1: 1 and the atomic ratio of the second oxide film may be In: Ga: Zn = 3: 1: 2. Good. Alternatively, the atomic ratio of the first oxide film may be In: Ga: Zn = 1: 3: 2, and the atomic ratio of the second oxide film may be In: Ga: Zn = 2: 1: 3. Good.

この時、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜のうち、ゲート電極に近い側(チャネル側)の酸化物膜のInとGaの含有率をIn>Gaとするとよい。またゲート電極から遠い側(バックチャネル側)の酸化物膜のInとGaの含有率をIn≦Gaとするとよい。   At this time, it is preferable that the In and Ga contents of the oxide film on the side close to the gate electrode (channel side) of the first oxide film and the second oxide film satisfy In> Ga. The content ratio of In and Ga in the oxide film far from the gate electrode (back channel side) is preferably In ≦ Ga.

酸化物半導体では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることによりs軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、In>Gaの組成となる酸化物はIn≦Gaの組成となる酸化物と比較して高い移動度を備える。また、GaはInと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、In≦Gaの組成となる酸化物はIn>Gaの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備える。   In oxide semiconductors, heavy metal s orbitals mainly contribute to carrier conduction, and increasing the In content tends to increase the overlap of s orbitals. Compared with an oxide having a composition of In ≦ Ga, high mobility is provided. In addition, since Ga has a larger energy generation energy of oxygen deficiency than In, and oxygen deficiency is less likely to occur, an oxide having a composition of In ≦ Ga has stable characteristics compared to an oxide having a composition of In> Ga. Prepare.

チャネル側にIn>Gaの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にIn≦Gaの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの移動度及び信頼性をさらに高めることが可能となる。   By using an oxide semiconductor with an In> Ga composition on the channel side and an oxide semiconductor with an In ≦ Ga composition on the back channel side, the mobility and reliability of the transistor can be further improved. It becomes.

また、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜に、結晶性の異なる酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体を適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物膜と第2の酸化物膜の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、酸化物膜の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。   Alternatively, oxide semiconductors having different crystallinities may be used for the first oxide film and the second oxide film. That is, a structure in which a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, or an amorphous oxide semiconductor is appropriately combined may be used. In addition, when an amorphous oxide semiconductor is applied to at least one of the first oxide film and the second oxide film, internal stress of the oxide film or external stress is relieved and transistor characteristics vary. And the reliability of the transistor can be further improved.

酸化物半導体に添加する不純物元素としては、例えば、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、窒素(N)、フッ素(F)、塩素(Cl)、チタン(Ti)、炭素(C)、及び亜鉛(Zn)のいずれかから選択される一以上を用いることができる。   As an impurity element added to the oxide semiconductor, for example, phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), boron (B), aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), nitrogen ( One or more selected from N), fluorine (F), chlorine (Cl), titanium (Ti), carbon (C), and zinc (Zn) can be used.

また不純物元素として、窒素を用いることが好ましい。窒素は酸素と原子半径が近く、酸化物半導体内の酸素原子のサイトに容易に置換可能なため、酸化物半導体内の結合を破壊することなく(結晶性を有する場合にはその結晶構造を維持したまま)低抵抗な酸化物膜を得ることができる。また、後の置換処理によって容易に窒素を酸素と置換させることができるため、半導体領域107中の不純物元素濃度を十分に低減でき、トランジスタ100は良好な電気的特性を得ることができる。   Further, nitrogen is preferably used as the impurity element. Nitrogen has an atomic radius close to that of oxygen and can be easily replaced with the site of an oxygen atom in the oxide semiconductor, so that the crystal structure is maintained without breaking the bond in the oxide semiconductor (if it has crystallinity) An oxide film with low resistance can be obtained. Further, since nitrogen can be easily replaced with oxygen by a subsequent replacement treatment, the impurity element concentration in the semiconductor region 107 can be sufficiently reduced, and the transistor 100 can obtain favorable electrical characteristics.

酸化物膜の成膜時、上述した元素を含む気体雰囲気下で成膜を行う。又は、上述した元素を含むターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。   When forming the oxide film, the film is formed in a gas atmosphere containing the above-described elements. Alternatively, a film is formed by a sputtering method using a target containing the above-described element.

不純物元素が添加された酸化物半導体中には酸素欠損が生成される。酸化物半導体において酸素欠損はドナーとなり、酸化物半導体中にキャリアである電子を生成する。よって、酸化物半導体の酸素欠損を生成するための不純物元素を導入された酸化物膜は、不純物元素が添加されていない酸化物半導体と比較して低抵抗となり、後のトランジスタ100のソース領域又はドレイン領域として機能する。   Oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor to which the impurity element is added. In the oxide semiconductor, oxygen vacancies serve as donors and generate electrons which are carriers in the oxide semiconductor. Thus, an oxide film into which an impurity element for generating oxygen vacancies in the oxide semiconductor is introduced has lower resistance than an oxide semiconductor to which the impurity element is not added, and the source region of the transistor 100 or It functions as a drain region.

酸化物膜中の不純物元素の濃度は、用いる不純物元素の種類や、目的とする酸化物膜の抵抗率に応じて適宜設定すればよい。例えば、不純物元素として窒素を用いる場合には、酸化物膜中に含まれる窒素濃度が、0.1原子%以上30atomic%以下、より好ましくは1atomic%以上20atomic%以下とする。酸化物膜に含まれる窒素濃度が0.1atomic%よりも低いと、キャリア密度が不十分であり、酸化物膜に含まれる窒素濃度が30atomic%より高いと、後の置換処理によって窒素と酸素の置換が不十分となり、半導体領域107の半導体としての機能が損なわれてしまう恐れがある。   The concentration of the impurity element in the oxide film may be set as appropriate depending on the type of impurity element used and the resistivity of the target oxide film. For example, in the case where nitrogen is used as the impurity element, the concentration of nitrogen contained in the oxide film is 0.1 atomic% or more and 30 atomic% or less, more preferably 1 atomic% or more and 20 atomic% or less. When the concentration of nitrogen contained in the oxide film is lower than 0.1 atomic%, the carrier density is insufficient. When the concentration of nitrogen contained in the oxide film is higher than 30 atomic%, the substitution process of nitrogen and oxygen is performed later. The replacement may be insufficient, and the function of the semiconductor region 107 as a semiconductor may be impaired.

また、他の酸化物膜の形成方法として、酸化物半導体を含む半導体膜を成膜した後、上述した不純物元素を導入して酸化物膜を形成することもできる。   As another method for forming an oxide film, after forming a semiconductor film containing an oxide semiconductor, the above-described impurity element can be introduced to form an oxide film.

半導体膜へ不純物元素を導入する方法の一つとして、イオン注入法を用いることができる。また、不純物元素を含む雰囲気化で半導体膜表面をプラズマに曝す処理(プラズマ処理)、又は半導体膜表面を不純物元素のラジカルに曝す処理(ラジカル処理)等により、半導体膜中に不純物元素を導入してもよい。   As one method for introducing an impurity element into the semiconductor film, an ion implantation method can be used. In addition, the impurity element is introduced into the semiconductor film by a process of exposing the surface of the semiconductor film to plasma in an atmosphere containing the impurity element (plasma process) or a process of exposing the surface of the semiconductor film to a radical of the impurity element (radical process). May be.

また、半導体膜へ不純物元素を導入した後、不純物元素を半導体膜中に拡散させるための熱処理を行ってもよい。当該熱処理により不純物元素が膜中に均一に分布し、形成される酸化物膜の抵抗のばらつきを低減できる。   Further, after introducing the impurity element into the semiconductor film, heat treatment for diffusing the impurity element into the semiconductor film may be performed. By the heat treatment, impurity elements are uniformly distributed in the film, and variation in resistance of the formed oxide film can be reduced.

本実施の形態では酸化物膜を、In−Ga−Zn系酸化物をターゲットとして用い、成膜ガスとして窒素ガスを用いた減圧雰囲気下でスパッタリング法により形成する。   In this embodiment, the oxide film is formed by a sputtering method in a reduced-pressure atmosphere using an In—Ga—Zn-based oxide as a target and nitrogen gas as a deposition gas.

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、成膜された酸化物膜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)等水素原子を含む化合物等の排気能力が高いため、当該成膜室で成膜した酸化物膜に含まれる意図しない不純物の濃度を低減できる。 In addition, the hydrogen concentration of the formed oxide film can be reduced by introducing a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed while removing residual moisture in the deposition chamber. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used. A film formation chamber evacuated using a cryopump has a high exhaust capability of, for example, a compound containing hydrogen atoms such as hydrogen molecules and water (H 2 O), and thus is included in the oxide film formed in the film formation chamber. The concentration of unintended impurities can be reduced.

また、酸化物膜をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物膜を緻密な膜とすることができる。   In the case where the oxide film is formed by a sputtering method, the relative density (filling rate) of the metal oxide target used for film formation is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. By using a metal oxide target having a high relative density, the formed oxide film can be a dense film.

また、被形成面を加熱した状態で成膜することでも、水や水素等の意図しない不純物の、膜中への混入を抑制できる。被形成面を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が200℃以上350℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結晶性を有する酸化物膜を形成することができる。   In addition, by forming a film with the surface to be formed heated, unintentional impurities such as water and hydrogen can be prevented from entering the film. The temperature for heating the surface to be formed may be 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and preferably the substrate temperature may be 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. Further, by heating the substrate at a high temperature at the time of film formation, an oxide film having crystallinity can be formed.

上述の方法により成膜した酸化物膜をフォトリソグラフィ工程により島状に加工して、酸化物層103を形成することができる。島状の酸化物層103を形成するためのレジストマスクはインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減することができる。   The oxide film 103 can be formed by processing the oxide film formed by the above-described method into an island shape by a photolithography process. A resist mask for forming the island-shaped oxide layer 103 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an inkjet method, a photomask is not used, so that manufacturing cost can be reduced.

続いて、酸化物層103上に絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を加工して酸化物層103の上面の一部を露出させる開口部を有する保護層109を形成する(図2(B))。   Next, an insulating film is formed over the oxide layer 103, and the insulating film is processed to form the protective layer 109 having an opening that exposes part of the top surface of the oxide layer 103 (FIG. 2B )).

保護層109は、酸化物層103の保護層109と重なる領域が、後の置換処理に曝されないために設けられる。したがって、保護層109の材料や厚さは、後の置換処理に用いる方法や条件に応じて適宜選択する。   The protective layer 109 is provided so that a region of the oxide layer 103 that overlaps with the protective layer 109 is not exposed to a subsequent replacement process. Therefore, the material and thickness of the protective layer 109 are appropriately selected according to the method and conditions used for the subsequent substitution process.

例えば、保護層109としては、酸化シリコン、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の単層又は積層構造とすることができる。ここで、保護層109は、酸化物絶縁層を含む単層又は積層構造として、該酸化物絶縁層が酸化物層103と接する構造とすることが好ましい。   For example, as the protective layer 109, a film containing silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, hafnium oxide, gallium oxide, or a mixed material thereof It can be a single layer or a laminated structure. Here, the protective layer 109 preferably has a structure in which the oxide insulating layer is in contact with the oxide layer 103 as a single layer or a stacked structure including the oxide insulating layer.

また、保護層109の少なくとも酸化物層103と接する層には、絶縁層119と同様に酸素過剰な領域を有する酸化絶縁膜を用いることが好ましい。   As the insulating layer 119, an oxide insulating film having an oxygen-excess region is preferably used for at least the layer in contact with the oxide layer 103 in the protective layer 109.

保護層109となる絶縁膜は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により成膜することができる。   The insulating film serving as the protective layer 109 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

保護層109の有する開口部は、酸化物層103の対向する一対の端部にかからないように形成する。さらに当該開口部は、酸化物層103の他の対向する一対の端部において、それぞれ端部の一部を含むように酸化物層103を横断するように形成する。このような開口部を設けることで、酸化物層103には、上面が露出した領域と、当該領域を挟持する2つの保護層109と重なる領域が形成される。なお、当該開口部の形成は、フォトリソグラフィ法等を用いればよい。   The opening portion of the protective layer 109 is formed so as not to cover a pair of opposed end portions of the oxide layer 103. Further, the opening is formed so as to traverse the oxide layer 103 so as to include a part of each of the other opposing ends of the oxide layer 103. By providing such an opening, a region where the upper surface is exposed and a region overlapping with the two protective layers 109 sandwiching the region are formed in the oxide layer 103. Note that the opening may be formed by a photolithography method or the like.

続いて、酸化物層103の露出した領域に対して、置換処理を施すことにより、酸化物層103の一部に半導体領域107を形成する(図2(C))。またこのとき、酸化物層103の保護層109と重なる一対の領域は、それぞれ低抵抗領域105a、低抵抗領域105bとなる。   Subsequently, a semiconductor region 107 is formed in part of the oxide layer 103 by performing substitution treatment on the exposed region of the oxide layer 103 (FIG. 2C). At this time, a pair of regions of the oxide layer 103 overlapping with the protective layer 109 becomes a low resistance region 105a and a low resistance region 105b, respectively.

置換処理は、高エネルギーの酸素121を酸化物層103に導入することにより、酸化物層103中の不純物元素を酸素と置換する処理である。置換処理としては、酸素ラジカル処理、イオン注入法により酸素を導入する処理(酸素イオン注入処理)、酸素プラズマ処理、熱酸化処理等を用いることができる。   The replacement treatment is treatment for replacing the impurity element in the oxide layer 103 with oxygen by introducing high-energy oxygen 121 into the oxide layer 103. As the substitution treatment, oxygen radical treatment, treatment for introducing oxygen by an ion implantation method (oxygen ion implantation treatment), oxygen plasma treatment, thermal oxidation treatment, or the like can be used.

酸素121としては、少なくとも、酸素ラジカル、オゾン、酸素原子、酸素イオン(分子イオン、クラスタイオンを含む)、のいずれかが含まれている。   The oxygen 121 contains at least one of oxygen radicals, ozone, oxygen atoms, and oxygen ions (including molecular ions and cluster ions).

置換処理により酸化物層103を構成する酸化物半導体中の不純物元素の一部が酸素と置換する。したがって酸化物半導体中の酸素欠損が低減されることに伴い、酸化物半導体内のキャリア濃度が低減する。よって、置換処理が施された半導体領域107はトランジスタ100のチャネルが形成される半導体として機能する。一方、置換処理が施されていない低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bは、キャリア濃度が高い状態が維持されるため低抵抗な領域であり、トランジスタ100のソース領域又はドレイン領域として機能する。   Part of the impurity element in the oxide semiconductor included in the oxide layer 103 is replaced with oxygen by the replacement treatment. Therefore, with the reduction of oxygen vacancies in the oxide semiconductor, the carrier concentration in the oxide semiconductor is reduced. Therefore, the semiconductor region 107 subjected to the replacement treatment functions as a semiconductor in which a channel of the transistor 100 is formed. On the other hand, the low-resistance region 105a and the low-resistance region 105b that are not subjected to the substitution treatment are low-resistance regions because the state where the carrier concentration is high is maintained, and function as a source region or a drain region of the transistor 100.

酸素ラジカル処理を施す場合、酸素雰囲気下で高周波により励起された高密度プラズマを発生させ、当該高密度プラズマにより励起された酸素ラジカルを、被処理面に接触させる。当該酸素ラジカルにより、酸化物層103中の不純物元素を酸素と置換することができる。   When oxygen radical treatment is performed, high-density plasma excited by high frequency in an oxygen atmosphere is generated, and oxygen radicals excited by the high-density plasma are brought into contact with the surface to be treated. With the oxygen radical, the impurity element in the oxide layer 103 can be replaced with oxygen.

より具体的には、減圧された処理室内に酸素を含むガスを導入し、基板101を室温若しくは100℃〜550℃の温度に加熱した状態で、マイクロ波を導入することにより高密度なプラズマを生じさせることができる。マイクロ波の導入によりプラズマの励起を行うと、低電子温度(3eV以下、好ましくは1.5eV以下)で高電子密度(1×1011cm−3以上)のプラズマを生成することができる。この高密度プラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)によって、酸化物層103に対して置換処理を行うことができる。プラズマ処理用ガスにアルゴン等の希ガスを混合させると、希ガスの励起種により酸素ラジカルを効率よく生成することができる。この方法は、プラズマで励起した活性なラジカルを有効に使うことにより、500℃以下の低温で固相反応を起こすことができる。 More specifically, a gas containing oxygen is introduced into a reduced-pressure processing chamber, and a high-density plasma is generated by introducing microwaves while the substrate 101 is heated to room temperature or a temperature of 100 ° C. to 550 ° C. Can be generated. When plasma excitation is performed by introduction of microwaves, plasma with a low electron temperature (3 eV or less, preferably 1.5 eV or less) and a high electron density (1 × 10 11 cm −3 or more) can be generated. Substitution treatment can be performed on the oxide layer 103 by oxygen radicals (which may include OH radicals) generated by the high-density plasma. When a rare gas such as argon is mixed with the plasma processing gas, oxygen radicals can be efficiently generated by the excited species of the rare gas. This method can cause a solid phase reaction at a low temperature of 500 ° C. or lower by effectively using active radicals excited by plasma.

酸素イオン注入処理に用いるイオン注入法として、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法や、ガスクラスタイオンビームを用いた注入法等を用いてもよい。   As an ion implantation method used for the oxygen ion implantation treatment, a plasma immersion ion implantation method, an implantation method using a gas cluster ion beam, or the like may be used.

酸素イオン注入処理を用いる場合、酸素121の導入は、基板101の全面を一度に処理してもよいし、例えば線状のイオンビームを用いてもよい。線状のイオンビームを用いる場合には、基板101とイオンビームを相対的に走査する。   In the case of using oxygen ion implantation, oxygen 121 may be introduced by treating the entire surface of the substrate 101 at one time, for example, using a linear ion beam. When a linear ion beam is used, the substrate 101 and the ion beam are scanned relatively.

酸素の供給ガスとしては、酸素を含有するガスを用いることができる。例えば、Oガス、NOガス、COガス、COガス、NOガス等を用いることができる。酸素イオン注入処理に用いる装置が質量分析器を備える場合には、上述した窒素や炭素を含むガスを用板としても、酸素121のみを導入することができる。なお、酸素の供給ガスに希ガス(例えばAr)を含有させてもよい。 As the oxygen supply gas, a gas containing oxygen can be used. For example, O 2 gas, N 2 O gas, CO 2 gas, CO gas, NO 2 gas, or the like can be used. When the apparatus used for the oxygen ion implantation process includes a mass analyzer, only the oxygen 121 can be introduced even if the gas containing nitrogen or carbon is used as a plate. Note that a rare gas (eg, Ar) may be included in the oxygen supply gas.

また、酸素の注入深さは、酸化物層103の厚さに応じて適宜設定すればよいが、酸化物層103の厚さ方向の中央付近に酸素濃度のピークが形成されるように設定することが好ましい。また、処理中に酸素の注入深さが可変な場合には、酸化物層103の厚さ方向に均一に注入されるように設定することがより好ましい。   The oxygen implantation depth may be set as appropriate in accordance with the thickness of the oxide layer 103, but is set so that an oxygen concentration peak is formed near the center of the oxide layer 103 in the thickness direction. It is preferable. In addition, when the oxygen implantation depth is variable during the treatment, it is more preferable to set so that the oxygen layer 103 is uniformly implanted in the thickness direction.

また、酸素イオン注入処理により酸化物層103に酸素121を導入した後、熱処理を施してもよい。熱処理を施すことにより、半導体領域107中に残留する不純物元素と、当該不純物元素置換されていない酸素121との置換の反応を促進することができる。   Alternatively, heat treatment may be performed after oxygen 121 is introduced into the oxide layer 103 by an oxygen ion implantation treatment. By performing heat treatment, a substitution reaction between the impurity element remaining in the semiconductor region 107 and oxygen 121 that is not substituted with the impurity element can be promoted.

酸素プラズマ処理を施す場合には、酸素を含む雰囲気下でプラズマを発生させて、当該プラズマにより酸素イオン、又は酸素ラジカルを生成させる。当該酸素イオンや酸素ラジカルが、バイアス電位が印加された電極上に配置された基板101の表面に衝突することにより、酸化物層103に酸素121を導入することができる。なお、酸素の供給ガスに希ガス(例えばAr)を含有させると、プラズマを安定させつつ供給する酸素の濃度を制御できるため好ましい。   In the case of performing oxygen plasma treatment, plasma is generated in an atmosphere containing oxygen, and oxygen ions or oxygen radicals are generated by the plasma. Oxygen 121 or oxygen radicals can be introduced into the oxide layer 103 by colliding with the surface of the substrate 101 placed over the electrode to which a bias potential is applied. Note that a rare gas (eg, Ar) is preferably contained in the oxygen supply gas because the concentration of oxygen supplied can be controlled while plasma is stabilized.

なお、当該酸素プラズマ処理により、酸化物層103の露出した領域の上層の一部がエッチングされ、半導体領域107の厚さが低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bの厚さよりも薄くなる場合がある。   Note that part of the upper layer of the exposed region of the oxide layer 103 is etched by the oxygen plasma treatment, so that the thickness of the semiconductor region 107 may be smaller than the thickness of the low resistance region 105a and the low resistance region 105b. .

熱酸化処理を施す場合には、酸素を含む雰囲気下で加熱することにより、酸化物層103中に酸素121を導入することができる。   In the case of performing thermal oxidation treatment, oxygen 121 can be introduced into the oxide layer 103 by heating in an atmosphere containing oxygen.

なお、熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体等の発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプ等のランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。   Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be used. For example, an RTA (Rapid Thermal Anneal) apparatus such as an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) apparatus can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp.

熱酸化処理は、酸素雰囲気下、又は酸素と希ガスの混合雰囲気下で行うことが好ましい。このとき、酸素ガス及び希ガス中に、水、水素等が含まれないことが好ましい。例えば、熱処理装置に導入する酸素ガス及び希ガスの純度を、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。   The thermal oxidation treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere or a mixed atmosphere of oxygen and a rare gas. At this time, it is preferable that water, hydrogen, etc. are not contained in oxygen gas and noble gas. For example, the purity of oxygen gas and rare gas 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 0.1 ppm or less). It is preferable to do.

また、熱処理で酸化物層103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、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。酸素ガスに、水、水素等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の純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、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。   In addition, after heating the oxide layer 103 by heat treatment, high-purity oxygen gas or ultra-dry air (CRDS (cavity ring-down laser spectroscopy) is maintained in the same furnace while maintaining the heating temperature or gradually cooling from the heating temperature. The amount of water when measured using a dew point meter of the system may be 20 ppm (air at dew point conversion of −55 ° C.) or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. It is preferable that the oxygen gas does not contain water, hydrogen, or the like. Alternatively, the purity of the oxygen gas introduced into the heat treatment apparatus is preferably 6N or more, preferably 7N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less).

また熱酸化処理の他の方法として、酸素雰囲気下で基板101に対してレーザ光を照射し、酸化物層103を加熱することにより、酸化物層103中に酸素121を導入してもよい。   As another method of thermal oxidation treatment, oxygen 121 may be introduced into the oxide layer 103 by irradiating the substrate 101 with laser light in an oxygen atmosphere and heating the oxide layer 103.

続いて、保護層109及び半導体領域107上にゲート絶縁層111を形成する。   Subsequently, a gate insulating layer 111 is formed over the protective layer 109 and the semiconductor region 107.

ゲート絶縁層111は、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。   The gate insulating layer 111 can be formed using a sputtering method, an MBE method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD method, or the like as appropriate.

ゲート絶縁層111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の向き絶縁材料を用いることができる。ゲート絶縁層111は、半導体領域107と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁層111は、膜中(バルク中)に少なくとも化学量的組成論比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁層111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。 As a material of the gate insulating layer 111, a direction insulating material such as silicon oxide, gallium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, or silicon nitride oxide can be used. The gate insulating layer 111 preferably contains oxygen in a portion in contact with the semiconductor region 107. In particular, the gate insulating layer 111 preferably includes oxygen in the film (in the bulk) at least in an amount exceeding the stoichiometric composition ratio. For example, when a silicon oxide film is used as the gate insulating layer 111, , SiO 2 + α (where α> 0).

また、ゲート絶縁層111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、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))、酸化ランタン等の材料を用いてもよい。さらに、ゲート絶縁層111は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。 As materials for the gate insulating layer 111, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate to which nitrogen is added, and hafnium aluminate (HfAl x O y (HfAl x O y ( x> 0, y> 0)), and materials such as lanthanum oxide may be used. Further, the gate insulating layer 111 may have a single-layer structure or a stacked structure.

ゲート絶縁層111を水素(水や水酸基を含む)等の不純物が低減され、かつ酸素過剰な状態とするために、ゲート絶縁層111に水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための加熱処理(脱水化又は脱水素化処理)や酸素ドープ処理を行ってもよい。脱水化又は脱水素化処理と、酸素ドープ処理は複数回行ってもよく、両方を繰り返し行ってもよい。   Hydrogen (including water and hydroxyl groups) is removed (dehydrated or dehydrated) in the gate insulating layer 111 so that impurities such as hydrogen (including water and hydroxyl groups) are reduced and oxygen is excessive in the gate insulating layer 111. Heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) or oxygen doping treatment may be performed. The dehydration or dehydrogenation treatment and the oxygen doping treatment may be performed a plurality of times, or both may be repeated.

続いて、ゲート絶縁層111上に導電膜を形成し、当該導電膜の一部をエッチングしてゲート電極層113を形成する(図2(D))。   Next, a conductive film is formed over the gate insulating layer 111, and part of the conductive film is etched to form the gate electrode layer 113 (FIG. 2D).

ゲート電極層113の材料としては、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、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。また、ゲート電極層113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等のシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層113は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。   As a material for the gate electrode layer 113, a metal material such as molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, or scandium, or an alloy material containing any of these materials as its main component 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 layer 113. The gate electrode layer 113 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、ゲート電極層113の材料として、インジウムスズ酸化物、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スズ酸化物、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スズ酸化物等の導電性の金属酸化物材料を用いることもできる。また、当該金属酸化物材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。   As a material for the gate electrode layer 113, 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 Conductive metal oxide materials such as zinc oxide and indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the metal oxide material and the metal material can be employed.

また、ゲート絶縁層111と接するゲート電極層113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In−Ga−Zn−O膜、窒素を含むIn−Sn−O膜、窒素を含むIn−Ga−O膜、窒素を含むIn−Zn−O膜、窒素を含むSn−O膜、窒素を含むIn−O膜、金属窒化膜(InN、SnN等)を用いることができる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、ゲート電極層113として用いた場合、トランジスタのしきい値電圧を正の電圧にすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。   Further, as one layer of the gate electrode layer 113 in contact with the gate insulating layer 111, a metal oxide containing nitrogen, specifically, an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, An In—Ga—O film containing nitrogen, an In—Zn—O film containing nitrogen, a Sn—O film containing nitrogen, an In—O film containing nitrogen, or a metal nitride film (InN, SnN, or the like) can be used. . These films have a work function of 5 eV (electron volt), preferably 5.5 eV (electron volt) or higher, and when used as the gate electrode layer 113, the threshold voltage of the transistor can be set to a positive voltage. In other words, a so-called normally-off switching element can be realized.

続いて、ゲート絶縁層111及びゲート電極層113上に絶縁層117を形成する。その後、絶縁層117、ゲート絶縁層111及び保護層109に低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bに到達する開口部を形成する。次いで、当該開口部を介して低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bと電気的に接続するソース電極層115a及びドレイン電極層115bを形成する(図2(E))。   Subsequently, an insulating layer 117 is formed over the gate insulating layer 111 and the gate electrode layer 113. After that, an opening reaching the low resistance region 105a or the low resistance region 105b is formed in the insulating layer 117, the gate insulating layer 111, and the protective layer 109. Next, the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b which are electrically connected to the low resistance region 105a or the low resistance region 105b through the opening are formed (FIG. 2E).

絶縁層117は、プラズマCVD法、スパッタリング法、蒸着法、塗布法等により形成することができる。絶縁層117に用いる材料としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化バリウム等の無機絶縁膜を単層で又は積層構造で用いることができる。又は、絶縁層117として、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化が容易な絶縁膜(平坦化絶縁膜)を形成してもよく、無機絶縁膜と平坦化絶縁膜を積層させてもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂等の有機材料と用いることができる。又は、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。   The insulating layer 117 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, an evaporation method, a coating method, or the like. As a material used for the insulating layer 117, a single layer of an inorganic insulating film such as silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, or barium oxide is used. It can be used in a laminated structure. Alternatively, as the insulating layer 117, an insulating film that can be easily planarized (planarized insulating film) may be formed in order to reduce surface unevenness due to the transistor, or an inorganic insulating film and a planarized insulating film may be stacked. Good. As the planarization insulating film, an organic material such as polyimide resin, acrylic resin, or benzocyclobutene resin can be used. Alternatively, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used in addition to the organic material.

ソース電極層115a及びドレイン電極層115bに用いる材料としては、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、タングステン等の金属、又は上述した金属の窒化物(窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン)等を用いることができる。また、アルミニウム、銅等の金属膜の下側又は上側の一方又は双方にチタン、モリブデン、タングステン等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等)を積層させた構成としてもよい。また、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bに用いる導電膜を、導電性の金属酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、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。   As a material used for the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b, for example, a metal such as aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, or tungsten, or a nitride of the above metal (titanium nitride, molybdenum nitride, or tungsten nitride). ) Etc. can be used. In addition, 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, etc.) on one or both of the lower side or upper side of a metal film such as aluminum or copper ) May be laminated. Alternatively, the conductive film used for the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, indium tin oxide, indium zinc oxide, or a material in which silicon oxide is included in these metal oxide materials can be used.

例えば、ソース電極層115a及びドレイン電極層115b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膜、又は窒化タンタル膜とタングステン膜の積層膜等を用いることができる。   For example, as the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b, a single layer of a molybdenum film, a stacked film of a tantalum nitride film and a copper film, a stacked film of a tantalum nitride film and a tungsten film, or the like can be used.

ソース電極層115a及びドレイン電極層115bは、それぞれ酸化物層103の低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bと接して設けられるため、これらの接触抵抗を低減することができる。   Since the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b are provided in contact with the low resistance region 105a or the low resistance region 105b of the oxide layer 103, respectively, contact resistance thereof can be reduced.

以上の工程により、基板101上にトランジスタ100を作製することができる。   Through the above process, the transistor 100 can be formed over the substrate 101.

本作製工程例で例示した方法によれば、不純物元素が添加され、十分に低抵抗な低抵抗領域をソース領域又はドレイン領域として用いることにより、ソース電極とドレイン電極の間の寄生抵抗が十分に低減され、オン特性が改善されたトランジスタを作製することができる。   According to the method exemplified in this manufacturing process example, an impurity element is added and a sufficiently low resistance low resistance region is used as the source region or the drain region, so that the parasitic resistance between the source electrode and the drain electrode is sufficiently high. A transistor with reduced on-state characteristics can be manufactured.

また、不純物元素が添加された酸化物半導体を含む酸化物層の一部の不純物元素を酸素と置換することにより、チャネルが形成される半導体領域を形成する。したがって、低抵抗領域を形成するための処理(例えばアルゴンプラズマ処理)によってソース領域及びドレイン領域が薄膜化することがなく、ソース領域及びドレイン領域を低抵抗な領域とすることができる。   Further, a part of the impurity layer in the oxide layer including the oxide semiconductor to which the impurity element is added is replaced with oxygen, so that a semiconductor region in which a channel is formed is formed. Therefore, the source region and the drain region are not thinned by a process for forming the low resistance region (for example, argon plasma treatment), and the source region and the drain region can be made a low resistance region.

<変形例1>
以下では、上記構成例で例示したトランジスタとは異なる構成のトランジスタの構成例及び作製工程例について説明する。
<Modification 1>
Hereinafter, a structural example and a manufacturing process example of a transistor having a different structure from the transistor exemplified in the above structural example will be described.

図3(A)に本変形例で例示するトランジスタ110の断面概略図を示す。トランジスタ110は半導体領域107内に、低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bよりも厚さが薄い領域を備える点で、上記構成例で例示したトランジスタ100と相違している。   FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the transistor 110 exemplified in this modification. The transistor 110 is different from the transistor 100 illustrated in the above structure example in that the semiconductor region 107 includes a region having a smaller thickness than the low resistance region 105a and the low resistance region 105b.

半導体領域107の一部は、低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bよりも薄く形成されている。   A part of the semiconductor region 107 is formed thinner than the low resistance region 105a or the low resistance region 105b.

このように、半導体領域107の一部が低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bよりも薄く設けられていることにより、トランジスタ110のしきい値電圧を正の電圧にすることが容易であり、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。また、半導体領域107の厚さを薄くできるため短チャネル効果を抑制できる。さらに、低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bの厚さを厚く形成できるため、ソース電極とドレイン電極の間の寄生抵抗を低減することができる。   Thus, part of the semiconductor region 107 is provided thinner than the low resistance region 105a and the low resistance region 105b, so that the threshold voltage of the transistor 110 can be easily set to a positive voltage. A normally-off switching element can be realized. Further, since the thickness of the semiconductor region 107 can be reduced, the short channel effect can be suppressed. Furthermore, since the low resistance region 105a and the low resistance region 105b can be formed thick, parasitic resistance between the source electrode and the drain electrode can be reduced.

また半導体領域107は、低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bと接する端部に近いほど厚さが増す、いわゆるテーパ形状を有している。さらに、半導体領域107の低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bと接する端部の厚さは、低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bの厚さと等しい厚さであることが好ましい。   The semiconductor region 107 has a so-called taper shape in which the thickness increases as the end portion is in contact with the low resistance region 105a or the low resistance region 105b. Furthermore, the thickness of the end portion of the semiconductor region 107 that is in contact with the low resistance region 105a or the low resistance region 105b is preferably equal to the thickness of the low resistance region 105a and the low resistance region 105b.

図3(B)には、図3(A)中の破線で示す半導体領域107とドレインとして機能する低抵抗領域105bの境界付近を拡大した図を示す。ここで図3(B)には、トランジスタ110がオン状態のときのキャリア123が低抵抗領域105bに向かって流れる様子を模式的に示している。   FIG. 3B is an enlarged view of the vicinity of the boundary between the semiconductor region 107 indicated by a broken line in FIG. 3A and the low-resistance region 105b functioning as a drain. Here, FIG. 3B schematically illustrates a state in which the carrier 123 flows toward the low resistance region 105b when the transistor 110 is on.

図3(B)に示すように半導体領域107の端部がテーパ形状をなしていることにより、半導体領域107の端部において、キャリア123は厚さ方向に広がって低抵抗領域105bに流れることができ、半導体領域107と低抵抗領域105bの境界での電流密度を緩和することができる。したがって当該端部における発熱が抑制され、信頼性の高いトランジスタ110とすることができる。   As shown in FIG. 3B, since the end portion of the semiconductor region 107 is tapered, the carrier 123 spreads in the thickness direction at the end portion of the semiconductor region 107 and flows to the low resistance region 105b. In addition, the current density at the boundary between the semiconductor region 107 and the low resistance region 105b can be reduced. Therefore, heat generation at the end portion is suppressed, and the transistor 110 can have high reliability.

またこのとき、酸化物層103は、半導体領域107と低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bの境界で段差が生じないように連続的に厚さが増すように設けると、これらの境界における電流密度の緩和が促進されるため好ましい。   At this time, if the oxide layer 103 is provided so as to continuously increase in thickness so as not to cause a step at the boundary between the semiconductor region 107 and the low resistance region 105a or the low resistance region 105b, the current density at these boundaries is increased. It is preferable because relaxation of the is promoted.

また特に、トップゲート型のトランジスタでは、厚さの異なる半導体領域107と低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bの境界において、ゲート絶縁層111の被覆性が高まるため、ゲート絶縁層111が局所的に薄くなることによるゲートリークや絶縁破壊といった不具合が抑制され、信頼性の高いトランジスタ110とすることができる。   In particular, in a top-gate transistor, the coverage of the gate insulating layer 111 is increased at the boundary between the semiconductor region 107 and the low-resistance region 105a or the low-resistance region 105b having different thicknesses, so that the gate insulating layer 111 is locally formed. Problems such as gate leakage and dielectric breakdown due to thinning are suppressed, and the transistor 110 with high reliability can be obtained.

このような形状の半導体領域107を備える酸化物層103を有するトランジスタ110を作製する場合について図4を用いて以下に説明する。   The case where the transistor 110 including the oxide layer 103 including the semiconductor region 107 having such a shape is manufactured will be described below with reference to FIGS.

まず、上記作製工程例と同様に、基板101上に絶縁層119、酸化物層103、及び保護層109となる絶縁膜108を形成する(図4(A))。続いて、絶縁膜108の一部をエッチングして保護層109を形成する(図4(B))。   First, as in the above manufacturing process example, the insulating layer 119, the oxide layer 103, and the insulating film 108 to be the protective layer 109 are formed over the substrate 101 (FIG. 4A). Subsequently, part of the insulating film 108 is etched to form the protective layer 109 (FIG. 4B).

このとき、絶縁膜108のエッチングの際に酸化物層103の上層をエッチングするように、オーバーエッチングを施すことにより、図4(B)に示すように酸化物層103の後の半導体領域107となる領域の一部を薄膜化させることができる。   At this time, by performing over-etching so that the upper layer of the oxide layer 103 is etched when the insulating film 108 is etched, as shown in FIG. A part of the region to be formed can be thinned.

又は、絶縁膜108をエッチングした後に、同一のレジストマスクを用いてさらに酸化物層103の上層のエッチングを行うことで、酸化物層103の加工を行ってもよい。又は、絶縁膜108をエッチングして保護層109を形成してレジストマスクを除去した後、保護層109をエッチングマスク(ハードマスクともいう)として用いて、酸化物層103の上層をエッチングしてもよい。   Alternatively, after the insulating film 108 is etched, the oxide layer 103 may be processed by further etching the upper layer of the oxide layer 103 using the same resist mask. Alternatively, after the insulating film 108 is etched to form the protective layer 109 and the resist mask is removed, the upper layer of the oxide layer 103 is etched using the protective layer 109 as an etching mask (also referred to as a hard mask). Good.

続いて、酸化物層103の露出した領域に対して還元処理を施し、当該領域に酸素121を導入して不純物元素を酸素と置換することにより、酸化物層103の一部に半導体領域107を形成する(図4(C))。   Subsequently, the exposed region of the oxide layer 103 is subjected to reduction treatment, and oxygen 121 is introduced into the region to replace the impurity element with oxygen, whereby the semiconductor region 107 is formed in part of the oxide layer 103. It forms (FIG.4 (C)).

以降、上述の作製工程例に倣い、ゲート絶縁層111、ゲート電極層113、絶縁層117、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bを形成する(図4(D))。   After that, in accordance with the above manufacturing process example, the gate insulating layer 111, the gate electrode layer 113, the insulating layer 117, the source electrode layer 115a, and the drain electrode layer 115b are formed (FIG. 4D).

なお上記では、酸化物層103の半導体領域107となる領域を薄膜化させた後に、当該領域に対して還元処理を施す方法について説明したが、還元処理と酸化物層103の上層のエッチング処理を同時に行ってもよい。例えば、絶縁膜108をエッチングして保護層109を形成した後、酸化物層103の露出した領域に対する還元処理として、酸化物層103に酸素プラズマ処理等、酸化物層103の一部がエッチングされる処理を施すことにより、酸化物層103の半導体領域107となる領域に酸素121を導入しつつ、当該領域を薄膜化する。   Note that in the above description, the method for reducing the thickness of the region to be the semiconductor region 107 of the oxide layer 103 and then performing the reduction treatment on the region has been described. However, the reduction treatment and the etching process on the upper layer of the oxide layer 103 are performed. You may do it at the same time. For example, after the insulating film 108 is etched to form the protective layer 109, a part of the oxide layer 103 is etched on the oxide layer 103, such as an oxygen plasma treatment, as a reduction treatment for the exposed region of the oxide layer 103. By performing this process, oxygen 121 is introduced into a region to be the semiconductor region 107 of the oxide layer 103, and the region is thinned.

以上の工程により、トランジスタ110を作製することができる。   Through the above steps, the transistor 110 can be manufactured.

本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の他の例として、上記実施の形態とは異なる構成のトランジスタの構成例、及びその作製方法例について説明する。なお以下では、上記実施の形態と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, as another example of the semiconductor device of one embodiment of the present invention, a structure example of a transistor having a structure different from that in the above embodiment and an example of a manufacturing method thereof will be described. In addition, below, description is abbreviate | omitted about the part which overlaps with the said embodiment, and a different point is demonstrated in detail.

<構成例>
図5(A)は本実施の形態で例示するトランジスタ150の上面概略図であり、図5(B)は、図5(A)中の切断線C−Dで切断した断面概略図である。なお、明瞭化のため図5(A)には構成要素の一部(ゲート絶縁層111等)は明示していない。
<Configuration example>
5A is a schematic top view of the transistor 150 exemplified in this embodiment, and FIG. 5B is a schematic cross-sectional view taken along a cutting line CD in FIG. 5A. Note that some components (such as the gate insulating layer 111) are not illustrated in FIG. 5A for clarity.

トランジスタ150は実施の形態1で例示したトランジスタ110と比較して、保護層109を有していない点、またソース電極層115a又はドレイン電極層115bが酸化物層103の上面及び側面に接して設けられている点で相違している。   The transistor 150 is different from the transistor 110 described in Embodiment 1 in that the protective layer 109 is not provided, and the source electrode layer 115a or the drain electrode layer 115b is in contact with the top surface and the side surface of the oxide layer 103. Is different.

ソース電極層115a及びドレイン電極層115bは、それぞれ低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bを覆い、且つこれらの上面及び側面に接して設けられている。したがって、トランジスタ110と比較してソース電極層115a及びドレイン電極層115bの低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bとの接触面積を極めて大きくできるため、ソース電極層115aとドレイン電極層115bとの間の寄生抵抗を極めて小さいものとすることができる。   The source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b cover the low resistance region 105a or the low resistance region 105b, respectively, and are provided in contact with the upper surface and side surfaces thereof. Accordingly, the contact area of the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b with the low-resistance region 105a or the low-resistance region 105b can be significantly increased as compared with the transistor 110, so that the region between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b is The parasitic resistance can be made extremely small.

<作製工程例>
以下では、トランジスタ150の作製工程例について、図6を用いて説明する。図6は本実施の形態で例示するトランジスタの作製方法にかかる断面概略図である。
<Example of manufacturing process>
Hereinafter, an example of a manufacturing process of the transistor 150 will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view according to a method for manufacturing the transistor exemplified in this embodiment.

まず、実施の形態1で例示した方法により、基板101上に絶縁層119、酸化物層103を形成する。   First, the insulating layer 119 and the oxide layer 103 are formed over the substrate 101 by the method exemplified in Embodiment 1.

続いて、絶縁層119及び酸化物層103上に後のソース電極層115a及びドレイン電極層115bとなる導電膜114を成膜する(図6(A))。   Next, a conductive film 114 to be the later source electrode layer 115a and drain electrode layer 115b is formed over the insulating layer 119 and the oxide layer 103 (FIG. 6A).

続いて、導電膜114の一部をエッチングしてソース電極層115a及びドレイン電極層115bを形成する(図6(B))。   Next, part of the conductive film 114 is etched to form the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b (FIG. 6B).

このとき、図6(B)に示すように、酸化物層103の露出した領域の上層をエッチングし、後の半導体領域107となる領域を薄膜化させてもよい。酸化物層103の上層をエッチングする方法は、実施の形態1の変形例1を参酌すればよい。   At this time, as shown in FIG. 6B, an upper layer of the exposed region of the oxide layer 103 may be etched, and a region to be a semiconductor region 107 later may be thinned. For the method for etching the upper layer of the oxide layer 103, Modification 1 of Embodiment 1 may be referred to.

続いて、酸化物層103の露出した領域に対して還元処理を施し、当該領域に酸素121を導入して不純物元素を酸素と置換することにより、酸化物層103の一部に半導体領域107を形成する(図6(C))。   Subsequently, the exposed region of the oxide layer 103 is subjected to reduction treatment, and oxygen 121 is introduced into the region to replace the impurity element with oxygen, whereby the semiconductor region 107 is formed in part of the oxide layer 103. It is formed (FIG. 6C).

このとき、置換処理の方法によってはソース電極層115a及びドレイン電極層115bの上面の一部が酸化され、絶縁化する場合がある。したがって、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bを構成する導電膜114は、用いる置換処理の方法に応じて、あらかじめ厚く形成しておくことが好ましい。   At this time, depending on the replacement treatment method, part of the upper surfaces of the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b may be oxidized and insulated. Therefore, the conductive film 114 included in the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b is preferably formed thick beforehand in accordance with the replacement treatment method used.

また、置換処理によってソース電極層115a及びドレイン電極層115bの上面に酸化膜が形成されることにより、当該酸化膜をソース電極層115a及びドレイン電極層115bの腐食やマイグレーションを抑制するバリア膜として用いることができる。   In addition, an oxide film is formed on the top surfaces of the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b by the replacement treatment, so that the oxide film is used as a barrier film for suppressing corrosion and migration of the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b. be able to.

以降、実施の形態1に倣い、ゲート絶縁層111、ゲート電極層113、及び絶縁層117を形成する(図6(D))。   Thereafter, in accordance with Embodiment Mode 1, a gate insulating layer 111, a gate electrode layer 113, and an insulating layer 117 are formed (FIG. 6D).

以上の工程により、トランジスタ150を作製することができる。   Through the above process, the transistor 150 can be manufactured.

このような方法によれば、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bが実施の形態1における保護層109としての機能を兼ねるため、作製工程を簡略化でき、歩留まりよく作製することができる。   According to such a method, since the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b also function as the protective layer 109 in Embodiment 1, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing can be performed with high yield.

本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の他の例として、上記実施の形態とは異なる構成のトランジスタの構成例について説明する。なお以下では、上記実施の形態と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, as another example of the semiconductor device of one embodiment of the present invention, a structural example of a transistor having a structure different from that of the above embodiment will be described. In addition, below, description is abbreviate | omitted about the part which overlaps with the said embodiment, and a different point is demonstrated in detail.

<構成例1>
図7(A)は、本構成例で例示するトランジスタ170の上面概略図であり、図7(B)は図7(A)中の切断線E−Fで切断した断面概略図である。なお、明瞭化のため図7(A)には構成要素の一部(保護層109、ゲート絶縁層111等)は明示していない。
<Configuration example 1>
7A is a schematic top view of the transistor 170 exemplified in this structural example, and FIG. 7B is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line EF in FIG. 7A. Note that some components (such as the protective layer 109 and the gate insulating layer 111) are not illustrated in FIG. 7A for clarity.

トランジスタ170は、実施の形態1で例示したトランジスタ110と比較して、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bが酸化物層103よりも基板101側に配置されている点で相違している。   The transistor 170 is different from the transistor 110 illustrated in Embodiment 1 in that the source electrode layer 115 a and the drain electrode layer 115 b are arranged on the substrate 101 side with respect to the oxide layer 103.

ソース電極層115a及びドレイン電極層115bは、絶縁層119上に互いに離間して設けられ、ソース電極層115a及びドレイン電極層115b上に接して酸化物層103が設けられている。またソース電極層115a及びドレイン電極層115bのそれぞれは、低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bと電気的に接続している。また酸化物層103の半導体領域107は、ソース電極層115aとドレイン電極層115bの間の領域と重なるように設けられている。   The source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b are provided to be separated from each other over the insulating layer 119, and the oxide layer 103 is provided in contact with the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b. Each of the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b is electrically connected to the low resistance region 105a or the low resistance region 105b. The semiconductor region 107 of the oxide layer 103 is provided so as to overlap with a region between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b.

ここで、ソース電極層115a又はドレイン電極層115bは、ゲート電極層113と重ねて設けられていてもよい。本構成例では、ゲート電極層113とソース電極層115a又はドレイン電極層115bの間に保護層109が設けられているため、これらが重なって設けられたとしても電極間の寄生容量を十分に低減することができる。   Here, the source electrode layer 115 a or the drain electrode layer 115 b may be provided so as to overlap with the gate electrode layer 113. In this configuration example, since the protective layer 109 is provided between the gate electrode layer 113 and the source electrode layer 115a or the drain electrode layer 115b, the parasitic capacitance between the electrodes can be sufficiently reduced even if they are provided in an overlapping manner. can do.

また、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bの対向する端部は、半導体領域107と重なる領域にまで延在していてもよい。またこのとき、ソース電極層115a及びドレイン電極層115bの一部が半導体領域107の下面と接していてもよい。このようにソース電極層115a及びドレイン電極層115bを、低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bとの接触面積を大きくするように設けることにより、ソース電極層115aとドレイン電極層115bの間の寄生抵抗をより低減することができる。   Further, opposing end portions of the source electrode layer 115 a and the drain electrode layer 115 b may extend to a region overlapping with the semiconductor region 107. At this time, part of the source electrode layer 115 a and the drain electrode layer 115 b may be in contact with the lower surface of the semiconductor region 107. Thus, by providing the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b so as to increase the contact area with the low resistance region 105a or the low resistance region 105b, the parasitic resistance between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b. Can be further reduced.

また、上記トランジスタ110のような構成では、ソース電極層115a又はドレイン電極層115bとゲート電極層113とが接する恐れがあるため、ソース電極層115aとドレイン電極層115bとの間の距離を十分に小さくすることができないが、本構成例で例示したトランジスタ170ではこのような必要がないため、微細なトランジスタを実現できる。   In the structure of the transistor 110, the source electrode layer 115a or the drain electrode layer 115b and the gate electrode layer 113 may be in contact with each other, so that the distance between the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b is sufficiently large. Although it cannot be made small, the transistor 170 exemplified in this structural example does not have such a need, so that a fine transistor can be realized.

<構成例2>
図8(A)は本構成例で例示するトランジスタ180の上面概略図であり、図8(B)は図8(A)中の切断線G−Hで切断した断面概略図である。なお、明瞭化のため図8(A)には構成要素の一部(ゲート絶縁層111、絶縁層117等)は明示していない。
<Configuration example 2>
8A is a schematic top view of the transistor 180 exemplified in this structural example, and FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along a cutting line GH in FIG. 8A. Note that some components (such as the gate insulating layer 111 and the insulating layer 117) are not illustrated in FIG. 8A for clarity.

トランジスタ180は、実施の形態2で例示したトランジスタ150と比較して、ゲート電極層113及びゲート絶縁層111が酸化物層103よりも基板101側に設けられている点で相違している。   The transistor 180 is different from the transistor 150 illustrated in Embodiment 2 in that the gate electrode layer 113 and the gate insulating layer 111 are provided closer to the substrate 101 than the oxide layer 103.

具体的には、ゲート電極層113は絶縁層119上に設けられ、ゲート電極層113を覆ってゲート絶縁層111が設けられている。またゲート絶縁層111上に接して、ゲート電極層113と重なるように酸化物層103が設けられている。また酸化物層103の低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bのそれぞれの上面に接して、ソース電極層115a又はドレイン電極層115bが設けられている。また、酸化物層103のソース電極層115a及びドレイン電極層115bと重ならない領域に、半導体領域107が設けられている。   Specifically, the gate electrode layer 113 is provided over the insulating layer 119, and the gate insulating layer 111 is provided to cover the gate electrode layer 113. An oxide layer 103 is provided in contact with the gate insulating layer 111 so as to overlap with the gate electrode layer 113. Further, a source electrode layer 115a or a drain electrode layer 115b is provided in contact with the upper surfaces of the low resistance region 105a and the low resistance region 105b of the oxide layer 103, respectively. In addition, a semiconductor region 107 is provided in a region of the oxide layer 103 that does not overlap with the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b.

ここで、図8に示すように、ゲート電極層113がソース電極層115a及びドレイン電極層115bの一部と重なるように設けられていることにより、トランジスタ180をオン状態としたときに、半導体領域107の端部を含めた全域にチャネルが形成されるため、トランジスタ180のオン電流を増大させることができる。   Here, as illustrated in FIG. 8, the gate electrode layer 113 is provided so as to overlap with part of the source electrode layer 115a and the drain electrode layer 115b, so that the semiconductor region is turned on when the transistor 180 is turned on. Since a channel is formed in the entire region including the end portion 107, the on-state current of the transistor 180 can be increased.

また、図8(C)に示すように半導体領域107の上面に接する第2のゲート絶縁層181と、当該第2のゲート絶縁層181上に接し、半導体領域107と重なる第2のゲート電極層183を設ける構成としてもよい。一方のゲートに適切な電位を与えることにより、トランジスタのしきい値電圧を自由に設定することができる。また、図8(C)に示すように半導体領域107を2つのゲート絶縁層で挟持する構成とすることにより、半導体領域107への不純物の拡散が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。   8C, a second gate insulating layer 181 that is in contact with the upper surface of the semiconductor region 107 and a second gate electrode layer that is in contact with the second gate insulating layer 181 and overlaps with the semiconductor region 107 are formed. It is good also as a structure which provides 183. By applying an appropriate potential to one of the gates, the threshold voltage of the transistor can be freely set. 8C, the semiconductor region 107 is sandwiched between two gate insulating layers, so that diffusion of impurities into the semiconductor region 107 is suppressed and a highly reliable transistor can be realized.

本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述した半導体装置の作製方法により作製可能な抵抗素子の例について、図面を参照して説明する。なお以下では、上記実施の形態と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, examples of resistance elements that can be manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor device will be described with reference to drawings. In addition, below, description is abbreviate | omitted about the part which overlaps with the said embodiment, and a different point is demonstrated in detail.

また本実施の形態で例示する抵抗素子は、上記実施の形態で例示したトランジスタと同一の作製工程により作製できる。したがって工程を増やすことなくトランジスタと抵抗素子を同一基板上に作製することができる。また、本実施の形態で例示する抵抗素子を構成する層が、上記実施の形態で例示したトランジスタを構成するいずれかの層と共通する機能を有している場合には、名称や符号として共通のものを用いる場合がある。   In addition, the resistance element exemplified in this embodiment can be manufactured in the same manufacturing process as the transistor exemplified in the above embodiment. Therefore, the transistor and the resistor can be manufactured over the same substrate without increasing the number of steps. In addition, in the case where a layer included in the resistor element exemplified in this embodiment has a function common to any one of the layers included in the transistor described in the above embodiment, the name and the code are common. May be used.

<構成例1>
図9(A)は、本構成例で例示する抵抗素子200の上面概略図であり、図9(B)は図9(A)中の切断線I−Jで切断した断面概略図である。なお明瞭化のため、図9(A)には構成要素の一部(絶縁層117等)を明示していない。
<Configuration example 1>
9A is a schematic top view of the resistance element 200 exemplified in this configuration example, and FIG. 9B is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line IJ in FIG. 9A. Note that for clarity, some of the components (such as the insulating layer 117) are not explicitly illustrated in FIG.

抵抗素子200は、実施の形態1で例示したトランジスタ100と比較して、ゲート電極層113を有していない点で相違している。   The resistance element 200 is different from the transistor 100 illustrated in Embodiment 1 in that it does not include the gate electrode layer 113.

抵抗素子200は、低抵抗領域105aと低抵抗領域105bに挟持された半導体領域107を備える酸化物層103を有する。また低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bのそれぞれの上面に接して、保護層109が設けられている。また、絶縁層117、ゲート絶縁層111、及び保護層109に設けられた開口部を介して、絶縁層117上に設けられた第1の電極層125a及び第2の電極層125bが、低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bと電気的に接続されている。   The resistance element 200 includes an oxide layer 103 including a semiconductor region 107 sandwiched between a low resistance region 105a and a low resistance region 105b. A protective layer 109 is provided in contact with the upper surfaces of the low resistance region 105a and the low resistance region 105b. In addition, the first electrode layer 125a and the second electrode layer 125b provided over the insulating layer 117 have low resistance through openings provided in the insulating layer 117, the gate insulating layer 111, and the protective layer 109. The region 105a or the low resistance region 105b is electrically connected.

抵抗素子200は、半導体領域107の抵抗成分を利用した抵抗素子である。ここで低抵抗領域105a及び低抵抗領域105bは十分に低抵抗化され、且つ当該領域と第1の電極層215a又は第2の電極層215bとの接触抵抗も十分に低減されている。第1の電極層215a又は第2の電極層215bの間の寄生抵抗が極めて小さいため、実質的に抵抗素子200の抵抗値は、半導体領域107の抵抗成分で決定される。   The resistance element 200 is a resistance element using the resistance component of the semiconductor region 107. Here, the low resistance region 105a and the low resistance region 105b are sufficiently reduced in resistance, and the contact resistance between the region and the first electrode layer 215a or the second electrode layer 215b is also sufficiently reduced. Since the parasitic resistance between the first electrode layer 215 a or the second electrode layer 215 b is extremely small, the resistance value of the resistance element 200 is substantially determined by the resistance component of the semiconductor region 107.

ここで、半導体領域107を形成する際の置換処理の条件を変えることにより、半導体領域107の導電性を変化させることができる。したがって、同一の形状で抵抗素子200を形成したとしても、要求される抵抗値に応じて置換処理条件を変化させることで、様々な抵抗値の抵抗素子を作製することができる。   Here, the conductivity of the semiconductor region 107 can be changed by changing the conditions of the replacement process in forming the semiconductor region 107. Therefore, even if the resistance element 200 is formed in the same shape, resistance elements having various resistance values can be manufactured by changing the replacement process condition according to the required resistance value.

なお、ゲート絶縁層111及び絶縁層117を設けない構成としてもよい。またゲート絶縁層111又は絶縁層117のうち少なくとも一方を、半導体領域107の上面に接して設けると、半導体領域107への不純物の拡散が抑制されるため信頼性の高い抵抗素子200とすることができ好ましい。   Note that the gate insulating layer 111 and the insulating layer 117 may not be provided. Further, when at least one of the gate insulating layer 111 and the insulating layer 117 is provided in contact with the upper surface of the semiconductor region 107, diffusion of impurities into the semiconductor region 107 is suppressed, so that the resistance element 200 can have high reliability. This is preferable.

<構成例2>
図10(A)は、本構成例で例示する抵抗素子210の上面概略図であり、図10(B)は図10(A)中の切断線K−Lで切断した断面概略図である。なお明瞭化のため、図10(A)には構成要素の一部(絶縁層117等)を明示していない。
<Configuration example 2>
10A is a schematic top view of the resistance element 210 exemplified in this configuration example, and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line KL in FIG. 10A. Note that for clarity, some of the components (such as the insulating layer 117) are not explicitly illustrated in FIG.

抵抗素子210は、実施の形態2で例示したトランジスタ150と比較して、ゲート電極層113を有していない点で相違している。   The resistance element 210 is different from the transistor 150 illustrated in Embodiment 2 in that it does not include the gate electrode layer 113.

第1の電極層215a及び第2の電極層215bは、それぞれ低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bを覆い、且つこれらの上面及び側面に接して設けられている。したがって、抵抗素子200と比較して第1の電極層215a及び第2の電極層215bの低抵抗領域105a又は低抵抗領域105bとの接触面積を極めて大きくできるため、第1の電極層215aと第2の電極層215bの間の接触抵抗を極めて小さいものとすることができる。   The first electrode layer 215a and the second electrode layer 215b cover the low resistance region 105a or the low resistance region 105b, respectively, and are provided in contact with the upper surface and side surfaces thereof. Accordingly, since the contact area between the first electrode layer 215a and the second electrode layer 215b with the low resistance region 105a or the low resistance region 105b can be extremely large as compared with the resistance element 200, the first electrode layer 215a and the second electrode layer 215b The contact resistance between the two electrode layers 215b can be made extremely small.

また、上記構成例1と同様に、ゲート絶縁層111及び絶縁層117を設けない構成としてもよいが、これらの少なくとも一方を設けると信頼性の高い抵抗素子210とすることができるため好ましい。   Further, similarly to the above configuration example 1, the gate insulating layer 111 and the insulating layer 117 may be omitted. However, it is preferable to provide at least one of them because the resistance element 210 can be highly reliable.

本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態5)
上記実施の形態で例示した酸化物層103に適用可能な酸化物半導体として、結晶性を有する酸化物半導体膜を用いると、トランジスタの電気特性を向上できる。好ましくは、酸化物半導体膜としてCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜を用いることが好ましい。以下では、CAAC−OS膜が適用された半導体装置について説明する。
(Embodiment 5)
When an oxide semiconductor film having crystallinity is used as the oxide semiconductor that can be used for the oxide layer 103 described in the above embodiment, the electrical characteristics of the transistor can be improved. It is preferable that a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film be used as the oxide semiconductor film. A semiconductor device to which the CAAC-OS film is applied is described below.

CAAC−OS膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜は、非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。   The CAAC-OS film is not completely single crystal nor completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a crystal-amorphous mixed phase structure where crystal parts and amorphous parts are included in an amorphous phase. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. Further, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸及びb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。   The crystal part included in the CAAC-OS film is triangular when viewed from the direction perpendicular to the ab plane and the c-axis is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface. It has a shape or hexagonal atomic arrangement, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, a simple term “perpendicular” includes a range from 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range from −5 ° to 5 °.

なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。   Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the formation process of the CAAC-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film is higher in the vicinity of the surface. In addition, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状又は表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線方向又は表面の法線方向に平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、又は成膜後に熱処理等の結晶化処理を行うことにより形成される。   Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film (formation surface) Depending on the cross-sectional shape or the cross-sectional shape of the surface). Note that the c-axis direction of the crystal part is in a direction parallel to the normal direction of the formation surface or the normal direction of the surface when the CAAC-OS film is formed. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。   A transistor including a CAAC-OS film can reduce variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light. Therefore, the transistor has high reliability.

なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。   Note that part of oxygen included in the oxide semiconductor film may be replaced with nitrogen.

また、CAAC−OSのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.3nm以下、より好ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。   Further, in an oxide semiconductor having a crystal part such as a CAAC-OS, defects in a bulk can be further reduced, and mobility higher than that of an oxide semiconductor in an amorphous state can be obtained by increasing surface flatness. . In order to improve the flatness of the surface, it is preferable to form an oxide semiconductor on the flat surface. Specifically, the average surface roughness (Ra) is 1 nm or less, preferably 0.3 nm or less, more preferably Is preferably formed on a surface of 0.1 nm or less.

なお、Raは、JIS B 0601:2001(ISO4287:1997)で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式(1)にて定義される。   Note that Ra is an arithmetic mean roughness defined in JIS B 0601: 2001 (ISO4287: 1997) expanded to three dimensions so that it can be applied to a curved surface. Can be expressed as “average value of absolute values of” and defined by the following equation (1).

なお、上記において、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標((x,y,f(x,y))(x,y,f(x,y))(x,y,f(x,y))(x,y,f(x,y))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面に投影した長方形の面積をS0、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZとする。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて評価可能である。 In the above, the designated surface is a surface to be subjected to roughness measurement, and coordinates ((x 1 , y 1 , f (x 1 , y 1 )) (x 1 , y 2 , f (x 1) , Y 2 )) (x 2 , y 1 , f (x 2 , y 1 )) (x 2 , y 2 , f (x 2 , y 2 )) The area of the rectangle projected on the xy plane is S0, and the height of the reference surface (average height of the specified surface) is Z 0. Ra can be evaluated with an atomic force microscope (AFM). It is.

上記のようなCAAC−OS膜を得る方法としては、例えば、基板を加熱して(例えば、基板温度を170℃として)酸化物半導体膜の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法がある。   As a method for obtaining the CAAC-OS film as described above, for example, the oxide semiconductor film is formed by heating the substrate (for example, the substrate temperature is set to 170 ° C.), and the c-axis alignment is performed substantially perpendicular to the surface. There is a way.

なお、酸化物半導体膜は、複数の酸化物半導体膜が積層された構造でもよく、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に、CAAC−OSとは異なる結晶性の酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、CAAC−OSと、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、又は非晶質酸化物半導体を適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、積層された酸化物半導体膜の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。一方で、非晶質酸化物半導体は水素等のドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためn型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体膜は、CAAC−OS等の結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。   Note that the oxide semiconductor film may have a structure in which a plurality of oxide semiconductor films are stacked. A crystalline oxide that is different from a CAAC-OS is used for the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film. A semiconductor may be applied. In other words, the CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, or an amorphous oxide semiconductor may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor is applied to at least one of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film, internal stress and external stress of the stacked oxide semiconductor film are relieved. In addition, variations in transistor characteristics can be reduced, and the reliability of the transistor can be further improved. On the other hand, an amorphous oxide semiconductor easily absorbs an impurity serving as a donor, such as hydrogen, and easily generates oxygen vacancies, so that it is easily n-type. Therefore, it is preferable to use an oxide semiconductor having crystallinity such as CAAC-OS for the oxide semiconductor film on the channel side.

また、酸化物半導体膜を3層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体膜で非晶質酸化物半導体膜を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体膜と非晶質酸化物半導体膜を交互に積層する構造としてもよい。また、酸化物半導体膜を複数の膜の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。   Alternatively, the oxide semiconductor film may have a stacked structure of three or more layers and a structure in which an amorphous oxide semiconductor film is sandwiched between a plurality of crystalline oxide semiconductor films. Alternatively, a structure in which crystalline oxide semiconductor films and amorphous oxide semiconductor films are alternately stacked may be employed. The above structures in the case where the oxide semiconductor film has a stacked structure of a plurality of films can be combined as appropriate.

以上のように、酸化物半導体膜としてCAAC−OS膜を用いることにより、熱処理(脱水素化処理)において、CAAC−OS膜の上面から容易に水素を離脱させることができる。また、当該熱処理において、酸素の離脱を低減して選択的に水素を多く離脱させることができる。   As described above, with the use of the CAAC-OS film as the oxide semiconductor film, hydrogen can be easily released from the top surface of the CAAC-OS film in heat treatment (dehydrogenation treatment). Further, in the heat treatment, it is possible to selectively release a large amount of hydrogen by reducing the separation of oxygen.

本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態6)
本実施の形態では、半導体装置の一例として、上記実施の形態に開示した半導体装置を少なくとも一部に用いたCPU(Central Processing Unit)について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a CPU (Central Processing Unit) using at least part of the semiconductor device disclosed in the above embodiment will be described as an example of the semiconductor device.

図11(A)は、CPUの具体的な構成を示すブロック図である。図11(A)に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板等を用いる。ROM1199及びROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図11(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。   FIG. 11A is a block diagram illustrating a specific configuration of a CPU. The CPU shown in FIG. 11A has an ALU 1191 (ALU: arithmetic circuit unit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, an ALU 1191 (arithmetic logic unit). A bus interface 1198 (Bus I / F), a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189 (ROM I / F) are included. As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 11A is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application.

バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。   Instructions input to the CPU via the bus interface 1198 are input to the instruction decoder 1193, decoded, and then input to the ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195.

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。   The ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. The interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The register controller 1197 generates an address of the register 1196, and reads and writes the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、及びレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。   In addition, the timing controller 1195 generates a signal for controlling the operation timing of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the internal clock signal CLK2 to the various circuits.

図11(A)に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルには、論理を反転させる論理素子(以降、反転素子と呼ぶ。)と不揮発性記憶素子の両方を備える。   In the CPU illustrated in FIG. 11A, a memory cell is provided in the register 1196. The memory cell of the register 1196 includes both a logic element that inverts logic (hereinafter referred to as an inverting element) and a nonvolatile memory element.

図11(A)に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、反転素子によるデータの保持を行うか、不揮発性記憶素子によるデータの保持を行うかを、選択する。反転素子によるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。不揮発性記憶素子におけるデータの保持が選択されている場合、不揮発性記憶素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。   In the CPU illustrated in FIG. 11A, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, whether to hold data by an inverting element or to hold data by a nonvolatile memory element in a memory cell included in the register 1196 is selected. When the data retention by the inverting element is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When retention of data in the nonvolatile memory element is selected, data is rewritten to the nonvolatile memory element, and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.

電源停止に関しては、図11(B)又は図11(C)に示すように、メモリセル群と、電源電位VDD又は電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図11(B)及び図11(C)の回路の説明を行う。   The power supply is stopped by providing a switching element between the memory cell group and a node to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied, as shown in FIG. 11B or 11C. Can do. The circuits in FIGS. 11B and 11C will be described below.

図11(B)及び図11(C)では、レジスタ1196は、メモリセルへの電源電位の供給を制御するスイッチング素子を備える。   11B and 11C, the register 1196 includes a switching element that controls supply of a power supply potential to the memory cell.

図11(B)に示すレジスタ1196は、スイッチング素子1141と、メモリセル1142を複数有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には、反転素子と不揮発性記憶素子の両方を備えている。メモリセル群1143が有する各メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電源電位VDDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。   A register 1196 illustrated in FIG. 11B includes a switching element 1141 and a memory cell group 1143 including a plurality of memory cells 1142. Specifically, each memory cell 1142 includes both an inverting element and a nonvolatile memory element. A high-level power supply potential VDD is supplied to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143 through the switching element 1141. Further, each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143 is supplied with the potential of the signal IN and the low-level power supply potential VSS.

図11(B)では、スイッチング素子1141として、トランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極に与えられる信号SigAによりスイッチングが制御される。   In FIG. 11B, a transistor is used as the switching element 1141, and switching of the transistor is controlled by a signal SigA applied to the gate electrode thereof.

なお、図11(B)では、スイッチング素子1141がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。   Note that FIG. 11B illustrates a structure in which the switching element 1141 includes only one transistor; however, there is no particular limitation, and a plurality of transistors may be included. In the case where the switching element 1141 includes a plurality of transistors functioning as switching elements, the plurality of transistors may be connected in parallel, may be connected in series, or may be combined in series and parallel. May be connected.

また、図11(C)には、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142に、スイッチング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、レジスタ1196の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。   FIG. 11C illustrates an example of a register 1196 in which a low-level power supply potential VSS is supplied to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143 through the switching element 1141. The switching element 1141 can control supply of the low-level power supply potential VSS to each memory cell 1142 included in the memory cell group 1143.

メモリセル群と、電源電位VDD又は電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボード等の入力装置への情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。   A switching element is provided between the memory cell group and a node to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied to temporarily stop the operation of the CPU and retain data even when the supply of the power supply voltage is stopped. It is possible to reduce power consumption. Specifically, for example, even when a personal computer user stops inputting information to an input device such as a keyboard, the operation of the CPU can be stopped, thereby reducing power consumption. it can.

また、このようなCPUが適用された電子機器は、消費電力が低減されているため、例えば太陽電池や非接触給電(ワイヤレス給電ともいう)によって得られる比較的小さな電力でも十分に動作させることができる。例えば、電子機器に太陽電池モジュール又は非接触給電モジュールと、このようなモジュールによって得られた電力を蓄電する2次電池(リチウムイオン電池等)を備える構成とする。   In addition, since electronic devices to which such a CPU is applied have reduced power consumption, they can operate sufficiently even with relatively small power obtained by, for example, solar cells or non-contact power feeding (also referred to as wireless power feeding). it can. For example, the electronic device includes a solar battery module or a non-contact power supply module and a secondary battery (such as a lithium ion battery) that stores electric power obtained by such a module.

このようなCPUを構成するスイッチング素子や抵抗素子に、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することにより、高いオン特性により高速動作が実現されたCPUとすることができる。   By applying the semiconductor device illustrated in the above embodiment to a switching element or a resistance element that constitutes such a CPU, a CPU in which high-speed operation is realized with high on-state characteristics can be obtained.

ここでは、CPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のLSIにも応用可能である。   Here, the CPU has been described as an example, but the present invention can also be applied to LSIs such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, and an FPGA (Field Programmable Gate Array).

(実施の形態7)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナー等の空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、等が挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体等も、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図12及び図13に示す。
(Embodiment 7)
The semiconductor device disclosed in this specification can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). As electronic equipment, display devices such as televisions, monitors, lighting devices, desktop or notebook personal computers, word processors, image reproduction for reproducing still images or moving images stored in recording media such as a DVD (Digital Versatile Disc) Device, Portable CD player, Radio, Tape recorder, Headphone stereo, Stereo, Cordless phone cordless handset, Transceiver, Portable radio, Mobile phone, Car phone, Portable game machine, Calculator, Personal digital assistant, Electronic notebook, Electronic book, Electronic translators, audio input devices, video cameras, digital still cameras, electric shavers, microwave ovens and other high-frequency heating devices, electric rice cookers, electric washing machines, vacuum cleaners, air conditioners, etc., dishwashers, dish drying , Clothes dryer, futon dryer Electric refrigerators, electric freezers, electric refrigerator, DNA storage freezers, smoke detectors, radiation counters, medical devices such as dialyzers and the like. Further examples include industrial equipment such as guide lights, traffic lights, belt conveyors, elevators, escalators, industrial robots, and power storage systems. In addition, an engine using petroleum, a moving body driven by an electric motor using electric power from a non-aqueous secondary battery, and the like are also included in the category of electronic devices. Examples of the moving body include an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV) having both an internal combustion engine and an electric motor, a plug-in hybrid vehicle (PHEV), a tracked vehicle in which these tire wheels are changed to an endless track, and electric assist. Examples include motorbikes including bicycles, motorcycles, electric wheelchairs, golf carts, small or large ships, submarines, helicopters, aircraft, rockets, satellites, space probes, planetary probes, and space ships. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図12(A)は、携帯音楽プレーヤであり、本体3021には表示部3023と、耳に装着するための固定部3022と、スピーカ、操作ボタン3024、外部メモリスロット3025等が設けられている。上記実施の形態で例示した半導体装置を、本体3021に内蔵されているCPU等に適用することにより、より省電力化された携帯音楽プレイヤー(PDA)とすることができる。   FIG. 12A shows a portable music player. A main body 3021 is provided with a display portion 3023, a fixing portion 3022 to be attached to the ear, a speaker, operation buttons 3024, an external memory slot 3025, and the like. By applying the semiconductor device illustrated in the above embodiment to a CPU or the like incorporated in the main body 3021, a portable music player (PDA) with further reduced power consumption can be obtained.

さらに、図12(A)に示す携帯音楽プレーヤにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車等を運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。   Furthermore, if the portable music player shown in FIG. 12A is provided with an antenna, a microphone function, and a wireless function and is linked to a mobile phone, a wireless hands-free conversation is possible while driving a passenger car or the like.

図12(B)はコンピュータであり、CPUを含む本体9201、筐体9202、表示部9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス9206等を含む。上記実施の形態に示したCPU等の半導体装置を利用すれば、省電力化されたコンピュータとすることが可能となる。   FIG. 12B illustrates a computer, which includes a main body 9201 including a CPU, a housing 9202, a display portion 9203, a keyboard 9204, an external connection port 9205, a pointing device 9206, and the like. If a semiconductor device such as a CPU described in the above embodiment is used, a power-saving computer can be obtained.

図13(A)において、テレビジョン装置8000は、筐体8001に表示部8002が組み込まれており、表示部8002により映像を表示し、スピーカ部8003から音声を出力することが可能である。上記実施の形態で例示した半導体装置を筐体8001に組み込まれた表示部8002を動作するための駆動回路に用いることが可能である。   In FIG. 13A, a television set 8000 includes a display portion 8002 incorporated in a housing 8001 and can display an image on the display portion 8002 and output sound from a speaker portion 8003. The semiconductor device described in the above embodiment can be used for a driver circuit for operating the display portion 8002 incorporated in the housing 8001.

表示部8002は、液晶表示装置、有機EL素子等の発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)等の、半導体表示装置を用いることができる。   A display portion 8002 includes a semiconductor display device such as a liquid crystal display device, a light emitting device including a light emitting element such as an organic EL element, an electrophoretic display device, a DMD (Digital Micromirror Device), and a PDP (Plasma Display Panel). Can be used.

テレビジョン装置8000は、受信機やモデム等を備えていてもよい。テレビジョン装置8000は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士等)の情報通信を行うことも可能である。   The television device 8000 may include a receiver, a modem, and the like. The television device 8000 can receive a general television broadcast by a receiver, and is connected to a wired or wireless communication network via a modem, so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional. It is also possible to perform information communication (between the sender and the receiver or between the receivers).

また、テレビジョン装置8000は、情報通信を行うためのCPUや、メモリを備えていてもよい。テレビジョン装置8000は、上記実施の形態で例示したCPU等の半導体装置を用いることが可能である。   In addition, the television device 8000 may include a CPU for performing information communication and a memory. As the television device 8000, a semiconductor device such as a CPU exemplified in the above embodiment can be used.

図13(A)において、室内機8200及び室外機8204を有するエアコンディショナーは、上記実施の形態で例示したCPU等の半導体装置を用いた電子機器の一例である。具体的に、室内機8200は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図13(A)において、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、CPU8203は室外機8204に設けられていてもよい。或いは、室内機8200と室外機8204の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。上記実施の形態で例示したCPUを用いることにより、省電力に優れたエアコンディショナーを実現できる。   In FIG. 13A, an air conditioner including an indoor unit 8200 and an outdoor unit 8204 is an example of an electronic device using a semiconductor device such as a CPU exemplified in the above embodiment. Specifically, the indoor unit 8200 includes a housing 8201, an air outlet 8202, a CPU 8203, and the like. Although FIG. 13A illustrates the case where the CPU 8203 is provided in the indoor unit 8200, the CPU 8203 may be provided in the outdoor unit 8204. Alternatively, the CPU 8203 may be provided in both the indoor unit 8200 and the outdoor unit 8204. By using the CPU exemplified in the above embodiment, an air conditioner excellent in power saving can be realized.

図13(A)において、電気冷凍冷蔵庫8300は、上記実施の形態で例示したCPU等の半導体装置を備える電子機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図13(A)では、CPU8304が、筐体8301の内部に設けられている。上記実施の形態で例示したCPU等の半導体装置を電気冷凍冷蔵庫8300のCPU8304に用いることによって省電力化が図れる。   In FIG. 13A, an electric refrigerator-freezer 8300 is an example of an electronic device including a semiconductor device such as a CPU exemplified in the above embodiment. Specifically, the electric refrigerator-freezer 8300 includes a housing 8301, a refrigerator door 8302, a freezer door 8303, a CPU 8304, and the like. In FIG. 13A, the CPU 8304 is provided inside the housing 8301. By using the semiconductor device such as the CPU exemplified in the above embodiment for the CPU 8304 of the electric refrigerator-freezer 8300, power saving can be achieved.

図13(B)、及び図13(C)において、電子機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車9700には、二次電池9701が搭載されている。二次電池9701の電力は、制御回路9702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回路9702は、図示しないROM、RAM、CPU等を有する処理装置9704によって制御される。上記実施の形態で例示したCPU等の半導体装置を電気自動車9700の処理装置9704に用いることによって省電力化が図れる。   FIG. 13B and FIG. 13C illustrate an example of an electric vehicle which is an example of an electronic device. An electric vehicle 9700 is equipped with a secondary battery 9701. The output of the power of the secondary battery 9701 is adjusted by the control circuit 9702 and supplied to the driving device 9703. The control circuit 9702 is controlled by a processing device 9704 having a ROM, a RAM, a CPU, etc. (not shown). By using a semiconductor device such as a CPU exemplified in the above embodiment for the processing device 9704 of the electric vehicle 9700, power saving can be achieved.

駆動装置9703は、直流電動機若しくは交流電動機単体、又は電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報(加速、減速、停止等)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報等)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路9702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。   The drive device 9703 is configured by a DC motor or an AC motor alone, or a combination of an electric motor and an internal combustion engine. The processing device 9704 is based on input information such as operation information (acceleration, deceleration, stop, etc.) of the driver of the electric vehicle 9700 and information at the time of traveling (information such as uphill and downhill, load information on the drive wheels) The control signal is output to the control circuit 9702. The control circuit 9702 controls the output of the driving device 9703 by adjusting the electric energy supplied from the secondary battery 9701 according to the control signal of the processing device 9704. When an AC motor is mounted, an inverter that converts direct current to alternating current is also built in, although not shown.

本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

本実施例では、不純物元素が添加された酸化物半導体を含む酸化物膜に対して置換処理を行い、置換処理前後でシート抵抗の測定を行った結果と、置換処理後に断面観察を行った結果について示す。   In this example, a substitution treatment was performed on an oxide film including an oxide semiconductor to which an impurity element was added, and the sheet resistance was measured before and after the substitution treatment, and the cross-sectional observation was performed after the substitution treatment. Show about.

<試料の作製>
まず、126mm×126mmのガラス基板上に厚さが100nmとなるように、酸化シリコン膜をスパッタリング法により成膜した。
<Preparation of sample>
First, a silicon oxide film was formed on a 126 mm × 126 mm glass substrate by a sputtering method so as to have a thickness of 100 nm.

続いて、酸化シリコン膜上に厚さが30nmとなるように、窒素が添加されたIn−Ga−Zn−O膜(以降IGZO−N膜ともいう)をスパッタリング法により成膜した。   Subsequently, an In—Ga—Zn—O film (hereinafter also referred to as an IGZO—N film) to which nitrogen was added was formed over the silicon oxide film by a sputtering method so as to have a thickness of 30 nm.

IGZO−N膜の成膜条件は、組成比としてIn:Ga:ZnO=1:1:2[mol比]の酸化物ターゲットを用い、基板とターゲットとの間の距離を60mm、圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、窒素(N流量40sccm)雰囲気下、基板温度200℃とした。 The film formation condition of the IGZO-N film is an oxide target having a composition ratio of In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [mol ratio], and the distance between the substrate and the target is set as follows. The substrate temperature was 200 ° C. in an atmosphere of 60 mm, pressure 0.4 Pa, direct current (DC) power supply 0.5 kW, and nitrogen (N 2 flow rate 40 sccm).

IGZO−N膜に対し、置換処理として酸素ラジカル処理を行った試料(試料1)と、酸素イオン注入処理を行った試料(試料2)を作製した。   For the IGZO-N film, a sample (sample 1) subjected to oxygen radical treatment as a replacement treatment and a sample (sample 2) subjected to oxygen ion implantation treatment were manufactured.

酸素ラジカル処理の条件は、アルゴンと酸素(Ar流量900sccm、O2流量5sccm)雰囲気下、電力3.8kW(周波数2.45GHz)、基板温度200℃、処理室内圧力10Pa、電極間隔60mmとし、10分間処理を行った。 The conditions for the oxygen radical treatment were argon and oxygen (Ar flow rate 900 sccm, O2 flow rate 5 sccm) atmosphere, power 3.8 kW (frequency 2.45 GHz), substrate temperature 200 ° C., processing chamber pressure 10 6 Pa, electrode spacing 60 mm, The treatment was performed for 10 minutes.

酸素イオン注入処理としては、イオンインプランテーション法を用いた。酸素イオン注入処理の条件は、酸素イオンのドーズ量5.0×1015cm−2、加速電圧5kVとした。 An ion implantation method was used as the oxygen ion implantation process. The oxygen ion implantation conditions were an oxygen ion dose of 5.0 × 10 15 cm −2 and an acceleration voltage of 5 kV.

以上の工程により、IGZO−N膜に対して置換処理として酸素ラジカル処理を行った試料1、置換処理として酸素イオン注入処理を行った試料2を、それぞれ作製した。また置換処理を施していないものを比較例として用いた。   Through the above steps, Sample 1 in which oxygen radical treatment was performed as a substitution treatment on the IGZO-N film and Sample 2 in which oxygen ion implantation treatment was conducted as a substitution treatment were produced. Moreover, the thing which has not performed the substitution process was used as a comparative example.

ここで、試料1、試料2について、置換処理の工程の前後において、シート抵抗測定を行った。測定は、100mm×100mmの領域内の25点について行った。   Here, with respect to Sample 1 and Sample 2, sheet resistance measurement was performed before and after the substitution process. The measurement was performed on 25 points in a 100 mm × 100 mm region.

<シート抵抗測定>
続いて、試料1及び試料2における、置換処理の前後で測定したシート抵抗測定の結果を示す。
<Sheet resistance measurement>
Then, the result of the sheet resistance measurement measured before and after the substitution process in Sample 1 and Sample 2 is shown.

[試料1]
試料1のシート抵抗の測定結果を図14(A)に示す。置換処理を施す前の段階ではシート抵抗値が0.43MΩ/□〜1.63MΩ/□の範囲であったのに対し、置換処理を施した後では、シート抵抗値は装置の検出上限以上(1GΩ/□以上)であった。
[Sample 1]
The measurement result of the sheet resistance of Sample 1 is shown in FIG. While the sheet resistance value was in the range of 0.43 MΩ / □ to 1.63 MΩ / □ before the replacement process, the sheet resistance value was higher than the detection upper limit of the apparatus after the replacement process ( 1 GΩ / □ or more).

[試料2]
試料2のシート抵抗の測定結果を図14(B)に示す。置換処理を施す前の段階ではシート抵抗値が0.40MΩ/□〜1.39MΩ/□の範囲であったのに対し、置換処理を施した後では、異常値を除くと装置の検出上限以上(1GΩ/□以上)であった。ここで、置換処理を施した後において、極端にシート抵抗値が低く見積もられた点は基板の端部に偏って分布していたため、ここでは異常値として対象から除外した。
[Sample 2]
The measurement result of the sheet resistance of Sample 2 is shown in FIG. The sheet resistance value was in the range of 0.40 MΩ / □ to 1.39 MΩ / □ before the replacement process, but after the replacement process, it exceeded the upper detection limit of the device except for abnormal values. (1 GΩ / □ or more). Here, after the replacement process was performed, the points where the sheet resistance value was extremely low were distributed unevenly toward the edge of the substrate, and thus were excluded from the target as abnormal values.

<断面像の観察結果>
続いて、作製した3つの試料について、走査型透過電子顕微鏡(STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy))により断面観察を行った。なお、観察の前処理として各試料に対してカーボンとPtをコーティングした。
<Observation result of cross-sectional image>
Subsequently, cross sections of the three prepared samples were observed with a scanning transmission electron microscope (STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy)). As a pretreatment for observation, carbon and Pt were coated on each sample.

[比較例]
比較例の断面観察像を図15に示す。酸化シリコン膜上にIGZO−N膜が、約32.6nmの厚さで成膜されていることが確認できた。
[Comparative example]
A cross-sectional observation image of the comparative example is shown in FIG. It was confirmed that the IGZO-N film was formed with a thickness of about 32.6 nm on the silicon oxide film.

[試料1]
試料1の断面観察像を図16(A)に示す。酸化シリコン膜上にIGZO−N膜が約35.3nmの厚さで成膜されていることが確認できた。また、IGZO−N膜の上層約12.1nmの領域(図中の矢印で示す領域)に、異層が形成されていることが確認できた。
[Sample 1]
A cross-sectional observation image of Sample 1 is shown in FIG. It was confirmed that the IGZO-N film was formed with a thickness of about 35.3 nm on the silicon oxide film. In addition, it was confirmed that a different layer was formed in a region of about 12.1 nm of the upper layer of the IGZO-N film (a region indicated by an arrow in the drawing).

[試料2]
試料2の断面観察像を図16(B)に示す。酸化シリコン膜上にIGZO−N膜が約33.7nmの厚さで成膜されていることが確認できた。また、IGZO−N膜の上層約6.2nmの領域(図中の矢印で示す領域)に、異層が形成されていることが確認できた。
[Sample 2]
A cross-sectional observation image of Sample 2 is shown in FIG. It was confirmed that the IGZO-N film was formed with a thickness of about 33.7 nm on the silicon oxide film. In addition, it was confirmed that a different layer was formed in a region of approximately 6.2 nm (region indicated by an arrow in the drawing) of the upper layer of the IGZO-N film.

<EDX分析>
続いて、試料1及び試料2で見られたIGZO−N膜中の異層について、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)による分析を行った結果を示す。なお、比較例についても同様の分析を行った。
<EDX analysis>
Subsequently, the results of analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) of the different layers in the IGZO-N films observed in Sample 1 and Sample 2 are shown. The same analysis was performed for the comparative example.

比較例のIGZO−N膜と、試料1及び試料2のIGZO−N膜中の異層における、EDX分析結果を図17に示す。図17には、Inに対するGa、Zn、N、Oの相対濃度を示している。   FIG. 17 shows the EDX analysis results in the IGZO-N film of the comparative example and the different layers in the IGZO-N films of Sample 1 and Sample 2. FIG. 17 shows the relative concentrations of Ga, Zn, N, and O with respect to In.

試料1、試料2共に、窒素濃度が低減し、酸素濃度が上昇していることが確認できた。   In both Sample 1 and Sample 2, it was confirmed that the nitrogen concentration decreased and the oxygen concentration increased.

以上の一連の結果から、置換処理によってIGZO−N膜中の不純物元素である窒素が酸素に置換されたことが確認できた。さらに、置換処理によってIGZO−N膜の上層の一部を酸素に置換することにより抵抗率が大幅に上昇することが確認できた。   From the above series of results, it was confirmed that nitrogen, which is an impurity element in the IGZO-N film, was replaced with oxygen by the replacement treatment. Furthermore, it was confirmed that the resistivity was significantly increased by substituting a part of the upper layer of the IGZO-N film with oxygen by the substitution treatment.

ここで、本実施例ではIGZO−N膜の上層の一部のみで置換処理の効果が見られたが、本実施例の結果から、IGZO−N膜の薄膜化、または置換処理の条件のさらなる最適化により、IGZO−N膜の全層に渡って置換処理が可能なことが示唆された。   Here, in this example, the effect of the replacement treatment was observed only in a part of the upper layer of the IGZO-N film. However, from the result of this example, the IGZO-N film was made thinner or the conditions for the replacement treatment were further increased. It was suggested that the replacement process could be performed over the entire layer of the IGZO-N film by optimization.

<XPS分析による組成分析結果>
本実施例では、実施例1で作製した3つの試料について、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて、さらに詳細に組成分析を行った結果を示す。
<Composition analysis result by XPS analysis>
In this example, the results of a more detailed composition analysis using the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for the three samples prepared in Example 1 are shown.

比較例、試料1、及び試料2について、IGZO−N膜の最表面におけるXPS分析による組成分析結果を図18に示す。図18には、In、Ga、Zn、N、Oの濃度を示している。   FIG. 18 shows the composition analysis results by XPS analysis on the outermost surface of the IGZO-N film for the comparative example, sample 1 and sample 2. FIG. 18 shows the concentrations of In, Ga, Zn, N, and O.

窒素濃度について、置換処理を施していない比較例では約10.5atom%であるのに対し、試料1では約1.4atom%、試料2では約5.1atom%であった。   The nitrogen concentration was about 10.5 atom% in the comparative example where no substitution treatment was performed, whereas it was about 1.4 atom% in the sample 1 and about 5.1 atom% in the sample 2.

一方、酸素濃度については、比較例では約47.8atom%であるのに対し、試料1では59.5atom%、試料2では約55.5atom%であった。   On the other hand, the oxygen concentration was about 47.8 atom% in the comparative example, whereas it was 59.5 atom% for sample 1 and about 55.5 atom% for sample 2.

以上のように、置換処理を施すことで窒素の大幅な濃度の低下と、酸素の大幅な濃度の上昇がみられたことから、膜中の窒素が酸素に置換されたことが確認できた。   As described above, it was confirmed that the nitrogen in the film was replaced with oxygen because a substantial decrease in the concentration of nitrogen and a significant increase in the concentration of oxygen were observed after the substitution treatment.

100 トランジスタ
101 基板
103 酸化物層
105a 低抵抗領域
105b 低抵抗領域
107 半導体領域
108 絶縁膜
109 保護層
110 トランジスタ
111 ゲート絶縁層
113 ゲート電極層
114 導電膜
115a ソース電極層
115b ドレイン電極層
116 ゲート電極層
117 絶縁層
118 絶縁層
119 絶縁層
121 酸素
123 キャリア
125a 電極層
125b 電極層
150 トランジスタ
170 トランジスタ
180 トランジスタ
181 ゲート絶縁層
183 ゲート電極層
200 抵抗素子
210 抵抗素子
215a 電極層
215b 電極層
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
3021 本体
3022 固定部
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部メモリスロット
8000 テレビジョン装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9201 本体
9202 筐体
9203 表示部
9204 キーボード
9205 外部接続ポート
9206 ポインティングデバイス
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
100 transistor 101 substrate 103 oxide layer 105a low resistance region 105b low resistance region 107 semiconductor region 108 insulating film 109 protective layer 110 transistor 111 gate insulating layer 113 gate electrode layer 114 conductive film 115a source electrode layer 115b drain electrode layer 116 gate electrode layer 117 Insulating layer 118 Insulating layer 119 Insulating layer 121 Oxygen 123 Carrier 125a Electrode layer 125b Electrode layer 150 Transistor 170 Transistor 180 Transistor 181 Gate insulating layer 183 Gate electrode layer 200 Resistance element 210 Resistance element 215a Electrode layer 215b Electrode layer 1141 Switching element 1142 Memory Cell 1143 Memory cell group 1189 ROM interface 1190 Substrate 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
3021 Main body 3022 Fixed portion 3023 Display portion 3024 Operation button 3025 External memory slot 8000 Television apparatus 8001 Case 8002 Display portion 8003 Speaker portion 8200 Indoor unit 8201 Case 8202 Air outlet 8203 CPU
8204 Outdoor unit 8300 Electric refrigerator-freezer 8301 Housing 8302 Refrigeration room door 8303 Freezing room door 8304 CPU
9201 Main body 9202 Case 9203 Display unit 9204 Keyboard 9205 External connection port 9206 Pointing device 9700 Electric vehicle 9701 Secondary battery 9702 Control circuit 9703 Driving device 9704 Processing device

Claims (2)

酸化物層と、
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記酸化物層と重なるゲート電極と、
前記酸化物層と電気的に接続された、ソース電極と、
前記酸化物層と電気的に接続された、ドレイン電極と、を有し、
前記酸化物層は、第1の層と、第2の層とを有し、
前記第1の層及び前記第2の層は、それぞれ、Inと、Gaと、Znとを有し、
前記ゲート電極と遠い側に配置された、前記第1の層は、InとGaの含有率をIn≦Gaとし、
前記ゲート電極と近い側に配置された、前記第2の層は、InとGaの含有率をIn>Gaとし、
前記酸化物層は、第1の領域と、第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間にあるチャネル形成領域と、を有し、
前記チャネル形成領域は、前記ゲート電極と重なり、
前記第1の領域及び前記第2の領域は、それぞれ、絶縁膜が接し、
前記絶縁膜は、端部に第1のテーパを有し、
前記酸化物層は、前記第1のテーパと連続した領域に、第2のテーパを有することを特徴とする半導体装置。
An oxide layer;
A gate insulating film;
A gate electrode overlapping the oxide layer through the gate insulating film;
A source electrode electrically connected to the oxide layer;
A drain electrode electrically connected to the oxide layer ,
The oxide layer has a first layer and a second layer,
The first layer and the second layer have In, Ga, and Zn, respectively.
The first layer disposed on the side far from the gate electrode has an In and Ga content ratio of In ≦ Ga,
The second layer disposed on the side close to the gate electrode has a content ratio of In and Ga of In> Ga ,
The oxide layer includes a first region, a second region, and a channel formation region between the first region and the second region,
The channel formation region overlaps the gate electrode;
Each of the first region and the second region is in contact with an insulating film,
The insulating film has a first taper at an end,
The semiconductor device , wherein the oxide layer has a second taper in a region continuous with the first taper .
酸化物層と、An oxide layer;
ゲート絶縁膜と、A gate insulating film;
前記ゲート絶縁膜を介して、前記酸化物層と重なるゲート電極と、A gate electrode overlapping the oxide layer through the gate insulating film;
前記酸化物層と電気的に接続された、ソース電極と、A source electrode electrically connected to the oxide layer;
前記酸化物層と電気的に接続された、ドレイン電極と、を有し、A drain electrode electrically connected to the oxide layer,
前記酸化物層は、第1の領域と、第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間にあるチャネル形成領域と、を有し、The oxide layer includes a first region, a second region, and a channel formation region between the first region and the second region,
前記チャネル形成領域は、前記ゲート電極と重なり、The channel formation region overlaps the gate electrode;
前記第1の領域及び前記第2の領域は、それぞれ、絶縁膜が接し、Each of the first region and the second region is in contact with an insulating film,
前記絶縁膜は、端部に第1のテーパを有し、The insulating film has a first taper at an end,
前記酸化物層は、前記第1のテーパと連続した領域に、第2のテーパを有することを特徴とする半導体装置。The semiconductor device, wherein the oxide layer has a second taper in a region continuous with the first taper.
JP2012117666A 2012-05-23 2012-05-23 Semiconductor device Active JP6016455B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012117666A JP6016455B2 (en) 2012-05-23 2012-05-23 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012117666A JP6016455B2 (en) 2012-05-23 2012-05-23 Semiconductor device

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016187951A Division JP6188900B2 (en) 2016-09-27 2016-09-27 Method for manufacturing semiconductor device

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2013247142A JP2013247142A (en) 2013-12-09
JP2013247142A5 JP2013247142A5 (en) 2015-04-16
JP6016455B2 true JP6016455B2 (en) 2016-10-26

Family

ID=49846721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012117666A Active JP6016455B2 (en) 2012-05-23 2012-05-23 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6016455B2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6506545B2 (en) 2013-12-27 2019-04-24 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
US9653487B2 (en) 2014-02-05 2017-05-16 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device, manufacturing method thereof, module, and electronic device
KR102400212B1 (en) 2014-03-28 2022-05-23 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Transistor and semiconductor device
KR102333604B1 (en) 2014-05-15 2021-11-30 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Semiconductor device and display device including the same
JPWO2016067161A1 (en) * 2014-10-28 2017-08-31 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device and manufacturing method thereof
US10019025B2 (en) * 2015-07-30 2018-07-10 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and electronic device
KR102482856B1 (en) * 2017-12-15 2022-12-28 엘지디스플레이 주식회사 Thin film trnasistor, method for manufacturing the same and display device comprising the same
JP7209692B2 (en) * 2018-03-06 2023-01-20 株式会社半導体エネルギー研究所 semiconductor equipment
JP2019220530A (en) * 2018-06-18 2019-12-26 株式会社ジャパンディスプレイ Semiconductor device

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5345359B2 (en) * 2008-09-18 2013-11-20 富士フイルム株式会社 Thin film field effect transistor and display device using the same
US9312156B2 (en) * 2009-03-27 2016-04-12 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Thin film transistor
WO2011048923A1 (en) * 2009-10-21 2011-04-28 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. E-book reader
KR102393447B1 (en) * 2009-11-13 2022-05-03 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Semiconductor device and manufacturing method thereof
KR20220107336A (en) * 2009-11-28 2022-08-02 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Semiconductor device and manufacturing method thereof
CN102640272B (en) * 2009-12-04 2015-05-20 株式会社半导体能源研究所 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5740169B2 (en) * 2010-02-19 2015-06-24 株式会社半導体エネルギー研究所 Method for manufacturing transistor
US8912537B2 (en) * 2010-04-23 2014-12-16 Hitachi, Ltd. Semiconductor device, RFID tag using the same and display device
US9209314B2 (en) * 2010-06-16 2015-12-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Field effect transistor
JP5626978B2 (en) * 2010-09-08 2014-11-19 富士フイルム株式会社 THIN FILM TRANSISTOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND APPARATUS HAVING THE THIN FILM TRANSISTOR

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013247142A (en) 2013-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7157851B2 (en) semiconductor equipment
JP6016455B2 (en) Semiconductor device
JP6612944B2 (en) Semiconductor device
JP6947787B2 (en) Semiconductor device
JP6637560B2 (en) Semiconductor device
JP6620200B2 (en) Semiconductor device
JP6603373B2 (en) Semiconductor device
US9905695B2 (en) Multi-layered oxide semiconductor transistor
JP6419911B2 (en) Semiconductor device
JP6314034B2 (en) Semiconductor device
JP2022164769A (en) Semiconductor device
JP6309818B2 (en) Semiconductor device
JP2023022167A (en) transistor
US9419145B2 (en) Semiconductor device
JP2018186294A (en) Semiconductor device
JP2014042013A (en) Semiconductor device
US20140361291A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6188900B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150225

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150225

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160324

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160405

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160506

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: 20160913

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160927

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6016455

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