JP6049479B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

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 semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

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

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

例えば、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含むアモルファス酸化物(In−Ga−Zn−O系アモルファス酸化物)からなる半導体層を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照)。 For example, a transistor using a semiconductor layer made of an amorphous oxide (In—Ga—Zn—O-based amorphous oxide) containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) is disclosed (patent) Reference 1).

特開2011−181801号公報JP 2011-181801 A

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。トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因となる。 In the oxide semiconductor, oxygen vacancies serve as donors and generate electrons which are carriers in the oxide semiconductor. If there are many oxygen vacancies in the oxide semiconductor including the channel formation region of the transistor, electrons are generated in the channel formation region, which causes the threshold voltage of the transistor to fluctuate in the negative direction.

酸化物半導体膜を含むトランジスタを有する半導体装置において、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成することを目的の一とする。 An object is to provide a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor film with stable electrical characteristics and high reliability.

また、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、高集積化等を達成するためにはトランジスタの微細化が必須である。 Further, miniaturization of a transistor is indispensable in order to achieve high-speed operation of the transistor, low power consumption of the transistor, high integration, and the like.

より高性能な半導体装置を実現するため、微細化されたトランジスタのオン特性(例えば、オン電流や電界効果移動度)を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成およびその作製方法を提供することを目的の一とする。 In order to realize a higher-performance semiconductor device, the on-characteristics of a miniaturized transistor (for example, on-current and field-effect mobility) are improved to realize a high-speed response and high-speed driving of the semiconductor device and its manufacture An object is to provide a method.

酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及びゲート電極層が順に積層され、ゲート電極層の側面に、第1の側壁絶縁層、第2の側壁絶縁層、及び第3の側壁絶縁層を含む側壁絶縁層が設けられたトランジスタを有する半導体装置において、第1の側壁絶縁層はゲート絶縁膜の上面の一部、及びゲート電極層の側面と接し、第2の側壁絶縁層は酸化物半導体膜の上面の一部、ゲート絶縁膜の側面、第1の側壁絶縁層の側面と接し、第3の側壁絶縁層は第2の側壁絶縁層の側面と接する。第1の側壁絶縁層及び第3の側壁絶縁層は酸化物絶縁膜、第2の側壁絶縁層は、第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)とし、第1の側壁絶縁層は酸素過剰領域を有することが好ましい。 An oxide semiconductor film, a gate insulating film, and a gate electrode layer are sequentially stacked, and side wall insulation including a first sidewall insulating layer, a second sidewall insulating layer, and a third sidewall insulating layer on a side surface of the gate electrode layer. In the semiconductor device including the transistor provided with the layer, the first sidewall insulating layer is in contact with part of the top surface of the gate insulating film and the side surface of the gate electrode layer, and the second sidewall insulating layer is the top surface of the oxide semiconductor film. , A side surface of the gate insulating film, and a side surface of the first side wall insulating layer, and a third side wall insulating layer is in contact with a side surface of the second side wall insulating layer. The first sidewall insulating layer and the third sidewall insulating layer are oxide insulating films, and the second sidewall insulating layer is an insulating film containing a metal element having a lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layer (typically It is preferable that the first sidewall insulating layer has an oxygen excess region.

第1の側壁絶縁層に含まれる酸素過剰領域は、第1の側壁絶縁層、又は/及びエッチング前の酸化物絶縁膜に酸素ドープ処理(酸素導入処理)を行うことで形成することができる。酸素ドープ処理によって、第1の側壁絶縁層、又は/及びエッチング前の酸化物絶縁膜において、少なくとも1ヶ所以上、該第1の側壁絶縁層、又は/及びエッチング前の酸化物絶縁膜の化学量論的組成を超える酸素が存在する酸素過剰領域を設けることができる。また、該酸素ドープ処理により、第1の側壁絶縁層、又は/及びエッチング前の酸化物絶縁膜下に設けられたゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜にも酸素を供給することもできる。 The oxygen excess region included in the first sidewall insulating layer can be formed by performing oxygen doping treatment (oxygen introduction treatment) on the first sidewall insulating layer and / or the oxide insulating film before etching. In the first sidewall insulating layer and / or the oxide insulating film before etching by the oxygen doping treatment, at least one or more stoichiometric amounts of the first sidewall insulating layer or / and the oxide insulating film before etching. It is possible to provide an oxygen-excess region where oxygen exceeding the theoretical composition is present. In addition, oxygen can be supplied to the first sidewall insulating layer and / or the gate insulating film and the oxide semiconductor film provided under the oxide insulating film before etching by the oxygen doping treatment.

酸素を過剰に詰め込まれ、かつ酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜に近接する領域に該過剰な酸素を含む第1の側壁絶縁層は、ゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止し、酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜への有効な酸素供給層として機能する。 The first sidewall insulating layer that is excessively filled with oxygen and contains excess oxygen in a region adjacent to the oxide semiconductor film and the gate insulating film can release oxygen from the gate insulating film and the oxide semiconductor film. And functions as an effective oxygen supply layer to the oxide semiconductor film and the gate insulating film.

第1の側壁絶縁層中に、酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜に近接する領域に貯蔵された過剰酸素は、ゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜へ効率よく供給することができる。よって、半導体装置において、寄生チャネル発生の抑制、及び酸化物半導体膜中及び界面の酸素欠損の補填を行うことが可能となる。また、酸素ドープ処理後に熱処理を行って、酸素過剰領域から酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜への酸素の供給することができる。 Excess oxygen stored in the region adjacent to the oxide semiconductor film and the gate insulating film in the first sidewall insulating layer can be efficiently supplied to the gate insulating film and the oxide semiconductor film. Therefore, in the semiconductor device, generation of parasitic channels can be suppressed, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film and the interface can be compensated. Further, heat treatment can be performed after the oxygen doping treatment to supply oxygen from the oxygen-excess region to the oxide semiconductor film and the gate insulating film.

酸化物半導体膜の上面の一部、ゲート絶縁膜の側面、第1の側壁絶縁層の側面と接して設けられる第2の側壁絶縁層は第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜、又は酸化アルミニウム膜を含む膜)を用いる。 The second sidewall insulating layer provided in contact with part of the top surface of the oxide semiconductor film, the side surface of the gate insulating film, and the side surface of the first sidewall insulating layer is a metal element having a lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layer. An insulating film containing silicon (typically an aluminum oxide film or a film containing an aluminum oxide film) is used.

第2の側壁絶縁層として酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜を用いることによって、第1の側壁絶縁層からの酸素の放出を防止することができる。 By using an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability as the second sidewall insulating layer, release of oxygen from the first sidewall insulating layer can be prevented.

酸化アルミニウム膜は、酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜として好適に用いることができる。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。よって、酸化アルミニウム膜を第2の側壁絶縁層として設けると、作製工程中及び作製後において、電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜及び側壁絶縁層への混入、及び酸化物半導体膜及び第1の側壁絶縁層からの放出を防止するバリア膜として機能させることができる。 The aluminum oxide film can be suitably used as an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability. The aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) that prevents both hydrogen, moisture and other impurities, and oxygen from passing through the film. Therefore, when an aluminum oxide film is provided as the second sidewall insulating layer, impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in electrical characteristics, are mixed into the oxide semiconductor film and the sidewall insulating layer during and after the manufacturing process. , And a barrier film that prevents emission from the oxide semiconductor film and the first sidewall insulating layer.

第2の側壁絶縁層に用いることのできる酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)は、薄膜であっても(代表的には10nm以下、好ましくは5nm以下)上述のバリア膜としての高い効果を奏する。第2の側壁絶縁層は、ゲート絶縁膜とゲート電極層とで生じる段差部を平坦化するように覆う第1の側壁絶縁層上に設けられるため、薄膜であっても被覆性よく形成することができる。また、第2の側壁絶縁層は、上に積層される第3の側壁絶縁層をマスクとしてエッチングして形成される。第2の側壁絶縁層が薄膜であると、該エッチング加工が容易であり、歩留まり及び生産性が向上する。 An insulating film containing a metal element with low oxygen permeability (typically an aluminum oxide film) that can be used for the second sidewall insulating layer is a thin film (typically 10 nm or less, preferably 5 nm or less). ) High effect as the above barrier film. Since the second side wall insulating layer is provided on the first side wall insulating layer that covers the stepped portion formed between the gate insulating film and the gate electrode layer so as to be flattened, the second side wall insulating layer should be formed with good coverage even for a thin film. Can do. The second sidewall insulating layer is formed by etching using the third sidewall insulating layer laminated thereon as a mask. When the second sidewall insulating layer is a thin film, the etching process is easy, and the yield and productivity are improved.

第3の側壁絶縁層は第2の側壁絶縁層の形成時にマスクとして機能する他、3層の側壁絶縁層が積層して構成される側壁絶縁層を、側壁絶縁層として機能できる程度に該膜厚や形状を調節することができる。 The third side wall insulating layer functions as a mask when the second side wall insulating layer is formed, and the side wall insulating layer formed by stacking three side wall insulating layers can be used as the side wall insulating layer. Thickness and shape can be adjusted.

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、ゲート絶縁膜の上面の一部、及びゲート電極層の側面を覆う第1の側壁絶縁層と、酸化物半導体膜の上面の一部、ゲート絶縁膜の側面、及び第1の側壁絶縁層の側面を覆う第2の側壁絶縁層と、第2の側壁絶縁層の側面を覆う第3の側壁絶縁層と、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層とを有し、第1の側壁絶縁層及び第3の側壁絶縁層は酸化物絶縁膜であり、第2の側壁絶縁層は、第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜である半導体装置である。 One embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification includes an oxide semiconductor film including a channel formation region provided over the oxide insulating film, a gate insulating film over the oxide semiconductor film, and over the gate insulating film A first sidewall insulating layer covering a gate electrode layer, a part of an upper surface of the gate insulating film, and a side surface of the gate electrode layer; a part of an upper surface of the oxide semiconductor film; a side surface of the gate insulating film; A second sidewall insulating layer covering a side surface of the sidewall insulating layer; a third sidewall insulating layer covering a side surface of the second sidewall insulating layer; and a source electrode layer and a drain electrode layer electrically connected to the oxide semiconductor film The first sidewall insulating layer and the third sidewall insulating layer are oxide insulating films, and the second sidewall insulating layer contains a metal element having a lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layer. A semiconductor device which is an insulating film.

本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、ゲート電極層上に絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上面の一部、ゲート電極層の側面、及び絶縁膜の側面を覆う第1の側壁絶縁層と、酸化物半導体膜の上面の一部、ゲート絶縁膜の側面、及び第1の側壁絶縁層の側面を覆う第2の側壁絶縁層と、第2の側壁絶縁層の側面を覆う第3の側壁絶縁層と、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層とを有し、第1の側壁絶縁層及び第3の側壁絶縁層は酸化物絶縁膜であり、第2の側壁絶縁層及び絶縁膜は、第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜である半導体装置である。 Another embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification includes an oxide semiconductor film including a channel formation region provided over an oxide insulating film, a gate insulating film over the oxide semiconductor film, and a gate insulating film A gate electrode layer; an insulating film on the gate electrode layer; a part of an upper surface of the gate insulating film; a side surface of the gate electrode layer; and a first sidewall insulating layer covering the side surface of the insulating film; A second side wall insulating layer covering a part of the upper surface of the gate insulating film, a side surface of the gate insulating film, and a side surface of the first side wall insulating layer; a third side wall insulating layer covering the side surface of the second side wall insulating layer; A source electrode layer and a drain electrode layer electrically connected to the physical semiconductor film, wherein the first sidewall insulating layer and the third sidewall insulating layer are oxide insulating films, and the second sidewall insulating layer and the insulating layer The semiconductor is an insulating film containing a metal element having a lower oxygen permeability than that of the first sidewall insulating layer It is the location.

ゲート電極層上に絶縁膜として酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)を設けると、酸化物半導体膜のチャネル形成領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、及び第1の側壁絶縁層が、第2の側壁絶縁層及び絶縁膜で覆われる構成となり、すなわち、酸化物半導体膜のチャネル形成領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、及び第1の側壁絶縁層を、バリア膜として機能する酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)で覆う構成とすることができる。 When an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability (typically an aluminum oxide film) is provided as an insulating film over the gate electrode layer, a channel formation region of the oxide semiconductor film, the gate insulating film, the gate electrode layer, and The first sidewall insulating layer is covered with the second sidewall insulating layer and the insulating film, that is, the oxide semiconductor film channel formation region, the gate insulating film, the gate electrode layer, and the first sidewall insulating layer are formed. The insulating film containing a metal element with low oxygen permeability that functions as a barrier film (typically an aluminum oxide film) can be used.

本発明の他の一形態は、上記構成において、第1の側壁絶縁層は酸素過剰領域を含む半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the first sidewall insulating layer includes an oxygen-excess region in the above structure.

また、上記構成において、ゲート電極層上に、酸素過剰領域を含む酸化物絶縁膜を設け、該酸化物絶縁膜上に酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)を設ける構成とすると、ゲート電極層と酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)との間に設けられた該酸化物絶縁膜を酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、第1の側壁絶縁層への酸素供給源として機能させることができる。この場合、ゲート電極層の上面及び側面を酸素供給源となる酸化物絶縁膜で覆う構成とすることができる。 In the above structure, an oxide insulating film including an oxygen-excess region is provided over the gate electrode layer, and the insulating film containing a metal element having low oxygen permeability (typically an aluminum oxide film) is formed over the oxide insulating film. ), The oxide insulating film provided between the gate electrode layer and an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability (typically an aluminum oxide film) is formed as an oxide semiconductor film and a gate. The insulating film and the first sidewall insulating layer can function as an oxygen supply source. In this case, the top and side surfaces of the gate electrode layer can be covered with an oxide insulating film serving as an oxygen supply source.

本発明の他の一形態は、上記構成において、ソース電極層及びドレイン電極層が、酸化物半導体膜、及び第3の側壁絶縁層に接する半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the source electrode layer and the drain electrode layer are in contact with the oxide semiconductor film and the third sidewall insulating layer in the above structure.

本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、第1の酸化物絶縁膜を形成し、第1の酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上に絶縁膜を形成し、絶縁膜上に酸化物半導体膜と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜に不純物元素を導入し、絶縁膜及びゲート電極層上に第2の酸化物絶縁膜を形成し、第2の酸化物絶縁膜をエッチングしてゲート電極層の側面を覆う第1の側壁絶縁層を形成し、ゲート電極層及び第1の側壁絶縁層をマスクとして絶縁膜をエッチングしてゲート絶縁膜を形成し、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、及び第1の側壁絶縁層上に第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜を形成し、金属元素を含む絶縁膜上に第3の酸化物絶縁膜を形成し、第3の酸化物絶縁膜をエッチングして、金属元素を含む絶縁膜を介してゲート電極層の側面を覆う第3の側壁絶縁層を形成し、ゲート電極層及び第3の側壁絶縁層をマスクとして金属元素を含む絶縁膜をエッチングして第2の側壁絶縁層を形成し、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。 In another embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification, a first oxide insulating film is formed, an oxide semiconductor film is formed over the first oxide insulating film, and the oxide semiconductor film is formed over the oxide semiconductor film. An insulating film is formed, a gate electrode layer overlapping with the oxide semiconductor film is formed over the insulating film, an impurity element is introduced into the oxide semiconductor film using the gate electrode layer as a mask, and a second electrode is formed over the insulating film and the gate electrode layer. The first oxide insulating film is formed, the second oxide insulating film is etched to form a first sidewall insulating layer that covers the side surface of the gate electrode layer, and the gate electrode layer and the first sidewall insulating layer are used as a mask. An insulating film is etched to form a gate insulating film, and an oxide semiconductor film, a gate insulating film, and an insulating film containing a metal element having lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layer are formed over the first sidewall insulating layer. And forming a third oxide insulating film over the insulating film containing the metal element. The third oxide insulating film is etched to form a third sidewall insulating layer that covers the side surface of the gate electrode layer through the insulating film containing the metal element, and the gate electrode layer and the third sidewall insulating layer are masked As a method for manufacturing a semiconductor device, a second sidewall insulating layer is formed by etching an insulating film containing a metal element, and a source electrode layer and a drain electrode layer electrically connected to the oxide semiconductor film are formed.

第2の側壁絶縁層として、金属膜(代表的にはアルミニウム膜)を形成し、金属膜に酸素ドープ処理を行うことによって形成する金属酸化膜(代表的には酸化アルミニウム膜)を用いることができる。該酸素ドープ処理により、金属膜下に設けられた第1の側壁絶縁層にも酸素を供給することもできる。 As the second sidewall insulating layer, a metal film (typically an aluminum film) is formed, and a metal oxide film (typically an aluminum oxide film) formed by performing oxygen doping treatment on the metal film is used. it can. Oxygen can also be supplied to the first sidewall insulating layer provided under the metal film by the oxygen doping treatment.

なお、「酸素ドープ」とは、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオンのいずれかを含む)をバルクに添加することを言う。なお、当該「バルク」の用語は、酸素を、薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、「酸素ドープ」には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。 “Oxygen doping” means adding oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions) to the bulk. Say. The term “bulk” is used for the purpose of clarifying that oxygen is added not only to the surface of the thin film but also to the inside of the thin film. Further, “oxygen doping” includes “oxygen plasma doping” in which oxygen in plasma form is added to a bulk.

酸素ドープ処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素ドープ処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。 A gas containing oxygen can be used for the oxygen doping treatment. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen doping treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas.

酸素ドープ処理は処理条件により、直接酸素ドープ処理に曝される膜だけでなく、該膜の下に設けられた膜にも酸素をドープすることができる。 Depending on processing conditions, oxygen doping treatment can be performed not only for a film directly exposed to the oxygen doping treatment but also for a film provided under the film.

上記構成において、第2の酸化物絶縁膜及び第3の酸化物絶縁膜を、成膜ガスを用いる成膜方法により形成することができる。例えば、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により形成することができる。 In the above structure, the second oxide insulating film and the third oxide insulating film can be formed by a deposition method using a deposition gas. For example, it can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.

また、半導体装置を構成する、下地となる第1の酸化物絶縁膜、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、第2の酸化物絶縁膜、第3の酸化物絶縁膜に水素若しくは水分を放出させる加熱処理(脱水化又は脱水素化処理)を行ってもよい。 In addition, hydrogen or moisture is released to the first oxide insulating film, the oxide semiconductor film, the gate insulating film, the second oxide insulating film, and the third oxide insulating film which are base layers included in the semiconductor device Heat treatment (dehydration or dehydrogenation treatment) may be performed.

また、ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜に自己整合的にドーパント(不純物元素)を導入し、酸化物半導体膜においてチャネル形成領域を挟んでチャネル形成領域より抵抗が低く、ドーパント(不純物元素)を含む低抵抗領域を形成することができる。ドーパントは、酸化物半導体膜の導電率を変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。 In addition, a dopant (impurity element) is introduced into the oxide semiconductor film in a self-aligning manner using the gate electrode layer as a mask, and the resistance is lower than that of the channel formation region with the channel formation region interposed between the oxide semiconductor film and the dopant (impurity element) Can be formed. The dopant is an impurity that changes the conductivity of the oxide semiconductor film. As a method for introducing the dopant, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like can be used.

チャネル長方向にチャネル形成領域を挟んで低抵抗領域を含む酸化物半導体膜を有することにより、該トランジスタはオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。 With an oxide semiconductor film including a low-resistance region with a channel formation region sandwiched in the channel length direction, the transistor has high on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility), and can operate at high speed and with high speed. It becomes.

本発明の一形態は、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジスタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば、LSIや、CPUや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including a transistor or a circuit including the transistor. For example, the invention relates to a semiconductor device including a transistor or a circuit including a transistor in which a channel formation region is formed using an oxide semiconductor. For example, power devices mounted on LSIs, CPUs, power supply circuits, semiconductor integrated circuits including memories, thyristors, converters, image sensors, etc., light-emitting displays having electro-optical devices and light-emitting elements typified by liquid crystal display panels The present invention relates to an electronic device equipped with a device as a component.

酸化物半導体膜を含むトランジスタを有する半導体装置において、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成することができる。 In a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor film, stable electrical characteristics can be imparted and high reliability can be achieved.

酸化物半導体膜を含むトランジスタを有する半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成およびその作製方法を提供することができる。 A structure and a manufacturing method for realizing high-speed response and high-speed driving of a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor film can be provided.

半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の一形態を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図、平面図及び回路図。4A and 4B are a cross-sectional view, a plan view, and a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。8A and 8B are a circuit diagram and a perspective view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図及び平面図。10A and 10B are a cross-sectional view and a plan view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する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、第1、第2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。 Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. However, the invention disclosed in this specification 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. Further, the invention disclosed in this specification is not construed as being limited to the description of the embodiments below. In addition, the ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. In addition, a specific name is not shown as a matter for specifying the invention in this specification.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1乃至図4、及び図12を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトランジスタを示す。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a transistor including an oxide semiconductor film is described as an example of a semiconductor device.

トランジスタはチャネル形成領域が1つ形成されるシングルゲート構造でも、2つ形成されるダブルゲート構造もしくは3つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された2つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。 The transistor may have a single gate structure in which one channel formation region is formed, a double gate structure in which two channel formation regions are formed, or a triple gate structure in which three channel formation regions are formed. Alternatively, a dual gate type having two gate electrode layers arranged above and below the channel formation region with a gate insulating film interposed therebetween may be used.

図1(A)乃至(C)に示すトランジスタ440aは、トップゲート構造のトランジスタの一例である。図1(A)は、トランジスタ440aの平面図であり、図1(B)は、図1(A)のX−Yにおける断面図であり、図1(C)は、図1(A)のV1−W1における断面図である。なお、図1(A)及び図1(C)では煩雑になることを避けるため、トランジスタ440aの構成要素の一部を省略して図示している。 A transistor 440a illustrated in FIGS. 1A to 1C is an example of a top-gate transistor. 1A is a plan view of the transistor 440a, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XY of FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view of FIG. It is sectional drawing in V1-W1. Note that in FIG. 1A and FIG. 1C, some components of the transistor 440a are not illustrated in order to avoid complexity.

チャネル長方向の断面図である図1(B)に示すように、トランジスタ440aを含む半導体装置は、酸化物絶縁膜436が設けられた絶縁表面を有する基板400上に、チャネル形成領域409、低抵抗領域404a、404bを含む酸化物半導体膜403、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層401、第1の側壁絶縁層411a、411b、第2の側壁絶縁層412a、412b、第3の側壁絶縁層414a、414b、絶縁膜413、及び層間絶縁膜415を有する。 As shown in FIG. 1B, which is a cross-sectional view in the channel length direction, a semiconductor device including the transistor 440a includes a channel formation region 409, a low-concentration region on a substrate 400 having an insulating surface provided with an oxide insulating film 436. Oxide semiconductor film 403 including resistance regions 404a and 404b, source electrode layer 405a, drain electrode layer 405b, gate insulating film 402, gate electrode layer 401, first sidewall insulating layers 411a and 411b, and second sidewall insulating layer 412a 412b, third sidewall insulating layers 414a and 414b, an insulating film 413, and an interlayer insulating film 415.

また、チャネル幅方向の断面図である図1(C)に示すように、酸化物半導体膜403の側端部はゲート絶縁膜402に覆われ、ゲート絶縁膜402上には酸素供給層である第1の側壁絶縁層411が設けられている。さらに、酸化物半導体膜403、ゲート絶縁膜402、第1の側壁絶縁層411の側面(側端部)は酸素放出を防止するバリア膜として機能する第2の側壁絶縁層412によって覆われ、第2の側壁絶縁層412の側面は第3の側壁絶縁層414によって覆われている。 In addition, as illustrated in FIG. 1C which is a cross-sectional view in the channel width direction, a side end portion of the oxide semiconductor film 403 is covered with a gate insulating film 402, and an oxygen supply layer is formed over the gate insulating film 402. A first sidewall insulating layer 411 is provided. Further, side surfaces (side ends) of the oxide semiconductor film 403, the gate insulating film 402, and the first sidewall insulating layer 411 are covered with a second sidewall insulating layer 412 that functions as a barrier film that prevents oxygen release. The side surface of the second sidewall insulating layer 412 is covered with a third sidewall insulating layer 414.

さらに、酸化物半導体膜403のチャネル幅方向における側端部を酸素供給源となる酸化物絶縁膜で覆う構成としてもよい。図12(A)(B)に酸素供給源となる酸化物絶縁膜418を設ける構成を示す。図12(A)は、トランジスタ440aの平面図であり、図1(B)は、図12(A)のV2−W2における断面図である。 Further, a side end portion of the oxide semiconductor film 403 in the channel width direction may be covered with an oxide insulating film serving as an oxygen supply source. 12A and 12B illustrate a structure in which an oxide insulating film 418 serving as an oxygen supply source is provided. 12A is a plan view of the transistor 440a, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line V2-W2 in FIG.

図12(A)(B)に示すように、酸化物半導体膜403の少なくともチャネル幅方向における側端部は、酸化物絶縁膜418で覆われている。酸化物絶縁膜418は第1の側壁絶縁層411、酸化物絶縁膜436と同様な材料及び方法で形成することができ、酸素過剰な膜とすることが好ましい。酸化物絶縁膜418として、例えば、膜厚約100nmのスパッタリング法による酸化シリコン膜や、CVD法による窒化シリコン膜に酸素導入した膜を用いればよい。 As illustrated in FIGS. 12A and 12B, at least a side end portion of the oxide semiconductor film 403 in the channel width direction is covered with an oxide insulating film 418. The oxide insulating film 418 can be formed using a material and a method similar to those of the first sidewall insulating layer 411 and the oxide insulating film 436, and is preferably an oxygen-excess film. As the oxide insulating film 418, for example, a silicon oxide film by a sputtering method with a thickness of about 100 nm or a film in which oxygen is introduced into a silicon nitride film by a CVD method may be used.

よって、酸化物半導体膜403の側端部において酸素の放出を防止し、酸素の供給により酸素欠損の補填を行うことができる。従って、寄生チャネルの発生を抑制することができる。 Accordingly, release of oxygen can be prevented at the side end portion of the oxide semiconductor film 403 and oxygen vacancies can be compensated by supply of oxygen. Therefore, the generation of parasitic channels can be suppressed.

トランジスタ440aのゲート電極層401の側面に設けられる側壁絶縁層は、第1の側壁絶縁層411a、411b、第2の側壁絶縁層412a、412b、及び第3の側壁絶縁層414a、414bが順に積層された積層構造である。 The sidewall insulating layers provided on the side surfaces of the gate electrode layer 401 of the transistor 440a are formed by sequentially stacking first sidewall insulating layers 411a and 411b, second sidewall insulating layers 412a and 412b, and third sidewall insulating layers 414a and 414b. It is the laminated structure made.

第1の側壁絶縁層411a、411bはゲート絶縁膜402の上面の一部、及びゲート電極層401の側面と接し、第2の側壁絶縁層412a、412bは酸化物半導体膜403の上面の一部、ゲート絶縁膜402の側面、第1の側壁絶縁層411a、411bの側面と接し、第3の側壁絶縁層414a、414bは第2の側壁絶縁層412a、412bの側面と接する。 The first sidewall insulating layers 411a and 411b are in contact with part of the top surface of the gate insulating film 402 and the side surface of the gate electrode layer 401, and the second sidewall insulating layers 412a and 412b are part of the top surface of the oxide semiconductor film 403. The side surfaces of the gate insulating film 402 are in contact with the side surfaces of the first sidewall insulating layers 411a and 411b, and the third sidewall insulating layers 414a and 414b are in contact with the side surfaces of the second sidewall insulating layers 412a and 412b.

第1の側壁絶縁層411a、411bは酸素過剰領域を有する酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。 The first sidewall insulating layers 411a and 411b are preferably formed using an oxide insulating film having an oxygen-excess region.

酸素を過剰に詰め込まれ、かつ酸化物半導体膜403及びゲート絶縁膜402に近接する領域に該過剰な酸素を含む第1の側壁絶縁層411a、411bは、ゲート絶縁膜402及び酸化物半導体膜403からの酸素の脱離を防止し、酸化物半導体膜403及びゲート絶縁膜402への有効な酸素供給層として機能する。 The first sidewall insulating layers 411a and 411b which are excessively filled with oxygen and contain excess oxygen in a region adjacent to the oxide semiconductor film 403 and the gate insulating film 402 are formed of the gate insulating film 402 and the oxide semiconductor film 403. Oxygen is prevented from desorption from the oxide semiconductor film 403 and functions as an effective oxygen supply layer to the oxide semiconductor film 403 and the gate insulating film 402.

第1の側壁絶縁層411a、411b中に、酸化物半導体膜403及びゲート絶縁膜402に近接する領域に貯蔵された過剰酸素は、ゲート絶縁膜402及び酸化物半導体膜403へ効率よく供給することができる。よって、半導体装置において、寄生チャネル発生の抑制、及び酸化物半導体膜403中及び界面の酸素欠損の補填を行うことが可能となる。また、酸素ドープ処理後に熱処理を行って、酸素過剰領域から酸化物半導体膜403及びゲート絶縁膜402への酸素の供給することができる。 Excess oxygen stored in the first sidewall insulating layers 411a and 411b in a region adjacent to the oxide semiconductor film 403 and the gate insulating film 402 is efficiently supplied to the gate insulating film 402 and the oxide semiconductor film 403. Can do. Therefore, in the semiconductor device, generation of parasitic channels can be suppressed, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 403 and the interface can be compensated. Further, heat treatment can be performed after the oxygen doping treatment, so that oxygen can be supplied from the oxygen-excess region to the oxide semiconductor film 403 and the gate insulating film 402.

酸化物半導体膜403の上面の一部、ゲート絶縁膜402の側面、第1の側壁絶縁層411a、411bの側面と接して設けられる第2の側壁絶縁層412a、412bは第1の側壁絶縁層411a、411bより酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜、又は酸化アルミニウム膜を含む膜)を用いる。 The second sidewall insulating layers 412a and 412b provided in contact with part of the top surface of the oxide semiconductor film 403, the side surfaces of the gate insulating film 402, and the side surfaces of the first sidewall insulating layers 411a and 411b are the first sidewall insulating layers. An insulating film (typically, an aluminum oxide film or a film including an aluminum oxide film) containing a metal element that has lower oxygen permeability than 411a and 411b is used.

第2の側壁絶縁層412a、412bとして酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜を用いることによって、第1の側壁絶縁層411a、411bからの酸素の放出を防止することができる。 By using an insulating film containing a metal element having low oxygen permeability as the second sidewall insulating layers 412a and 412b, release of oxygen from the first sidewall insulating layers 411a and 411b can be prevented.

酸化アルミニウム膜は、酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜として好適に用いることができる。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。よって、酸化アルミニウム膜を第2の側壁絶縁層412a、412bとして設けると、作製工程中及び作製後において、電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜403及び第1の側壁絶縁層411a、411bへの混入、及び酸化物半導体膜403及び第1の側壁絶縁層411a、411bからの放出を防止するバリア膜として機能させることができる。 The aluminum oxide film can be suitably used as an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability. The aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) that prevents both hydrogen, moisture and other impurities, and oxygen from passing through the film. Therefore, when the aluminum oxide film is provided as the second sidewall insulating layers 412a and 412b, the oxide semiconductor film 403 of impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics during and after the manufacturing process, and the first Can be functioned as a barrier film for preventing entry into the sidewall insulating layers 411a and 411b and emission from the oxide semiconductor film 403 and the first sidewall insulating layers 411a and 411b.

第2の側壁絶縁層412a、412bに用いることのできる第1の側壁絶縁層411a、411bより酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)は、薄膜であっても(代表的には10nm以下、好ましくは5nm以下)上述のバリア膜としての高い効果を奏する。第2の側壁絶縁層412a、412bは、ゲート絶縁膜402とゲート電極層401とで生じる段差部を平坦化するように覆う第1の側壁絶縁層411a、411b上に設けられるため、薄膜であっても被覆性よく形成することができる。よって、第2の側壁絶縁層412a、412bを薄膜化することができるので、加工が容易になり、生産性が向上する。 An insulating film (typically, an aluminum oxide film) containing a metal element having lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layers 411a and 411b that can be used for the second sidewall insulating layers 412a and 412b is a thin film. (Typically 10 nm or less, preferably 5 nm or less), the above barrier film is highly effective. The second sidewall insulating layers 412a and 412b are thin films because they are provided over the first sidewall insulating layers 411a and 411b so as to flatten the stepped portions formed between the gate insulating film 402 and the gate electrode layer 401. However, it can be formed with good coverage. Therefore, since the second sidewall insulating layers 412a and 412b can be thinned, processing is facilitated and productivity is improved.

第3の側壁絶縁層414a、414bは酸化物絶縁膜を用いることができる。第3の側壁絶縁層414a、414bは第2の側壁絶縁層412a、412bの形成時にマスクとして機能する他、3層の側壁絶縁層が積層して構成されるトランジスタ440aの側壁絶縁層を、側壁絶縁層として機能できる程度に該膜厚や形状を調節することができる。 An oxide insulating film can be used for the third sidewall insulating layers 414a and 414b. The third sidewall insulating layers 414a and 414b function as a mask when the second sidewall insulating layers 412a and 412b are formed, and the sidewall insulating layers of the transistor 440a formed by stacking three sidewall insulating layers are used as the sidewalls. The film thickness and shape can be adjusted to such an extent that they can function as an insulating layer.

トランジスタ440aは、ゲート電極層401上に絶縁膜413を有している。絶縁膜413はゲート電極層401の形成時にマスクとして機能する他、バリア性の高い膜(例えば、第1の側壁絶縁層411a、411bより酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜)を用いることでトランジスタ440aに対する保護膜として機能させることができる。 The transistor 440 a includes an insulating film 413 over the gate electrode layer 401. In addition to functioning as a mask when the gate electrode layer 401 is formed, the insulating film 413 uses a film having a high barrier property (for example, an insulating film containing a metal element having lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layers 411a and 411b). Thus, the transistor 440a can function as a protective film.

例えば、ゲート電極層401上に絶縁膜413として酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜、又は酸化アルミニウム膜を含む膜)を設けると、酸化物半導体膜403のチャネル形成領域409、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層401、及び第1の側壁絶縁層411a、411bが、第2の側壁絶縁層412a、412b及び絶縁膜413で覆われる構成となり、すなわち、酸化物半導体膜403のチャネル形成領域409、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層401、及び第1の側壁絶縁層411a、411bを、バリア膜として機能する酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜、又は酸化アルミニウム膜を含む膜)で覆う構成とすることができる。 For example, when an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability (typically an aluminum oxide film or a film including an aluminum oxide film) is provided as the insulating film 413 over the gate electrode layer 401, the oxide semiconductor film 403 The channel formation region 409, the gate insulating film 402, the gate electrode layer 401, and the first sidewall insulating layers 411a and 411b are covered with the second sidewall insulating layers 412a and 412b and the insulating film 413, that is, an oxide The channel formation region 409, the gate insulating film 402, the gate electrode layer 401, and the first sidewall insulating layers 411a and 411b of the semiconductor film 403 are formed using an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability that functions as a barrier film (typically Can be covered with an aluminum oxide film or a film containing an aluminum oxide film.

なお、ゲート電極層401をマスクとして酸化物半導体膜403に自己整合的にドーパントを導入し、酸化物半導体膜403においてチャネル形成領域409を挟んでチャネル形成領域409より抵抗が低く、ドーパントを含む低抵抗領域404a、404bを形成する。ドーパントは、酸化物半導体膜403の導電率を変化させる不純物(不純物元素)である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。 Note that a dopant is introduced into the oxide semiconductor film 403 in a self-aligning manner using the gate electrode layer 401 as a mask, and the oxide semiconductor film 403 has a resistance lower than that of the channel formation region 409 with the channel formation region 409 interposed therebetween. Resistive regions 404a and 404b are formed. The dopant is an impurity (impurity element) that changes the conductivity of the oxide semiconductor film 403. As a method for introducing the dopant, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like can be used.

チャネル長方向にチャネル形成領域409を挟んで低抵抗領域404a、404bを含む酸化物半導体膜403を有することにより、該トランジスタ440aはオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。 By including the oxide semiconductor film 403 including the low-resistance regions 404a and 404b with the channel formation region 409 sandwiched in the channel length direction, the transistor 440a has high on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility) and high speed. Operation and high-speed response are possible.

酸化物半導体膜403に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)を含む。特にInと亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気的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)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム(Zr)を有することが好ましい。 An oxide semiconductor used for the oxide semiconductor film 403 contains at least indium (In). In particular, it is preferable to contain In and zinc (Zn). In addition, it is preferable to include gallium (Ga) in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have a zirconium (Zr) as a stabilizer.

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、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、In−Hf−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系酸化物を用いることができる。 For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides In—Zn oxide, In—Mg oxide, In—Ga oxide, ternary metal In-Ga-Zn-based oxide (also referred to as IGZO), In-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In-La -Zn oxide, In-Ce-Zn oxide, In-Pr-Zn oxide, In-Nd-Zn oxide, In-Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide In-Gd-Zn-based 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-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, four In-Sn-Ga-Zn-based oxides, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, and In-Sn-Al-Zn-based oxides that are oxides of the base metal In-Sn-Hf-Zn-based oxides and In-Hf-Al-Zn-based oxides can be used.

なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として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 as its main components, 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から選ばれた一の金属元素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 metal element or a plurality of metal elements selected from 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(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3)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(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)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 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1) / 5), or an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 (= 1/2: 1/6: 1/3) and oxidation in the vicinity of the composition. Can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1) / 2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide or oxide in the vicinity of the composition Should be used.

しかし、インジウムを含む酸化物半導体は、これらに限られず、必要とする半導体特性(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、必要とする半導体特性を得るために、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、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 However, the oxide semiconductor containing indium is not limited thereto, and an oxide semiconductor having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics (mobility, threshold value, variation, and the like). In order to obtain the required semiconductor characteristics, it is preferable that the carrier concentration, the impurity concentration, the defect density, the atomic ratio between the metal element and oxygen, the interatomic distance, the density, and the like are appropriate.

例えば、In−Sn−Zn系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。 For example, high mobility can be obtained relatively easily with an In—Sn—Zn-based oxide. However, mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk also in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide.

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: The composition of the oxide of C (A + B + C = 1) is in the vicinity, a, b, c are (a−A) 2 + (b−B) 2 + (c−C) 2 ≦ r 2 Satisfying. For example, r may be 0.05. The same applies to other oxides.

酸化物半導体膜403は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、CAAC(C Axis Aligned Crystal)、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。非晶質部は、微結晶、CAACよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、CAACよりも欠陥準位密度が高い。なお、CAACを有する酸化物半導体を、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)と呼ぶ。 For example, the oxide semiconductor film 403 may include a non-single crystal. The non-single crystal includes, for example, CAAC (C Axis Aligned Crystal), polycrystal, microcrystal, and amorphous part. The amorphous part has a higher density of defect states than microcrystals and CAAC. In addition, microcrystals have a higher density of defect states than CAAC. Note that an oxide semiconductor including CAAC is referred to as a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor).

酸化物半導体膜は、例えばCAAC−OSを有してもよい。CAAC−OSは、例えば、c軸配向し、a軸または/およびb軸はマクロに揃っていない。 For example, the oxide semiconductor film may include a CAAC-OS. For example, the CAAC-OS is c-axis oriented, and the a-axis and / or the b-axis are not aligned macroscopically.

酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を膜中に含む。または、微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。 The oxide semiconductor film may include microcrystal, for example. Note that an oxide semiconductor including microcrystal is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. The microcrystalline oxide semiconductor film includes microcrystal (also referred to as nanocrystal) with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example. Alternatively, the microcrystalline oxide semiconductor film includes an oxide semiconductor having a crystal-amorphous mixed phase structure with a crystal part of 1 nm to less than 10 nm, for example.

酸化物半導体膜は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。 For example, the oxide semiconductor film may include an amorphous part. Note that an oxide semiconductor having an amorphous part is referred to as an amorphous oxide semiconductor. An amorphous oxide semiconductor film has, for example, disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, the amorphous oxide semiconductor film is, for example, completely amorphous and has no crystal part.

なお、酸化物半導体膜が、CAAC−OS、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、の積層構造を有してもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be a mixed film of a CAAC-OS, a microcrystalline oxide semiconductor, and an amorphous oxide semiconductor. For example, the mixed film includes an amorphous oxide semiconductor region, a microcrystalline oxide semiconductor region, and a CAAC-OS region. The mixed film may have a stacked structure of an amorphous oxide semiconductor region, a microcrystalline oxide semiconductor region, and a CAAC-OS region, for example.

なお、酸化物半導体膜は、例えば、単結晶を有してもよい。 Note that the oxide semiconductor film may include a single crystal, for example.

酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のc軸が被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜の一例としては、CAAC−OS膜がある。 The oxide semiconductor film preferably includes a plurality of crystal parts, and the c-axis of the crystal parts is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the normal vector of the surface. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. An example of such an oxide semiconductor film is a CAAC-OS film.

CAAC−OS膜は、完全な非晶質ではない。CAAC−OS膜は、例えば、結晶部およ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を有している。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、結晶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膜には明確な粒界(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 amorphous. The CAAC-OS film includes, for example, an oxide semiconductor with a crystal-amorphous mixed phase structure including a crystal part and an amorphous part. 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 and the boundary between the crystal part and the crystal part are not clear. In addition, a clear 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、例えば、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつab面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸および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、80°以上100°以下、好ましくは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、−10°以上10°以下、好ましくは−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 aligned so that, for example, the c-axis is in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and is perpendicular to the ab plane. When viewed from the direction, the metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape, and when viewed from the direction perpendicular to the c-axis, the metal atoms are arranged in layers, or the metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, the term “perpendicular” includes a range of 80 ° to 100 °, preferably 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range of −10 ° to 10 °, preferably −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または表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のc軸は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。 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 ( Depending on the cross-sectional shape of the surface to be formed or the cross-sectional shape of the surface, the directions may be different from each other. The crystal part is formed when a film is formed or when a crystallization process such as a heat treatment is performed after the film formation. Therefore, the c-axes of the crystal parts are aligned in a direction parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface.

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的特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。 In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. 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.

Raとは、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、以下の式にて定義される。 Ra is an arithmetic mean roughness defined in JIS B 0601: 2001 (ISO4287: 1997) extended to three dimensions so that it can be applied to curved surfaces. It can be expressed as “average value of absolute values” and is defined by the following equation.

ここで、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S、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)にて測定可能である。 Here, the designated surface is a surface that is a target of roughness measurement, and has 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 )) A rectangular area obtained by projecting the surface onto the xy plane is represented by S 0 , and the height of the reference surface (average height of the designated surface) is represented by Z 0 . Ra can be measured with an atomic force microscope (AFM).

酸化物半導体膜403の膜厚は、1nm以上30nm以下(好ましくは5nm以上10nm以下)とし、スパッタリング法、MBE(Moleculer Beam Epitaxy)法、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。また、酸化物半導体膜403は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。 The thickness of the oxide semiconductor film 403 is 1 nm to 30 nm (preferably 5 nm to 10 nm), and a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Etc. can be used as appropriate. Alternatively, the oxide semiconductor film 403 may be formed using a sputtering apparatus which performs film formation with a plurality of substrate surfaces set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target.

CAAC−OS膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面から劈開し、a−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、CAAC−OS膜を成膜することができる。 For example, the CAAC-OS film is formed by a sputtering method using a polycrystalline oxide semiconductor sputtering target. When ions collide with the sputtering target, a crystal region included in the sputtering target is cleaved from the ab plane, and may be separated as flat or pellet-like sputtering particles having a plane parallel to the ab plane. is there. In this case, the flat-plate-like sputtered particle reaches the substrate while maintaining a crystalline state, whereby a CAAC-OS film can be formed.

また、CAAC−OS膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。 In order to form the CAAC-OS film, the following conditions are preferably applied.

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。 By reducing the mixing of impurities during film formation, the crystal state can be prevented from being broken by impurities. For example, the concentration of impurities (such as hydrogen, water, carbon dioxide, and nitrogen) existing in the deposition chamber may be reduced. Further, the impurity concentration in the deposition gas may be reduced. Specifically, a deposition gas having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower is used.

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。 Further, by increasing the substrate heating temperature during film formation, migration of sputtered particles occurs after reaching the substrate. Specifically, the film is formed at a substrate heating temperature of 100 ° C. to 740 ° C., preferably 200 ° C. to 500 ° C. By increasing the substrate heating temperature at the time of film formation, when the flat sputtered particles reach the substrate, migration occurs on the substrate, and the flat surface of the sputtered particles adheres to the substrate.

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体積%とする。 In addition, it is preferable to reduce plasma damage during film formation by increasing the oxygen ratio in the film formation gas and optimizing electric power. The oxygen ratio in the deposition gas is 30% by volume or more, preferably 100% by volume.

スパッタリング用ターゲットの一例として、In−Ga−Zn−O化合物ターゲットについて以下に示す。 As an example of the sputtering target, an In—Ga—Zn—O compound target is described below.

InO粉末、GaO粉末およびZnO粉末を所定のmol数で混合し、加圧処理後、1000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−Ga−Zn−O化合物ターゲットとする。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここで、所定のmol数比は、例えば、InO粉末、GaO粉末およびZnO粉末が、2:2:1、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2である。なお、粉末の種類、およびその混合するmol数比は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。 In-Ga-Zn- which is polycrystalline by mixing InO X powder, GaO Y powder and ZnO Z powder in a predetermined number of moles, and after heat treatment at a temperature of 1000 ° C. to 1500 ° C. An O compound target is used. X, Y and Z are arbitrary positive numbers. Here, the predetermined mole number ratio is, for example, 2: 2: 1, 8: 4: 3, 3: 1: 1, 1: 1: 1, 4 for InO X powder, GaO Y powder, and ZnO Z powder. : 2: 3 or 3: 1: 2. Note that the type of powder and the mol number ratio to be mixed may be changed as appropriate depending on the sputtering target to be manufactured.

酸化物半導体膜403は、複数の酸化物半導体層が積層された構造でもよい。例えば、酸化物半導体膜403を、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の積層として、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第1の酸化物半導体層に三元系金属の酸化物を用い、第2の酸化物半導体層に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。 The oxide semiconductor film 403 may have a structure in which a plurality of oxide semiconductor layers are stacked. For example, the oxide semiconductor film 403 is formed as a stack of a first oxide semiconductor layer and a second oxide semiconductor layer, and metal oxides having different compositions are formed on the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer. You may use thing. For example, a ternary metal oxide may be used for the first oxide semiconductor layer, and a binary metal oxide may be used for the second oxide semiconductor layer. For example, both the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer may be ternary metal oxides.

また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。例えば、第1の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1とし、第2の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2としてもよい。また、第1の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2とし、第2の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=2:1:3としてもよい。 Alternatively, the constituent elements of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer may be the same, and the compositions of the elements may be different. For example, the atomic ratio of the first oxide semiconductor layer is In: Ga: Zn = 1: 1: 1, and the atomic ratio of the second oxide semiconductor layer is In: Ga: Zn = 3: 1: 2. It is good. The atomic ratio of the first oxide semiconductor layer is In: Ga: Zn = 1: 3: 2, and the atomic ratio of the second oxide semiconductor layer is In: Ga: Zn = 2: 1: 3. It is good.

この時、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層のうち、ゲート電極に近い側(チャネル側)の酸化物半導体層の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)の酸化物半導体層のInとGaの含有率をIn≦Gaとするとよい。 At this time, the In and Ga contents in the oxide semiconductor layer on the side close to the gate electrode (channel side) of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer may be In> Ga. The content ratio of In and Ga in the oxide semiconductor layer 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およ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の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層に、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、またはCAAC−OSを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層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、酸化物半導体膜403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 semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer. That is, a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an amorphous oxide semiconductor, or a CAAC-OS may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor is applied to at least one of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, internal stress and external stress of the oxide semiconductor film 403 are relieved, The variation in characteristics of the transistor is reduced, and the reliability of the transistor can be further improved.

一方で、非晶質酸化物半導体は水素など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層は、CAAC−OSなど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。 On the other hand, an amorphous oxide semiconductor easily absorbs an impurity serving as a donor such as hydrogen, and oxygen vacancies easily occur. Therefore, an oxide semiconductor having crystallinity such as CAAC-OS is preferably used for the oxide semiconductor layer on the channel side.

また、酸化物半導体膜403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層で非晶質酸化物半導体層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層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。 Alternatively, the oxide semiconductor film 403 may have a stacked structure of three or more layers, and a structure in which an amorphous oxide semiconductor layer is sandwiched between a plurality of crystalline oxide semiconductor layers. Alternatively, a structure in which an oxide semiconductor layer having crystallinity and an amorphous oxide semiconductor layer are alternately stacked may be employed.

また、酸化物半導体膜403を複数層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。 The above structures in the case where the oxide semiconductor film 403 has a stacked structure of a plurality of layers can be used in appropriate combination.

図2(A)乃至(F)にトランジスタ440aを有する半導体装置の作製方法の一例を示す。 2A to 2F illustrate an example of a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 440a.

まず、絶縁表面を有する基板400上に酸化物絶縁膜436を形成する。 First, the oxide insulating film 436 is formed over the substrate 400 having an insulating surface.

絶縁表面を有する基板400に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板400として用いてもよい。 There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate 400 having an insulating surface as long as it has heat resistance enough 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, The substrate 400 may be used.

また、基板400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、可撓性基板上に酸化物半導体膜403を含むトランジスタ440aを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体膜403を含むトランジスタ440aを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ440aと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 400. In order to manufacture a semiconductor device having flexibility, the transistor 440a including the oxide semiconductor film 403 may be directly formed over a flexible substrate, or the transistor including the oxide semiconductor film 403 over another manufacturing substrate. 440a may be manufactured and then peeled off and transferred to the flexible substrate. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor 440a including the oxide semiconductor film.

酸化物絶縁膜436としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、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、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。 The oxide insulating film 436 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like using silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, hafnium oxide, gallium oxide, or a mixed material thereof. .

酸化物絶縁膜436は、単層でも積層でもよい。例えば、基板400上に酸化シリコン膜、In−Hf−Zn系酸化物膜、酸化物半導体膜403を順に積層してもよいし、基板400上に酸化シリコン膜、In:Zr:Zn=1:1:1の原子数比のIn−Zr−Zn系酸化物膜、酸化物半導体膜403を順に積層してもよいし、基板400上に酸化シリコン膜、In:Gd:Zn=1:1:1の原子数比のIn−Gd−Zn系酸化物膜、酸化物半導体膜403を順に積層してもよい。 The oxide insulating film 436 may be a single layer or a stacked layer. For example, a silicon oxide film, an In—Hf—Zn-based oxide film, and an oxide semiconductor film 403 may be sequentially stacked over the substrate 400, or a silicon oxide film, In: Zr: Zn = 1: An In—Zr—Zn-based oxide film and an oxide semiconductor film 403 with an atomic ratio of 1: 1 may be stacked in this order, or a silicon oxide film, In: Gd: Zn = 1: 1: over the substrate 400. Alternatively, an In—Gd—Zn-based oxide film and an oxide semiconductor film 403 with an atomic ratio of 1 may be stacked in this order.

本実施の形態では酸化物絶縁膜436としてスパッタリング法を用いて形成する酸化シリコン膜を用いる。 In this embodiment, a silicon oxide film formed by a sputtering method is used as the oxide insulating film 436.

また、酸化物絶縁膜436と基板400との間に窒化物絶縁膜を設けてもよい。窒化物絶縁膜は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。 Further, a nitride insulating film may be provided between the oxide insulating film 436 and the substrate 400. The nitride insulating film can be formed using silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

酸化物絶縁膜436は、酸化物半導体膜403と接するため、膜中(バルク中)に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化物絶縁膜436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。このような酸化物絶縁膜436を用いることで、酸化物半導体膜403に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体膜403へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。 Since the oxide insulating film 436 is in contact with the oxide semiconductor film 403, it is preferable that oxygen in the film (in the bulk) be present in an amount exceeding at least the stoichiometric composition. For example, in the case where a silicon oxide film is used as the oxide insulating film 436, SiO 2 + α (where α> 0) is set. By using such an oxide insulating film 436, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 403, which can improve characteristics. By supplying oxygen to the oxide semiconductor film 403, oxygen vacancies in the film can be filled.

例えば、酸素の供給源となる酸素を多く(過剰に)含む酸化物絶縁膜436を酸化物半導体膜403と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜436から酸化物半導体膜403へ酸素を供給することができる。酸化物半導体膜403及び酸化物絶縁膜436を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜403への酸素の供給を行ってもよい。 For example, by providing the oxide insulating film 436 containing a large amount (excessive) of oxygen which is an oxygen supply source in contact with the oxide semiconductor film 403, oxygen is supplied from the oxide insulating film 436 to the oxide semiconductor film 403. can do. Oxygen may be supplied to the oxide semiconductor film 403 by performing heat treatment with at least part of the oxide semiconductor film 403 and the oxide insulating film 436 being in contact with each other.

酸化物絶縁膜436において酸化物半導体膜403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(Chemical Mechanical Polishing:CMP))、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 semiconductor film 403 is in contact with the oxide insulating film 436. The planarization treatment is not particularly limited, and polishing treatment (for example, chemical mechanical polishing (CMP)), dry etching treatment, or plasma treatment can be used.

プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、酸化物絶縁膜436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. By performing reverse sputtering, powdery substances (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the oxide insulating film 436 can be removed.

平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、酸化物絶縁膜436表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。 As the planarization treatment, the polishing treatment, the dry etching treatment, and the plasma treatment may be performed a plurality of times or in combination. In the case where the steps are performed in combination, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the unevenness state of the surface of the oxide insulating film 436.

平坦化処理は、例えば、酸化物絶縁膜436として用いる酸化シリコン膜表面に化学的機械研磨法により研磨処理(研磨条件:ポリウレタン系研磨布、シリカ系スラリー、スラリー温度室温、研磨圧0.001MPa、研磨時回転数(テーブル/スピンドル)60rpm/56rpm、研磨時間0.5分)を行い、酸化シリコン膜表面における平均面粗さ(Ra)を約0.15nmとすればよい。 For example, the surface of the silicon oxide film used as the oxide insulating film 436 is polished by a chemical mechanical polishing method (polishing conditions: polyurethane-based polishing cloth, silica-based slurry, slurry temperature room temperature, polishing pressure 0.001 MPa, The number of rotations during polishing (table / spindle) is 60 rpm / 56 rpm and the polishing time is 0.5 minutes, and the average surface roughness (Ra) on the silicon oxide film surface may be about 0.15 nm.

次に、酸化物絶縁膜436上に酸化物半導体膜403を形成する。 Next, the oxide semiconductor film 403 is formed over the oxide insulating film 436.

酸化物半導体膜403の形成工程において、酸化物半導体膜403に水素、又は水がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜403の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で酸化物絶縁膜436が形成された基板を予備加熱し、基板及び酸化物絶縁膜436に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。 In the formation process of the oxide semiconductor film 403, in order to prevent hydrogen or water from being contained in the oxide semiconductor film 403 as much as possible, as a pretreatment for forming the oxide semiconductor film 403, a preheating chamber of a sputtering apparatus is used. The substrate over which the oxide insulating film 436 is formed is preferably preheated, and impurities such as hydrogen and moisture adsorbed on the substrate and the oxide insulating film 436 are released and exhausted. Note that a cryopump is preferable as an exhaustion unit provided in the preheating chamber.

また、酸化物絶縁膜436を水素(水や水酸基を含む)などの不純物が低減され、かつ酸素過剰な状態とするために、酸化物絶縁膜436に水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための加熱処理(脱水化または脱水素化処理)及び/又は酸素ドープ処理を行ってもよい。脱水化または脱水素化処理と、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 from the oxide insulating film 436 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 for dehydration or dehydrogenation may be performed. The dehydration or dehydrogenation treatment and the oxygen doping treatment may be performed a plurality of times, or both may be performed repeatedly.

酸化物半導体膜403は成膜直後において、化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体膜403を成膜する場合、成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件で成膜することが好ましく、特に酸素雰囲気(酸素ガス100%)で成膜を行うことが好ましい。成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件、特に酸素ガス100%の雰囲気で成膜すると、例えば成膜温度を300℃以上としても、膜中からのZnの放出が抑えられる。 The oxide semiconductor film 403 is preferably in a supersaturated state with more oxygen than the stoichiometric composition immediately after the formation. For example, in the case where the oxide semiconductor film 403 is formed by a sputtering method, the film formation is preferably performed under a condition where the proportion of oxygen in the film formation gas is large, particularly in an oxygen atmosphere (oxygen gas 100%). Preferably it is done. When the film is formed in a condition where the proportion of oxygen in the film forming gas is large, particularly in an atmosphere containing 100% oxygen gas, the release of Zn from the film can be suppressed even when the film forming temperature is set to 300 ° C. or higher.

また、十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とするため、酸化物半導体膜403と接する絶縁膜(酸化物半導体膜403を包みこむように設けられる複数の絶縁膜)は、過剰酸素を含む絶縁膜とすることが好ましい。 In addition, since sufficient oxygen is supplied so that oxygen is in a supersaturated state, the insulating film in contact with the oxide semiconductor film 403 (a plurality of insulating films provided so as to surround the oxide semiconductor film 403) contains excess oxygen. An insulating film is preferable.

なお、本実施の形態において、酸化物半導体膜403を、スパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、組成として、In:Ga:Zn=3:1:2[原子百分率]の酸化物ターゲットを用い、In−Ga−Zn系酸化物膜(IGZO膜)を成膜する。 Note that in this embodiment, as a target for forming the oxide semiconductor film 403 by a sputtering method, an oxide target of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 [atomic percentage] is used as a composition. An In—Ga—Zn-based oxide film (IGZO film) is formed.

また、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%以下である。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、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。 The relative density (filling rate) of the metal oxide target is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. By using a metal oxide target having a high relative density, the formed oxide semiconductor film can be a dense film.

酸化物半導体膜403を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。 As a sputtering gas used for forming the oxide semiconductor film 403, a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed is preferably used.

減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、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、上記ターゲットを用いて基板400上に酸化物半導体膜403を成膜する。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、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜403に含まれる不純物の濃度を低減できる。 The substrate is held in a film formation chamber held in a reduced pressure state. Then, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is introduced while moisture remaining in the deposition chamber is removed, and the oxide semiconductor film 403 is formed over the substrate 400 using the above target. 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, the exhaust means may be a turbo molecular pump provided with a cold trap. In the film formation chamber evacuated using a cryopump, for example, a compound containing a hydrogen atom (more preferably a compound containing a carbon atom) such as a hydrogen atom or water (H 2 O) is exhausted. The concentration of impurities contained in the oxide semiconductor film 403 formed in the chamber can be reduced.

また、酸化物絶縁膜436と酸化物半導体膜403とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。酸化物絶縁膜436と酸化物半導体膜403とを大気に曝露せずに連続して形成すると、酸化物絶縁膜436表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。 The oxide insulating film 436 and the oxide semiconductor film 403 are preferably formed successively without being released to the atmosphere. When the oxide insulating film 436 and the oxide semiconductor film 403 are formed successively without being exposed to the air, adsorption of impurities such as hydrogen and moisture to the surface of the oxide insulating film 436 can be prevented.

酸化物半導体膜403は、膜状の酸化物半導体膜をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜に加工して形成することができる。 The oxide semiconductor film 403 can be formed by processing a film-shaped oxide semiconductor film into an island-shaped oxide semiconductor film by a photolithography process.

また、島状の酸化物半導体膜403を形成するためのレジストマスクを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、製造コストを低減できる。 Further, a resist mask for forming the island-shaped oxide semiconductor film 403 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.

なお、酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ITO−07N(関東化学社製)を用いてもよい。また、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法によるドライエッチングによってエッチング加工してもよい。例えば、IGZO膜をICPエッチング法により、エッチング(エッチング条件:エッチングガス(BCl:Cl=60sccm:20sccm)、電源電力450W、バイアス電力100W、圧力1.9Pa)し、島状に加工することができる。 Note that the etching of the oxide semiconductor film may be dry etching or wet etching, or both of them may be used. For example, as an etchant used for wet etching of the oxide semiconductor film, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, or the like can be used. Moreover, ITO-07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) may be used. Alternatively, etching may be performed by dry etching using an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method. For example, an IGZO film is etched by ICP etching (etching conditions: etching gas (BCl 3 : Cl 2 = 60 sccm: 20 sccm), power supply power 450 W, bias power 100 W, pressure 1.9 Pa) and processed into an island shape. Can do.

酸化物半導体膜403において、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタ440aの製造工程において、これらの不純物が混入または酸化物半導体膜403表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体膜403表面に付着した場合には、シュウ酸や希フッ酸などに曝す、またはプラズマ処理(NOプラズマ処理など)を行うことにより、酸化物半導体膜403表面の不純物を除去することが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜403の銅濃度は1×1018atoms/cm以下、好ましくは1×1017atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体膜403のアルミニウム濃度は1×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体膜403の塩素濃度は2×1018atoms/cm以下とする。 The oxide semiconductor film 403 is preferably highly purified so as not to contain impurities such as copper, aluminum, and chlorine. In the manufacturing process of the transistor 440a, it is preferable to select as appropriate a process in which these impurities are not mixed or attached to the surface of the oxide semiconductor film 403. It is preferable to remove impurities on the surface of the oxide semiconductor film 403 by exposure to dilute hydrofluoric acid or the like or plasma treatment (N 2 O plasma treatment or the like). Specifically, the copper concentration of the oxide semiconductor film 403 is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The aluminum concentration of the oxide semiconductor film 403 is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less. The chlorine concentration of the oxide semiconductor film 403 is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体膜403に、過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜403に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を行う。 The oxide semiconductor film 403 may be subjected to heat treatment for removing excess hydrogen (including water and a hydroxyl group) (dehydration or dehydrogenation). The temperature of the heat treatment is 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or lower than the strain point of the substrate. The heat treatment can be performed under reduced pressure or a nitrogen atmosphere. For example, a substrate is introduced into an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses, and the oxide semiconductor film 403 is subjected to heat treatment at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、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、高圧水銀ランプなど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。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。 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, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device 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. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the high-temperature gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

例えば、加熱処理として、650℃〜700℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。 For example, as the heat treatment, GRTA may be performed in which the substrate is placed in an inert gas heated to a high temperature of 650 ° C. to 700 ° C., heated for several minutes, and then the substrate is taken out of the inert gas.

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

また、加熱処理で酸化物半導体膜403を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、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。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜403を高純度化及び電気的にI型(真性)化することができる。 In addition, after heating the oxide semiconductor film 403 by heat treatment, a dew point of high-purity oxygen gas, high-purity dinitrogen monoxide gas, or ultra-dry air (CRDS (cavity ring-down laser spectroscopy) method) is supplied to the same furnace. The amount of water when measured using a meter may be 20 ppm (-55 ° C. in terms of dew point) or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. It is preferable that water, hydrogen, and the like are not contained in the oxygen gas or the dinitrogen monoxide gas. Alternatively, the purity of the oxygen gas or nitrous oxide introduced into the heat treatment apparatus is 6N or more, preferably 7N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas or nitrous oxide is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less. ) Is preferable. Oxygen is supplied by supplying oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, which has been reduced by the process of removing impurities by dehydration or dehydrogenation treatment by the action of oxygen gas or dinitrogen monoxide gas. The physical semiconductor film 403 can be highly purified and electrically i-type (intrinsic).

なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理を行うタイミングは、膜状の酸化物半導体膜形成後でも、島状の酸化物半導体膜403形成後でもよい。 Note that the timing for performing the heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be after the formation of the film-shaped oxide semiconductor film or after the formation of the island-shaped oxide semiconductor film 403.

また、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。 Further, the heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed a plurality of times or may be combined with other heat treatments.

脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、酸化物半導体膜403として島状に加工される前、膜状の酸化物半導体膜が酸化物絶縁膜436を覆った状態で行うと、酸化物絶縁膜436に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。 When heat treatment for dehydration or dehydrogenation is performed in a state where the film-shaped oxide semiconductor film covers the oxide insulating film 436 before being processed into an island shape as the oxide semiconductor film 403, an oxide is formed. This is preferable because oxygen contained in the insulating film 436 can be prevented from being released by heat treatment.

酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。特に、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。 In the oxide semiconductor film, oxygen vacancies exist at locations where oxygen is released, and donor levels that cause fluctuations in electrical characteristics of the transistor are generated due to the oxygen vacancies. In particular, oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, may be simultaneously desorbed and reduced by dehydration or dehydrogenation treatment.

よって、脱水化又は脱水素化処理を行った場合、酸化物半導体膜403に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜403へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。 Therefore, oxygen is preferably supplied to the oxide semiconductor film 403 when dehydration or dehydrogenation treatment is performed. By supplying oxygen to the oxide semiconductor film 403, oxygen vacancies in the film can be filled.

従って、酸化物半導体膜403への酸素の導入工程の前に脱水化又は脱水素化処理を行っておくことが好ましい。 Therefore, dehydration or dehydrogenation treatment is preferably performed before the step of introducing oxygen into the oxide semiconductor film 403.

また、酸素の供給源となる酸素を多く(過剰に)含む酸化物絶縁膜を酸化物半導体膜403と接して設けることによって、該酸化物絶縁膜から酸化物半導体膜403へ酸素を供給することができる。上記構成において、脱水化又は脱水素化処理として加熱処理を行った酸化物半導体膜403及び酸化物絶縁膜を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体膜への酸素の供給を行ってもよい。 In addition, by providing an oxide insulating film containing a large amount (excessive) of oxygen which serves as an oxygen supply source in contact with the oxide semiconductor film 403, oxygen is supplied from the oxide insulating film to the oxide semiconductor film 403. Can do. In the above structure, oxygen treatment of the oxide semiconductor film is performed by performing heat treatment in a state where at least part of the oxide semiconductor film 403 and the oxide insulating film subjected to heat treatment as dehydration or dehydrogenation treatment are in contact with each other. Supply may be performed.

また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜403に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオンのいずれかを含む)を導入する酸素ドープ処理を行い、膜中に酸素を供給してもよい。酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する「酸素プラズマドープ」が含まれる。 In addition, any of oxygen (at least oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions) is added to the oxide semiconductor film 403 subjected to dehydration or dehydrogenation treatment. Oxygen doping treatment may be performed to introduce oxygen into the film. The oxygen dope includes “oxygen plasma dope” in which oxygen in plasma is added to a bulk.

酸素ドープ処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素ドープ処理において、希ガスを用いてもよい。 A gas containing oxygen can be used for the oxygen doping treatment. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, a rare gas may be used in the oxygen doping process.

ドープされる酸素(酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオン)は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。また、イオン注入法にはガスクラスタイオンビームを用いてもよい。酸素のドープ処理は、全面を一度に行ってもよいし、線状のイオンビーム等を用いて移動(スキャン)させ行ってもよい。 Doped oxygen (oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions) is ion implantation, ion doping, plasma immersion ion implantation, plasma treatment. Etc. can be used. A gas cluster ion beam may be used for the ion implantation method. The oxygen doping treatment may be performed on the entire surface at once, or may be performed by moving (scanning) using a linear ion beam or the like.

酸素ドープ処理は、例えば、イオン注入法で酸素イオンの注入を行う場合、ドーズ量を1×1013ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすればよい。 In the oxygen doping treatment, for example, when oxygen ions are implanted by an ion implantation method, the dose may be set to 1 × 10 13 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less.

酸化物半導体膜403は水素などの不純物が十分に除去されることにより、または、十分な酸素が供給されて酸素が過飽和の状態とされることにより、高純度化されたものであることが望ましい。具体的には、酸化物半導体膜403の水素濃度は5×1019atoms/cm以下、望ましくは5×1018atoms/cm以下、より望ましくは5×1017atoms/cm以下とする。なお、上述の酸化物半導体膜403中の水素濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定されるものである。 The oxide semiconductor film 403 is preferably highly purified by sufficiently removing impurities such as hydrogen or by being supplied with sufficient oxygen to be in a supersaturated state. . Specifically, the hydrogen concentration of the oxide semiconductor film 403 is 5 × 10 19 atoms / cm 3 or lower, preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or lower, more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or lower. . Note that the hydrogen concentration in the oxide semiconductor film 403 is measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

また、酸化物半導体膜403と接する絶縁膜(酸化物絶縁膜436、ゲート絶縁膜402、絶縁膜407(図4におけるトランジスタ440b乃至440e参照))も水素などの不純物が十分に除去されることが好ましい。具体的には酸化物半導体膜403と接する絶縁膜の水素濃度は、7.2×1020atoms/cm未満とすることが好ましい。 In addition, the insulating film in contact with the oxide semiconductor film 403 (the oxide insulating film 436, the gate insulating film 402, and the insulating film 407 (see the transistors 440b to 440e in FIG. 4)) can sufficiently remove impurities such as hydrogen. preferable. Specifically, the hydrogen concentration of the insulating film in contact with the oxide semiconductor film 403 is preferably less than 7.2 × 10 20 atoms / cm 3 .

水素若しくは水分を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりI型(真性)の酸化物半導体、又はI型(真性)に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位(Ef)を真性フェルミ準位(Ei)と同じレベルにまですることができる。よって、該酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Vthのばらつき、しきい値電圧のシフトΔVthを低減することができる。 Hydrogen or moisture is removed from the oxide semiconductor, purified so as not to contain impurities as much as possible, and supplied with oxygen to fill oxygen vacancies, thereby providing an I-type (intrinsic) oxide semiconductor or an I-type (intrinsic) ) Can be an oxide semiconductor close to the limit. By doing so, the Fermi level (Ef) of the oxide semiconductor can be brought to the same level as the intrinsic Fermi level (Ei). Therefore, when the oxide semiconductor film is used for a transistor, variation in threshold voltage Vth of the transistor due to oxygen vacancies and threshold voltage shift ΔVth can be reduced.

次いで、酸化物半導体膜403を覆う絶縁膜442を形成する。 Next, an insulating film 442 which covers the oxide semiconductor film 403 is formed.

なお、絶縁膜442の被覆性を向上させるために、酸化物半導体膜403表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特に絶縁膜442として膜厚の薄い絶縁膜を用いる場合、酸化物半導体膜403表面の平坦性が良好であることが好ましい。 Note that the planarization treatment may be performed on the surface of the oxide semiconductor film 403 in order to improve the coverage with the insulating film 442. In particular, when a thin insulating film is used as the insulating film 442, the surface of the oxide semiconductor film 403 is preferably flat.

絶縁膜442の膜厚は、1nm以上20nm以下とし、スパッタリング法、MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いることができる。また、絶縁膜442は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。 The thickness of the insulating film 442 is 1 nm to 20 nm, and a sputtering method, an MBE method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD method, or the like can be used as appropriate. Alternatively, the insulating film 442 may be formed using a sputtering apparatus which performs film formation with a plurality of substrate surfaces set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target.

絶縁膜442の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。絶縁膜442は、酸化物半導体膜403と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、絶縁膜442は、膜中(バルク中)に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、絶縁膜442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。本実施の形態では、絶縁膜442として、SiO2+α(ただし、α>0)である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜を絶縁膜442として用いることで、酸化物半導体膜403に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。さらに、絶縁膜442は、作製するトランジスタのサイズや絶縁膜442の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。 As a material of the insulating film 442, a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a silicon nitride oxide film can be used. The insulating film 442 preferably contains oxygen in a portion in contact with the oxide semiconductor film 403. In particular, the insulating film 442 preferably has oxygen in the film (in the bulk) in an amount exceeding at least the stoichiometric composition. For example, when a silicon oxide film is used as the insulating film 442, SiO 2 + α (Where α> 0). In this embodiment, as the insulating film 442, a silicon oxide film with SiO 2 + α (α> 0) is used. By using this silicon oxide film as the insulating film 442, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 403, whereby characteristics can be improved. Further, the insulating film 442 is preferably formed in consideration of the size of a transistor to be manufactured and the step coverage of the insulating film 442.

また、絶縁膜442の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiO(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))、酸化ランタンなどのhigh−k材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、絶縁膜442は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。 Further, as the material of the insulating film 442, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSiO x N y (x> 0, y) > 0)), hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)), and high-k materials such as lanthanum oxide can be used to reduce gate leakage current. Further, the insulating film 442 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、絶縁膜442を水素(水や水酸基を含む)などの不純物が低減され、かつ酸素過剰な状態とするために、絶縁膜442に水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための加熱処理(脱水化または脱水素化処理)及び/又は酸素ドープ処理を行ってもよい。脱水化または脱水素化処理と、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, in order to reduce impurities such as hydrogen (including water and hydroxyl groups) and to be in an oxygen-excess state in the insulating film 442, hydrogen (including water and hydroxyl groups) is removed from the insulating film 442 (dehydration or dehydration). 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 performed repeatedly.

本実施の形態では、絶縁膜442に、200℃以上400℃以下で加熱しながらマイクロ波を用いた酸素プラズマ処理を行う。該処理によって、絶縁膜442は高密度化し、絶縁膜442の脱水化または脱水素化処理、酸素ドープ処理を行うことができる。 In this embodiment, oxygen plasma treatment using a microwave is performed on the insulating film 442 while heating at 200 ° C. to 400 ° C. By this treatment, the insulating film 442 has a high density, and the insulating film 442 can be subjected to dehydration or dehydrogenation treatment and oxygen doping treatment.

次に絶縁膜442上に導電膜及び絶縁膜の積層を形成し、該導電膜及び該絶縁膜をエッチングして、ゲート電極層401及び絶縁膜413の積層を形成する。絶縁膜413をマスクとして、導電膜をエッチングし、ゲート電極層401を形成するこができる。 Next, a stack of a conductive film and an insulating film is formed over the insulating film 442, and the conductive film and the insulating film are etched to form a stack of the gate electrode layer 401 and the insulating film 413. The conductive film can be etched using the insulating film 413 as a mask to form the gate electrode layer 401.

ゲート電極層401の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層401としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層401は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。 The material of the gate electrode layer 401 can be formed using 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. As the gate electrode layer 401, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus, or a silicide film such as nickel silicide may be used. The gate electrode layer 401 may have a single-layer structure or a stacked structure.

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

また、絶縁膜442と接するゲート電極層401の一層として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気的特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。 Further, as one layer of the gate electrode layer 401 in contact with the insulating film 442, a metal oxide containing nitrogen, specifically, an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, In—Ga—O film containing nitrogen, In—Zn—O film containing nitrogen, Sn—O film containing nitrogen, In—O film containing nitrogen, metal nitride film (InN, SnN, etc.) Can be used. These films have a work function of 5 eV (electron volt), preferably 5.5 eV (electron volt) or more, and when used as a gate electrode layer, the threshold voltage of the electrical characteristics of the transistor is made positive. Thus, a so-called normally-off switching element can be realized.

絶縁膜413は、代表的には窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜413は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。 The insulating film 413 is typically an inorganic insulating film such as a silicon nitride film, an aluminum nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride oxide film, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, or an aluminum oxynitride film. Can be used. The insulating film 413 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

絶縁膜413として、金属膜(代表的にはアルミニウム膜)を形成し、金属膜に酸素ドープ処理を行うことによって形成する金属酸化膜(代表的には酸化アルミニウム膜)を用いることができる。本実施の形態では、絶縁膜413として、アルミニウム膜を形成し、該アルミニウム膜に酸素ドープ処理を行うことによって形成される酸化アルミニウム膜を用いる。 As the insulating film 413, a metal oxide film (typically an aluminum oxide film) formed by forming a metal film (typically an aluminum film) and performing oxygen doping treatment on the metal film can be used. In this embodiment, as the insulating film 413, an aluminum oxide film formed by forming an aluminum film and performing oxygen doping treatment on the aluminum film is used.

次に、ゲート電極層401及び絶縁膜413をマスクとして酸化物半導体膜403にドーパントを導入し、低抵抗領域404a、404bを形成する(図2(A)参照)。 Next, dopant is introduced into the oxide semiconductor film 403 using the gate electrode layer 401 and the insulating film 413 as masks, so that low-resistance regions 404a and 404b are formed (see FIG. 2A).

ドーパントは、酸化物半導体膜403の導電率を変化させる不純物元素である。ドーパントとしては、15族元素(代表的にはリン(P)、砒素(As)、およびアンチモン(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)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、フッ素(F)、塩素(Cl)、チタン(Ti)、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。 The dopant is an impurity element that changes the conductivity of the oxide semiconductor film 403. As dopants, group 15 elements (typically phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb)), boron (B), aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), nitrogen (N), argon (Ar), helium (He), neon (Ne), indium (In), gallium (Ga), fluorine (F), chlorine (Cl), titanium (Ti), and zinc (Zn) One or more selected from either can be used.

ドーパントは、注入法により、他の膜(例えば絶縁膜442)を通過して、酸化物半導体膜403に導入することもできる。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。その際には、ドーパントの単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。 The dopant can be introduced into the oxide semiconductor film 403 through another film (eg, the insulating film 442) by an implantation method. As a method for introducing the dopant, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like can be used. In that case, it is preferable to use a single ion of a dopant, or a fluoride or chloride ion.

ドーパントの導入工程は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる膜の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパントとしてリンを用いて、イオン注入法でリンイオンの注入を行う。なお、ドーパントのドーズ量は1×1013ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすればよい。 The dopant introduction step may be controlled by appropriately setting the implantation conditions such as the acceleration voltage and the dose, and the thickness of the film to be passed. In this embodiment, phosphorus ions are implanted by an ion implantation method using phosphorus as a dopant. Note that the dose amount of the dopant may be 1 × 10 13 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less.

低抵抗領域におけるドーパントの濃度は、5×1018/cm以上1×1022/cm以下であることが好ましい。 The concentration of the dopant in the low resistance region is preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less.

ドーパントを導入する際に、基板400を加熱しながら行ってもよい。 When introducing the dopant, the substrate 400 may be heated.

なお、酸化物半導体膜403にドーパントを導入する処理は、複数回行ってもよく、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。 Note that the treatment for introducing the dopant into the oxide semiconductor film 403 may be performed a plurality of times, and a plurality of types of dopant may be used.

また、ドーパントの導入処理後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、温度300℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下で1時間、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気(超乾燥エア)下で加熱処理を行ってもよい。 Further, a heat treatment may be performed after the dopant introduction treatment. As heating conditions, it is preferable that the temperature is 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower for 1 hour in an oxygen atmosphere. Further, the heat treatment may be performed under a nitrogen atmosphere, reduced pressure, or air (ultra-dry air).

本実施の形態では、イオン注入法により酸化物半導体膜403に、リン(P)イオンを注入する。なお、リン(P)イオンの注入条件は加速電圧30kV、ドーズ量を1.0×1015ions/cmとする。 In this embodiment, phosphorus (P) ions are implanted into the oxide semiconductor film 403 by an ion implantation method. The phosphorus (P) ion implantation conditions are an acceleration voltage of 30 kV and a dose of 1.0 × 10 15 ions / cm 2 .

酸化物半導体膜403をCAAC−OS膜とした場合、ドーパントの導入により、一部非晶質化する場合がある。 In the case where the oxide semiconductor film 403 is a CAAC-OS film, the oxide semiconductor film 403 may be partially amorphized by introduction of a dopant.

よって、チャネル形成領域409を挟んで低抵抗領域404a、404bが設けられた酸化物半導体膜403が形成される。 Thus, the oxide semiconductor film 403 provided with the low resistance regions 404a and 404b with the channel formation region 409 interposed therebetween is formed.

次に第1の側壁絶縁層411a、411bを形成し、第1の側壁絶縁層411a、411b、絶縁膜413、及びゲート電極層401をマスクとして絶縁膜442をエッチングし、ゲート絶縁膜402を形成する(図2(B)参照)。 Next, first sidewall insulating layers 411a and 411b are formed, and the insulating film 442 is etched using the first sidewall insulating layers 411a and 411b, the insulating film 413, and the gate electrode layer 401 as a mask to form the gate insulating film 402. (See FIG. 2B).

第1の側壁絶縁層411a、411bは、図3(A)に示すように絶縁膜444を形成し、該絶縁膜444をエッチング(異方性エッチング)して形成することができる。 The first sidewall insulating layers 411a and 411b can be formed by forming an insulating film 444 and etching (anisotropic etching) the insulating film 444 as shown in FIG.

第1の側壁絶縁層411a、411bは酸素過剰領域を有することが好ましい。 The first sidewall insulating layers 411a and 411b preferably have an oxygen excess region.

第1の側壁絶縁層411a、411bに含まれる酸素過剰領域は、第1の側壁絶縁層411a、411b、又は/及びエッチング前の絶縁膜444に酸素ドープ処理(酸素導入処理)を行うことで形成することができる。図3(A)に絶縁膜444に酸素431aをドープして、酸素過剰領域を設ける例を示す。また、図3(B)に第1の側壁絶縁層411a、411bに酸素431bをドープして、酸素過剰領域を設ける例を示す。酸素ドープ処理は、エッチング前の絶縁膜444、エッチング後の第1の側壁絶縁層411a、411bどちらか一方の状態に行ってもよいし、どちらの状態も両方行ってもよい。 The oxygen excess region included in the first sidewall insulating layers 411a and 411b is formed by performing oxygen doping treatment (oxygen introduction treatment) on the first sidewall insulating layers 411a and 411b and / or the insulating film 444 before etching. can do. FIG. 3A shows an example in which the insulating film 444 is doped with oxygen 431a to provide an oxygen-excess region. FIG. 3B shows an example in which the first sidewall insulating layers 411a and 411b are doped with oxygen 431b to provide an oxygen-excess region. The oxygen doping treatment may be performed in one state of the insulating film 444 before etching and the first sidewall insulating layers 411a and 411b after etching, or both of the states may be performed.

酸素ドープ処理によって、第1の側壁絶縁層411a、411b、又は/及びエッチング前の絶縁膜444において、少なくとも1ヶ所以上、該第1の側壁絶縁層411a、411b、又は/及びエッチング前の絶縁膜444の化学量論的組成を超える酸素が存在する酸素過剰領域を設けることができる。また、該酸素ドープ処理において、第1の側壁絶縁層411a、411b、又は/及びエッチング前の絶縁膜444下に設けられたゲート絶縁膜402及び酸化物半導体膜403にも酸素を供給することもできる。 In the first sidewall insulating layers 411a, 411b, and / or the insulating film 444 before etching, at least one or more places in the first sidewall insulating layers 411a, 411b, and / or the insulating film before etching by oxygen doping treatment. An oxygen-excess region can be provided in which there is more than 444 stoichiometric oxygen. In the oxygen doping treatment, oxygen may also be supplied to the first sidewall insulating layers 411a and 411b and / or the gate insulating film 402 and the oxide semiconductor film 403 provided under the insulating film 444 before etching. it can.

第1の側壁絶縁層411a、411b(絶縁膜444)は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができ、単層でも積層でもよい。第1の側壁絶縁層411a、411b(絶縁膜444)は、プラズマCVD法又はスパッタリング法、又は成膜ガスを用いたCVD法を用いることができる。CVD法としては、LPCVD法、プラズマCVD法などを用いることができ、また他の方法としては、塗布膜なども用いることができる。 The first sidewall insulating layers 411a and 411b (insulating film 444) are typically a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, an aluminum oxynitride film, a silicon nitride film, an aluminum nitride film, and a silicon nitride oxide film. An inorganic insulating film such as an aluminum nitride oxide film can be used and may be a single layer or a stacked layer. The first sidewall insulating layers 411a and 411b (the insulating film 444) can be formed using a plasma CVD method, a sputtering method, or a CVD method using a deposition gas. As the CVD method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like can be used. As another method, a coating film or the like can also be used.

本実施の形態では、第1の側壁絶縁層411a、411b(絶縁膜444)として、プラズマCVD法により形成した酸化窒化シリコン膜を用いる。 In this embodiment, a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method is used as the first sidewall insulating layers 411a and 411b (insulating film 444).

酸化物半導体膜403、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層401、第1の側壁絶縁層411a、411b、及び絶縁膜413上に、第1の側壁絶縁層411a、411bより酸素透過性が低く、緻密性の高い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)として絶縁膜443を設ける(図2(C)参照)。 Over the oxide semiconductor film 403, the gate insulating film 402, the gate electrode layer 401, the first sidewall insulating layers 411a and 411b, and the insulating film 413, the oxygen permeability is lower than that of the first sidewall insulating layers 411a and 411b and the dense structure An insulating film 443 is provided as an insulating film containing a highly metal element (typically, an aluminum oxide film) (see FIG. 2C).

絶縁膜443は、単層でも積層でもよいが、少なくとも第1の側壁絶縁層411a、411bより酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜を含む。 The insulating film 443 may be a single layer or a stacked layer, but includes an insulating film containing a metal element having oxygen permeability lower than that of the first sidewall insulating layers 411a and 411b.

酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜として、高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)の酸化アルミニウム膜を用いると、トランジスタ440aに安定な電気的特性を付与することができるため、より好ましい。また、酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜は、膜中(バルク中)に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化アルミニウム膜を用いる場合には、AlO(ただし、x>1.5)とすればよい。 When an aluminum oxide film having a high density (a film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more) is used as the insulating film containing a metal element with low oxygen permeability, a stable electrical property can be obtained in the transistor 440a. It is more preferable because it can impart a desired characteristic. In addition, the insulating film containing a metal element having low oxygen permeability preferably includes oxygen in the film (in the bulk) in an amount exceeding the stoichiometric composition. For example, when an aluminum oxide film is used, AlO x (where x> 1.5) may be set.

絶縁膜443として用いることのできる酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。 An aluminum oxide film that can be used as the insulating film 443 has a high blocking effect (blocking effect) that prevents both an impurity such as hydrogen and moisture and oxygen from passing through the film.

従って、絶縁膜443は、作製工程中及び作製後において、電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜403及び第1の側壁絶縁層411a、411bへの混入、及び酸素の酸化物半導体膜403及び第1の側壁絶縁層411a、411bからの放出を防止する保護膜として機能する。 Therefore, the insulating film 443 is mixed into the oxide semiconductor film 403 and the first sidewall insulating layers 411a and 411b with impurities such as hydrogen and moisture, which cause electric characteristics to change during and after the manufacturing process, and It functions as a protective film for preventing release of oxygen from the oxide semiconductor film 403 and the first sidewall insulating layers 411a and 411b.

絶縁膜443は、プラズマCVD法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。また、絶縁膜443として金属膜に酸化処理を行うことによって得られる金属酸化膜を用いてもよい。図3(C)に示すように、酸化物半導体膜403、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層401、第1の側壁絶縁層411a、411b、及び絶縁膜413上に金属膜446を形成する。図3(D)に示すように、金属膜446に酸素431cをドープすることによって酸化処理し、酸化物絶縁膜である絶縁膜443を形成することができる。 The insulating film 443 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, an evaporation method, or the like. Alternatively, a metal oxide film obtained by performing oxidation treatment on a metal film may be used as the insulating film 443. As illustrated in FIG. 3C, a metal film 446 is formed over the oxide semiconductor film 403, the gate insulating film 402, the gate electrode layer 401, the first sidewall insulating layers 411a and 411b, and the insulating film 413. As shown in FIG. 3D, the metal film 446 is oxidized by doping oxygen 431c, so that the insulating film 443 that is an oxide insulating film can be formed.

本実施の形態では、絶縁膜443として、アルミニウム膜に酸素ドープ処理を行うことによって得られる酸化アルミニウム膜を用いる。 In this embodiment, as the insulating film 443, an aluminum oxide film obtained by performing oxygen doping treatment on an aluminum film is used.

酸素431a、431b、431cには、少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素分子、オゾン、酸素イオン(酸素分子イオン)、及び/又は酸素クラスタイオンのいずれかが含まれている。 The oxygen 431a, 431b, and 431c contain at least any of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen molecules, ozone, oxygen ions (oxygen molecular ions), and / or oxygen cluster ions.

酸素431a、431b、431cの導入は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理等を用いることができる。なお、イオン注入法として、ガスクラスタイオンビームを用いてもよい。また、酸素431a、431b、431cの導入は、基板400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、基板又はイオンビームを相対的に移動(スキャン)させることで、膜全面に酸素431a、431b、431cを導入することができる。 For the introduction of oxygen 431a, 431b, and 431c, for example, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, a plasma treatment, or the like can be used. A gas cluster ion beam may be used as the ion implantation method. In addition, the introduction of oxygen 431a, 431b, and 431c may be performed on the entire surface of the substrate 400 at a time, or, for example, a linear ion beam may be used. In the case of using a linear ion beam, oxygen 431a, 431b, and 431c can be introduced to the entire surface of the film by relatively moving (scanning) the substrate or the ion beam.

酸素431a、431b、431cの供給ガスとしては、Oを含有するガスを用いればよく、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。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 a supply gas of the oxygen 431a, 431b, and 431c, a gas containing O may 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. Note that a rare gas (eg, Ar) may be included in the oxygen supply gas.

酸素ドープ処理後の処理膜中の酸素の含有量は、処理膜の化学量論的組成を超える程度とするのが好ましい。なお、このような化学量論的組成よりも酸素を過剰に含む領域は、処理膜の一部に存在していればよい。なお、酸素の注入深さは、注入条件により適宜制御すればよい。 The oxygen content in the treatment film after the oxygen doping treatment is preferably set to a level exceeding the stoichiometric composition of the treatment film. Note that the region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition may be present in part of the treatment film. Note that the depth of oxygen implantation may be appropriately controlled depending on the implantation conditions.

次に絶縁膜443上に、第3の側壁絶縁層414a、414bを形成する(図2(D)参照)。 Next, third sidewall insulating layers 414a and 414b are formed over the insulating film 443 (see FIG. 2D).

第3の側壁絶縁層414a、414bは、絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエッチング(異方性エッチング)して形成することができる。第3の側壁絶縁層414a、414bは第1の側壁絶縁層411a、411bと同様な材料及び方法で形成すればよい。 The third sidewall insulating layers 414a and 414b can be formed by forming an insulating film and etching the insulating film (anisotropic etching). The third sidewall insulating layers 414a and 414b may be formed using a material and a method similar to those of the first sidewall insulating layers 411a and 411b.

第3の側壁絶縁層414a、414bは、3層の側壁絶縁層が積層して構成される側壁絶縁層を、側壁絶縁層として機能できる程度に該膜厚や形状を調節することができる。 The thickness and shape of the third sidewall insulating layers 414a and 414b can be adjusted to such an extent that the sidewall insulating layer formed by stacking the three sidewall insulating layers can function as the sidewall insulating layer.

本実施の形態では、第3の側壁絶縁層414a、414bとして、プラズマCVD法により形成した酸化窒化シリコン膜を用いる。 In this embodiment, a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method is used as the third sidewall insulating layers 414a and 414b.

次に第3の側壁絶縁層414a、414bをマスクとして、絶縁膜443をエッチングし、第2の側壁絶縁層412a、412bを形成する(図2(E)参照)。 Next, the insulating film 443 is etched using the third sidewall insulating layers 414a and 414b as masks to form second sidewall insulating layers 412a and 412b (see FIG. 2E).

第2の側壁絶縁層412a、412bに用いることのできる酸化アルミニウム膜は、薄膜であっても(代表的には10nm以下、好ましくは5nm以下)上述のバリア膜としての高い効果を奏する。第2の側壁絶縁層412a、412bは、上に積層される第3の側壁絶縁層414a、414bをマスクとしてエッチングして形成されるので、第2の側壁絶縁層412a、412bが薄膜であると、該エッチング加工が容易であり、歩留まり及び生産性が向上する。よって、本実施の形態で示すように、第2の側壁絶縁層412a、412bとして薄膜であってもバリア性が高い酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。 Even if the aluminum oxide film that can be used for the second sidewall insulating layers 412a and 412b is a thin film (typically 10 nm or less, preferably 5 nm or less), the above-described barrier film is highly effective. Since the second side wall insulating layers 412a and 412b are formed by etching using the third side wall insulating layers 414a and 414b stacked thereon as a mask, the second side wall insulating layers 412a and 412b are thin films. The etching process is easy, and the yield and productivity are improved. Therefore, as described in this embodiment, it is preferable to use an aluminum oxide film with high barrier properties as the second sidewall insulating layers 412a and 412b even if they are thin films.

第2の側壁絶縁層412a、412b形成後、温度300℃以上500℃以下(例えば、400以上450℃以下)で熱処理を行ってもよい。該熱処理により、チャネル幅方向において、第1の側壁絶縁層411a、411bの酸素過剰領域に含まれる酸素を酸化物半導体膜403の端部に拡散し、酸化物半導体膜403の端部から進入させることができる。さらにゲート絶縁膜402中にも該酸素を拡散させ、酸化物半導体膜403とゲート絶縁膜402との界面を改質することができる。また、第1の側壁絶縁層411a、411bは酸化物半導体膜403のチャネル形成領域409の非常に近くに設けられているため、第1の側壁絶縁層411a、411bの該酸素は、チャネル形成領域409にも供給することができる。よって、第1の側壁絶縁層411a、411bに含まれる酸素を酸化物半導体膜403及びゲート絶縁膜402へ供給し、酸素欠損の補填を行うことができる。 After the second sidewall insulating layers 412a and 412b are formed, heat treatment may be performed at a temperature of 300 ° C. to 500 ° C. (eg, 400 to 450 ° C.). By the heat treatment, oxygen contained in the oxygen-excess regions of the first sidewall insulating layers 411a and 411b is diffused into the end portion of the oxide semiconductor film 403 in the channel width direction and enters from the end portion of the oxide semiconductor film 403. be able to. Further, the oxygen can be diffused into the gate insulating film 402 so that the interface between the oxide semiconductor film 403 and the gate insulating film 402 can be modified. Further, since the first sidewall insulating layers 411a and 411b are provided very close to the channel formation region 409 of the oxide semiconductor film 403, the oxygen in the first sidewall insulating layers 411a and 411b 409 can also be supplied. Therefore, oxygen contained in the first sidewall insulating layers 411a and 411b can be supplied to the oxide semiconductor film 403 and the gate insulating film 402 so that oxygen vacancies can be compensated.

絶縁膜413、及び第3の側壁絶縁層414a、414b上に層間絶縁膜415を形成する。層間絶縁膜415は、第3の側壁絶縁層414a、414bと同様な材料及び方法を用いて形成することができる。本実施の形態では、層間絶縁膜415はトランジスタ440aにより生じる凹凸を平坦化できる膜厚で形成する。層間絶縁膜415としては、CVD法により形成した酸化窒化シリコン膜、又はスパッタリング法により形成した酸化シリコン膜を用いることができる。 An interlayer insulating film 415 is formed over the insulating film 413 and the third sidewall insulating layers 414a and 414b. The interlayer insulating film 415 can be formed using a material and a method similar to those of the third sidewall insulating layers 414a and 414b. In this embodiment, the interlayer insulating film 415 is formed to a thickness that can planarize unevenness caused by the transistor 440a. As the interlayer insulating film 415, a silicon oxynitride film formed by a CVD method or a silicon oxide film formed by a sputtering method can be used.

また、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。 Further, a planarization insulating film may be formed in order to reduce surface unevenness due to the transistor. As the planarization insulating film, an organic material such as polyimide, acrylic, or benzocyclobutene resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. Note that the planarization insulating film may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials.

層間絶縁膜415に酸化物半導体膜403に達する開口を形成し、開口にソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成する。ソース電極層405a、ドレイン電極層405bを用いて他のトランジスタや素子と接続させ、様々な回路を構成することができる。 An opening reaching the oxide semiconductor film 403 is formed in the interlayer insulating film 415, and a source electrode layer 405a and a drain electrode layer 405b are formed in the opening. Various circuits can be formed by using the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b to be connected to another transistor or element.

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

例えば、ソース電極層405a、及びドレイン電極層405bとして、モリブデン膜の単層、窒化タンタル膜と銅膜との積層、又は窒化タンタル膜とタングステン膜との積層などを用いることができる。 For example, as the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b, a single layer of a molybdenum film, a stack of a tantalum nitride film and a copper film, a stack of a tantalum nitride film and a tungsten film, or the like can be used.

以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ440aを有する半導体装置を作製することができる(図2(F)参照)。 Through the above steps, a semiconductor device including the transistor 440a of this embodiment can be manufactured (see FIG. 2F).

図4(A)乃至(D)に、他の構成のトランジスタ440b、440c、440d、440eを示す。 4A to 4D illustrate transistors 440b, 440c, 440d, and 440e with other structures.

トランジスタ440bに示すように、ゲート電極層401上に、酸素過剰領域を含む酸化物絶縁膜416を設け、該酸化物絶縁膜416上に、第1の側壁絶縁層411a、411bより酸素透過性が低く、緻密性の高い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)を含む絶縁膜413を設ける構成としてもよい。該構成であると、ゲート電極層401と絶縁膜413との間に設けられた該酸化物絶縁膜416を酸化物半導体膜403、ゲート絶縁膜402、第1の側壁絶縁層411a、411bへの酸素供給源として機能させることができる。この場合、ゲート電極層401の上面及び側面を酸素供給源となる酸化物絶縁膜で覆う構成とすることができる。 As illustrated in the transistor 440b, an oxide insulating film 416 including an oxygen-excess region is provided over the gate electrode layer 401, and oxygen permeability is higher than that of the first sidewall insulating layers 411a and 411b over the oxide insulating film 416. A structure may be employed in which an insulating film 413 including a low-dense and dense metal element (typically, an aluminum oxide film) is included. With this structure, the oxide insulating film 416 provided between the gate electrode layer 401 and the insulating film 413 is transferred to the oxide semiconductor film 403, the gate insulating film 402, and the first sidewall insulating layers 411a and 411b. It can function as an oxygen supply source. In this case, the top and side surfaces of the gate electrode layer 401 can be covered with an oxide insulating film serving as an oxygen supply source.

トランジスタ上に、酸素の放出を防止するバリア膜(保護膜)を設けてもよい。 A barrier film (protective film) for preventing release of oxygen may be provided over the transistor.

トランジスタ440c乃至440eでは、バリア膜として絶縁膜407を設けている。バリア膜としては、酸化アルミニウム膜を含む膜を好適に用いることができる。また、バリア膜として酸化アルミニウム膜の下、又は上に、酸化チタン膜、酸化ニッケル膜、酸化モリブデン膜、又は酸化タングステン膜を積層した積層膜を設けてもよい。 In the transistors 440c to 440e, the insulating film 407 is provided as a barrier film. As the barrier film, a film including an aluminum oxide film can be preferably used. Further, a stacked film in which a titanium oxide film, a nickel oxide film, a molybdenum oxide film, or a tungsten oxide film is stacked may be provided below or on the aluminum oxide film as the barrier film.

なお、バリア膜として機能する絶縁膜407として用いる酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)とすると、トランジスタ440aに安定な電気的特性を付与することができるため、好ましい。このような高密度な酸化アルミニウム膜は、第2の側壁絶縁層412a、412b、絶縁膜413としても好適に用いることができる。 Note that when the aluminum oxide film used as the insulating film 407 functioning as a barrier film has a high density (a film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more), the transistor 440a has stable electrical characteristics. Is preferable. Such a high-density aluminum oxide film can be preferably used as the second sidewall insulating layers 412a and 412b and the insulating film 413.

トランジスタ440c乃至440eは、トランジスタ440c乃至440e上に酸素放出を防止するバリア膜として機能する絶縁膜407に覆われることによって、トランジスタ440c乃至440e(少なくとも酸化物半導体膜403)からの酸素の放出を防止し、酸素の供給により酸素欠損の補填を行うことができる。よって、寄生チャネルの発生を抑制することができる。 The transistors 440c to 440e are covered with an insulating film 407 functioning as a barrier film for preventing oxygen release over the transistors 440c to 440e, so that release of oxygen from the transistors 440c to 440e (at least the oxide semiconductor film 403) is prevented. In addition, oxygen deficiency can be compensated by supplying oxygen. Therefore, generation of a parasitic channel can be suppressed.

酸化アルミニウム膜以外に、絶縁膜407としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜などを用いることができる。また、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜)、又は金属窒化物膜(例えば、窒化アルミニウム膜)も用いることができる。 In addition to the aluminum oxide film, the insulating film 407 can be typically an inorganic insulating film such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a gallium oxide film. Alternatively, a hafnium oxide film, a magnesium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, a barium oxide film), or a metal nitride film (eg, an aluminum nitride film) can be used.

トランジスタ440d、440eにおいて、ソース電極層405a、及びドレイン電極層405bは、露出した酸化物半導体膜403上面、及び第3の側壁絶縁層414a、414bと接して設けられている。よって、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bと酸化物半導体膜403とが接する領域(コンタクト領域)と、ゲート電極層401との距離は、側壁絶縁層(第1の側壁絶縁層411a、411b、第2の側壁絶縁層412a、412b、及び第3の側壁絶縁層414a、414b)のチャネル長方向の幅となり、より微細化が達成できる他、作製工程においてよりばらつきなく制御することができる。 In the transistors 440d and 440e, the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are provided in contact with the exposed upper surface of the oxide semiconductor film 403 and the third sidewall insulating layers 414a and 414b. Therefore, the distance between the gate electrode layer 401 and the region (contact region) where the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b is in contact with the oxide semiconductor film 403 is determined by the sidewall insulating layers (first sidewall insulating layers 411a, 411b, The width of the second sidewall insulating layers 412a and 412b and the third sidewall insulating layers 414a and 414b) is the width in the channel length direction, so that further miniaturization can be achieved and the manufacturing process can be controlled more uniformly.

このように、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bと酸化物半導体膜403とが接する領域(コンタクト領域)と、ゲート電極層401との距離を短くすることができるため、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bと酸化物半導体膜403とが接する領域(コンタクト領域)、及びゲート電極層401間の抵抗が減少し、トランジスタ440d、440eのオン特性を向上させることが可能となる。 In this manner, the distance between the gate electrode layer 401 and the region (contact region) where the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b is in contact with the oxide semiconductor film 403 can be shortened; The resistance between the region where the electrode layer 405b and the oxide semiconductor film 403 are in contact (contact region) and the gate electrode layer 401 is reduced, so that the on-state characteristics of the transistors 440d and 440e can be improved.

また、図4(C)において、絶縁膜407は、層間絶縁膜415、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b、側壁絶縁層(第2の側壁絶縁層412a、412b、及び第3の側壁絶縁層414a、414b)、絶縁膜413と接して設けられている。 4C, the insulating film 407 includes an interlayer insulating film 415, a source electrode layer 405a, a drain electrode layer 405b, sidewall insulating layers (second sidewall insulating layers 412a and 412b, and a third sidewall insulating layer). 414a, 414b) and the insulating film 413.

トランジスタ440dは作製工程において、ゲート電極層401、絶縁膜413、及び側壁絶縁層(第1の側壁絶縁層411a、411b、第2の側壁絶縁層412a、412b、及び第3の側壁絶縁層414a、414b)上に設けられた導電膜を切削(研削、研磨)することによって除去し導電膜を分断することによって、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成する。切削(研削、研磨)方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法を好適に用いることができる。 In the manufacturing process, the transistor 440d includes a gate electrode layer 401, an insulating film 413, and sidewall insulating layers (first sidewall insulating layers 411a and 411b, second sidewall insulating layers 412a and 412b, and a third sidewall insulating layer 414a; 414b) The conductive film provided over 414b) is removed by cutting (grinding or polishing), and the conductive film is divided to form the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b. As a cutting (grinding or polishing) method, a chemical mechanical polishing (CMP) method can be suitably used.

トランジスタ440eは作製工程において、ゲート電極層401、絶縁膜413、及び側壁絶縁層(第1の側壁絶縁層411a、411b、第2の側壁絶縁層412a、412b、及び第3の側壁絶縁層414a、414b)上に設けられた導電膜を、フォトリソグラフィ工程を用いたレジストマスクを徐々に後退させながらエッチングすることによってソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成する例である。また、トランジスタ440eはゲート電極層401上に絶縁膜413を設けない例であり、トランジスタ440eにおいては、ゲート電極層401と絶縁膜407とが接する構成となっている。 In the manufacturing process, the transistor 440e includes a gate electrode layer 401, an insulating film 413, and sidewall insulating layers (first sidewall insulating layers 411a and 411b, second sidewall insulating layers 412a and 412b, and a third sidewall insulating layer 414a; 414b) is an example in which a source electrode layer 405a and a drain electrode layer 405b are formed by etching a conductive film provided over 414b while gradually retreating a resist mask using a photolithography process. The transistor 440e is an example in which the insulating film 413 is not provided over the gate electrode layer 401. In the transistor 440e, the gate electrode layer 401 and the insulating film 407 are in contact with each other.

以上のように、酸化物半導体膜を含むトランジスタ440a乃至440eを有する半導体装置において、安定した電気的特性を付与し、高信頼性化を達成することができる。 As described above, in a semiconductor device including the transistors 440a to 440e including an oxide semiconductor film, stable electrical characteristics can be given and high reliability can be achieved.

酸化物半導体膜を含むトランジスタを有する半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成およびその作製方法を提供することができる。 A structure and a manufacturing method for realizing high-speed response and high-speed driving of a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor film can be provided.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a semiconductor device using the transistor described in this specification, capable of holding stored data even when power is not supplied, and having no limit on the number of writing times will be described with reference to drawings. To do.

図5は、半導体装置の構成の一例である。図5(A)に、半導体装置の断面図を、図5(B)に半導体装置の平面図を、図5(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図5(A)は、図5(B)のC1−C2、及びD1−D2における断面に相当する。 FIG. 5 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 5A is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 5B is a plan view of the semiconductor device, and FIG. 5C is a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 5A corresponds to a cross section taken along lines C1-C2 and D1-D2 in FIG.

図5(A)及び図5(B)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ160を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有するものである。トランジスタ162は、実施の形態1で示すトランジスタ440dと同様な構造を有する例である。 The semiconductor device illustrated in FIGS. 5A and 5B includes a transistor 160 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 162 using a second semiconductor material in an upper portion. . The transistor 162 is an example having a structure similar to that of the transistor 440d described in Embodiment 1.

ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコンなど)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。 Here, it is desirable that the first semiconductor material and the second semiconductor material have different band gaps. For example, the first semiconductor material can be a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon), and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor including a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can hold charge for a long time due to its characteristics.

なお、上記トランジスタは、いずれもnチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、pチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態1に示すようなトランジスタをトランジスタ162に用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。 Note that although all the above transistors are described as n-channel transistors, it goes without saying that p-channel transistors can be used. In addition to using the transistor as described in Embodiment 1 using an oxide semiconductor to hold information for the transistor 162, a specific structure of the semiconductor device such as a material used for the semiconductor device and a structure of the semiconductor device Need not be limited to those shown here.

図5(A)におけるトランジスタ160は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板100に設けられたチャネル形成領域116と、チャネル形成領域116を挟むように設けられた不純物領域120と、不純物領域120に接する金属間化合物領域124と、チャネル形成領域116上に設けられたゲート絶縁膜108と、ゲート絶縁膜108上に設けられたゲート電極110と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。 A transistor 160 in FIG. 5A includes a channel formation region 116 provided in a substrate 100 containing a semiconductor material (eg, silicon), an impurity region 120 provided so as to sandwich the channel formation region 116, and an impurity region. It has an intermetallic compound region 124 in contact with 120, a gate insulating film 108 provided on the channel formation region 116, and a gate electrode 110 provided on the gate insulating film 108. Note that in the drawing, the source electrode and the drain electrode may not be explicitly provided, but for convenience, the state may be referred to as a transistor. In this case, in order to describe the connection relation of the transistors, the source and drain electrodes including the source and drain regions may be expressed. That is, in this specification, the term “source electrode” can include a source region.

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

単結晶半導体基板を用いたトランジスタ160は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ160を覆うように絶縁膜を2層形成する。トランジスタ162および容量素子164の形成前の処理として、該絶縁膜2層にCMP処理を施して、平坦化した絶縁層128、絶縁層130を形成し、同時にゲート電極110の上面を露出させる。 The transistor 160 using a single crystal semiconductor substrate can operate at high speed. Therefore, information can be read at high speed by using the transistor as a reading transistor. Two insulating films are formed so as to cover the transistor 160. As a process before the formation of the transistor 162 and the capacitor 164, the insulating film 2 is subjected to CMP to form the planarized insulating layer 128 and the insulating layer 130, and the upper surface of the gate electrode 110 is exposed at the same time.

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

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

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

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

図5(A)に示すトランジスタ162は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ162に含まれる酸化物半導体膜144は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ162を得ることができる。 A transistor 162 illustrated in FIG. 5A is a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region. Here, it is preferable that the oxide semiconductor film 144 included in the transistor 162 be highly purified. With the use of a highly purified oxide semiconductor, the transistor 162 with extremely excellent off characteristics can be obtained.

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

トランジスタ162は、該作製工程において、ゲート電極148、及び側壁絶縁層(第1の側壁絶縁層136a、136b、第2の側壁絶縁層137a、137b、第3の側壁絶縁層138a、138b)上に設けられた導電膜を化学機械研磨処理により除去する工程を用いて、ソース電極層及びドレイン電極層として機能する電極層142a、142bを形成する。電極層142a、142bは、第3の側壁絶縁層138a、138bの側面、及び酸化物半導体膜144と接する。 In the manufacturing process, the transistor 162 is formed over the gate electrode 148 and the sidewall insulating layers (first sidewall insulating layers 136a and 136b, second sidewall insulating layers 137a and 137b, and third sidewall insulating layers 138a and 138b). The electrode layers 142a and 142b functioning as a source electrode layer and a drain electrode layer are formed using a step of removing the provided conductive film by a chemical mechanical polishing process. The electrode layers 142a and 142b are in contact with the side surfaces of the third sidewall insulating layers 138a and 138b and the oxide semiconductor film 144.

第1の側壁絶縁層136a、136bは酸素過剰領域を有する酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。 The first sidewall insulating layers 136a and 136b are preferably formed using an oxide insulating film having an oxygen-excess region.

酸素を過剰に詰め込まれ、かつ酸化物半導体膜144及びゲート絶縁膜146に近接する領域に該過剰な酸素を含む第1の側壁絶縁層136a、136bは、ゲート絶縁膜146及び酸化物半導体膜144からの酸素の脱離を防止し、酸化物半導体膜144及びゲート絶縁膜146への有効な酸素供給層として機能する。 The first sidewall insulating layers 136a and 136b which are excessively filled with oxygen and contain excess oxygen in a region adjacent to the oxide semiconductor film 144 and the gate insulating film 146 are formed of the gate insulating film 146 and the oxide semiconductor film 144. Oxygen is prevented from desorption from the oxide semiconductor film 144 and functions as an effective oxygen supply layer to the oxide semiconductor film 144 and the gate insulating film 146.

第1の側壁絶縁層136a、136b中に、酸化物半導体膜144及びゲート絶縁膜146に近接する領域に貯蔵された過剰酸素は、ゲート絶縁膜146及び酸化物半導体膜144へ効率よく供給することができる。よって、半導体装置において、寄生チャネル発生の抑制、及び酸化物半導体膜144中及び界面の酸素欠損の補填を行うことが可能となる。また、酸素ドープ処理後に熱処理を行って、酸素過剰領域から酸化物半導体膜144及びゲート絶縁膜146への酸素の供給することができる。 Excess oxygen stored in the first sidewall insulating layers 136a and 136b in a region adjacent to the oxide semiconductor film 144 and the gate insulating film 146 is efficiently supplied to the gate insulating film 146 and the oxide semiconductor film 144. Can do. Therefore, in the semiconductor device, generation of parasitic channels can be suppressed, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 144 and the interface can be compensated. Further, heat treatment can be performed after the oxygen doping treatment, so that oxygen can be supplied from the oxygen-excess region to the oxide semiconductor film 144 and the gate insulating film 146.

酸化物半導体膜144の上面の一部、ゲート絶縁膜146の側面、第1の側壁絶縁層136a、136bの側面と接して設けられる第2の側壁絶縁層137a、137bは第1の側壁絶縁層136a、136bより酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜、又は酸化アルミニウム膜)を含む膜を用いる。第2の側壁絶縁層137a、137bとして酸素透過性が低い金属元素を含む絶縁膜を用いることによって、第1の側壁絶縁層136a、136bからの酸素の放出を防止することができる。 The second sidewall insulating layers 137a and 137b provided in contact with part of the upper surface of the oxide semiconductor film 144, the side surfaces of the gate insulating film 146, and the side surfaces of the first sidewall insulating layers 136a and 136b are the first sidewall insulating layers. A film including an insulating film (typically an aluminum oxide film or an aluminum oxide film) containing a metal element whose oxygen permeability is lower than those of 136a and 136b is used. By using an insulating film containing a metal element with low oxygen permeability as the second sidewall insulating layers 137a and 137b, release of oxygen from the first sidewall insulating layers 136a and 136b can be prevented.

さらに、酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。よって、酸化アルミニウム膜を第2の側壁絶縁層137a、137bとして設けると、作製工程中及び作製後において、電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜144及び第1の側壁絶縁層136a、136bへの混入、及び酸化物半導体膜144及び第1の側壁絶縁層136a、136bからの放出を防止するバリア膜として機能させることができる。 Furthermore, the aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) that prevents both hydrogen, moisture and other impurities, and oxygen from passing through the film. Therefore, when the aluminum oxide film is provided as the second sidewall insulating layers 137a and 137b, the oxide semiconductor film 144 of the impurity such as hydrogen or moisture, which becomes a variation factor of electric characteristics during and after the manufacturing process, and the first It is possible to function as a barrier film that prevents entry into the sidewall insulating layers 136a and 136b and emission from the oxide semiconductor film 144 and the first sidewall insulating layers 136a and 136b.

第2の側壁絶縁層137a、137bに用いることのできる酸化アルミニウム膜は、薄膜であっても(代表的には10nm以下、好ましくは5nm以下)上述のバリア膜としての高い効果を奏する。第2の側壁絶縁層137a、137bは、ゲート絶縁膜146とゲート電極148とで生じる段差部を平坦化するように覆う第1の側壁絶縁層136a、136b上に設けられるため、薄膜であっても被覆性よく形成することができる。よって、第2の側壁絶縁層137a、137bを薄膜化することができるので、加工が容易になり、生産性が向上する。 Even if the aluminum oxide film that can be used for the second sidewall insulating layers 137a and 137b is a thin film (typically 10 nm or less, preferably 5 nm or less), the above-described barrier film is highly effective. The second side wall insulating layers 137a and 137b are thin films because they are provided over the first side wall insulating layers 136a and 136b so as to flatten the step portions generated by the gate insulating film 146 and the gate electrode 148. Can also be formed with good coverage. Therefore, since the second sidewall insulating layers 137a and 137b can be thinned, processing becomes easy and productivity is improved.

第3の側壁絶縁層138a、138bは酸化物絶縁膜を用いることができる。第3の側壁絶縁層138a、138bは第2の側壁絶縁層137a、137bの形成時にマスクとして機能する他、3層の側壁絶縁層が積層して構成されるトランジスタ162の側壁絶縁層を、側壁絶縁層として機能できる程度に該膜厚や形状を調節することができる。 An oxide insulating film can be used for the third sidewall insulating layers 138a and 138b. The third sidewall insulating layers 138a and 138b function as a mask when the second sidewall insulating layers 137a and 137b are formed, and the sidewall insulating layers of the transistor 162 formed by stacking the three sidewall insulating layers are used as the sidewalls. The film thickness and shape can be adjusted to such an extent that they can function as an insulating layer.

また、トランジスタ162は、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する電極層142a、142bと酸化物半導体膜144が接する領域(コンタクト領域)と、ゲート電極148との距離を短くすることができるため、電極層142a、142bと酸化物半導体膜144とが接する領域(コンタクト領域)、及びゲート電極148間の抵抗が減少し、トランジスタ162のオン特性を向上させることが可能となる。 In addition, since the transistor 162 can shorten the distance between the gate electrode 148 and a region (contact region) where the oxide semiconductor film 144 is in contact with the electrode layers 142a and 142b functioning as a source electrode layer or a drain electrode layer, The region where the electrode layers 142a and 142b are in contact with the oxide semiconductor film 144 (contact region) and the resistance between the gate electrode 148 are reduced, so that the on-state characteristics of the transistor 162 can be improved.

電極層142a、142bの形成工程におけるゲート電極148上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。 In the step of removing the conductive film over the gate electrode 148 in the step of forming the electrode layers 142a and 142b, an etching step using a resist mask is not used, so that precise processing can be performed accurately. Thus, in a manufacturing process of a semiconductor device, a transistor having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

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

また、層間絶縁膜135及び絶縁膜150を介して、トランジスタ162の電極層142aと重畳する領域には、導電層153が設けられており、電極層142aと、層間絶縁膜135と、絶縁膜150と、導電層153とによって、容量素子164が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層142aは、容量素子164の一方の電極として機能し、導電層153は、容量素子164の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子164を設けない構成とすることもできる。また、容量素子164は、別途、トランジスタ162の上方に設けてもよい。 In addition, a conductive layer 153 is provided in a region overlapping with the electrode layer 142a of the transistor 162 with the interlayer insulating film 135 and the insulating film 150 interposed therebetween. The electrode layer 142a, the interlayer insulating film 135, and the insulating film 150 are provided. The conductive element 153 includes the capacitor 164. That is, the electrode layer 142 a of the transistor 162 functions as one electrode of the capacitor 164 and the conductive layer 153 functions as the other electrode of the capacitor 164. Note that in the case where a capacitor is not necessary, the capacitor 164 can be omitted. Further, the capacitor 164 may be separately provided above the transistor 162.

トランジスタ162および容量素子164の上には絶縁膜152が設けられている。そして、絶縁膜152上にはトランジスタ162と、他のトランジスタを接続するための配線156が設けられている。図5(A)には図示しないが、配線156は、絶縁膜150、絶縁膜152及びゲート絶縁膜146などに形成された開口に形成された電極を介して電極層142bと電気的に接続される。ここで、該電極は、少なくともトランジスタ162の酸化物半導体膜144の一部と重畳するように設けられることが好ましい。 An insulating film 152 is provided over the transistor 162 and the capacitor 164. A transistor 162 and a wiring 156 for connecting another transistor are provided over the insulating film 152. Although not illustrated in FIG. 5A, the wiring 156 is electrically connected to the electrode layer 142b through an electrode formed in an opening formed in the insulating film 150, the insulating film 152, the gate insulating film 146, and the like. The Here, the electrode is preferably provided so as to overlap with at least part of the oxide semiconductor film 144 of the transistor 162.

図5(A)及び図5(B)において、トランジスタ160と、トランジスタ162とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ160のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体膜144の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ162及び容量素子164が、トランジスタ160の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子164の導電層153は、トランジスタ160のゲート電極110と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。 5A and 5B, the transistor 160 and the transistor 162 are provided so that at least part of them overlaps with each other. The source region or the drain region of the transistor 160 and the oxide semiconductor film 144 are provided. It is preferable that a part is provided so as to overlap. In addition, the transistor 162 and the capacitor 164 are provided so as to overlap with at least part of the transistor 160. For example, the conductive layer 153 of the capacitor 164 is provided so as to overlap with at least part of the gate electrode 110 of the transistor 160. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

なお、電極層142b及び配線156の電気的接続は、電極層142b及び配線156を直接接触させて行ってもよいし、電極層142b及び配線156の間の絶縁膜に電極を設けて、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。 Note that the electrode layer 142b and the wiring 156 may be electrically connected to each other by bringing the electrode layer 142b and the wiring 156 into direct contact with each other, or an electrode is provided on an insulating film between the electrode layer 142b and the wiring 156. You may go through. A plurality of electrodes may be interposed therebetween.

次に、図5(A)及び図5(B)に対応する回路構成の一例を図5(C)に示す。 Next, an example of a circuit configuration corresponding to FIGS. 5A and 5B is illustrated in FIG.

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

図5(C)に示す半導体装置では、トランジスタ160のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 5C, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 160 can be held.

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

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

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

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

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

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

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

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

(実施の形態3)
本実施の形態においては、実施の形態1又は実施の形態2に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態2に示した構成と異なる構成について、図6及び図7を用いて説明を行う。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a semiconductor device which uses the transistor described in Embodiment 1 or 2 and can hold stored data even when power is not supplied and has no limit on the number of writing operations. A structure different from the structure shown in Embodiment Mode 2 will be described with reference to FIGS.

図6(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図6(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図6(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図6(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。 6A illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 6B is a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device illustrated in FIG. 6A will be described, and then the semiconductor device illustrated in FIG. 6B will be described below.

図6(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ162のソース電極又はドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ162のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ162のソース電極又はドレイン電極と容量素子254の第1の端子とは電気的に接続されている。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 6A, the bit line BL and the source electrode or the drain electrode of the transistor 162 are electrically connected, and the word line WL and the gate electrode of the transistor 162 are electrically connected. The source electrode or the drain electrode of the capacitor and the first terminal of the capacitor 254 are electrically connected.

次に、図6(A)に示す半導体装置(メモリセル250)に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。 Next, the case where data is written and held in the semiconductor device (memory cell 250) illustrated in FIG. 6A is described.

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

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

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

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

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

このように、図6(A)に示す半導体装置は、トランジスタ162のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子254に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 As described above, the semiconductor device illustrated in FIG. 6A can hold charge that is accumulated in the capacitor 254 for a long time because the off-state current of the transistor 162 is extremely small. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. Further, stored data can be retained for a long time even when power is not supplied.

次に、図6(B)に示す半導体装置について、説明を行う。 Next, the semiconductor device illustrated in FIG. 6B is described.

図6(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図6(A)に示したメモリセル250を複数有するメモリセルアレイ251a及び251bを有し、下部に、メモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251a及び251b)を動作させるために必要な周辺回路253を有する。なお、周辺回路253は、メモリセルアレイ251と電気的に接続されている。 The semiconductor device illustrated in FIG. 6B includes memory cell arrays 251a and 251b each including a plurality of memory cells 250 illustrated in FIG. 6A as memory circuits in the upper portion, and the memory cell arrays 251 (memory cell arrays 251a and 251b) in the lower portion. 251 b) has a peripheral circuit 253 necessary for operating. Note that the peripheral circuit 253 is electrically connected to the memory cell array 251.

図6(B)に示した構成とすることにより、周辺回路253をメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251a及び251b)の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。 With the structure illustrated in FIG. 6B, the peripheral circuit 253 can be provided immediately below the memory cell array 251 (memory cell arrays 251a and 251b), so that the semiconductor device can be downsized.

周辺回路253に設けられるトランジスタは、トランジスタ162とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現することが可能である。 The transistor provided in the peripheral circuit 253 is preferably formed using a semiconductor material different from that of the transistor 162. For example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used, and a single crystal semiconductor is preferably used. In addition, an organic semiconductor material or the like may be used. A transistor using such a semiconductor material can operate at a sufficiently high speed. Therefore, various transistors (logic circuits, drive circuits, etc.) that require high-speed operation can be suitably realized by the transistors.

なお、図6(B)に示した半導体装置では、2つのメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251aと、メモリセルアレイ251b)が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルを積層する構成としても良い。 Note that although the semiconductor device illustrated in FIG. 6B illustrates a structure in which two memory cell arrays 251 (a memory cell array 251a and a memory cell array 251b) are stacked, the number of stacked memory cells is not limited thereto. . A configuration in which three or more memory cells are stacked may be employed.

次に、図6(A)に示したメモリセル250の具体的な構成について図7を用いて説明を行う。 Next, a specific structure of the memory cell 250 illustrated in FIG. 6A will be described with reference to FIGS.

図7は、メモリセル250の構成の一例である。図7(A)に、メモリセル250の断面図を、図7(B)にメモリセル250の平面図をそれぞれ示す。ここで、図7(A)は、図7(B)のF1−F2、及びG1−G2における断面に相当する。 FIG. 7 shows an example of the configuration of the memory cell 250. 7A is a cross-sectional view of the memory cell 250, and FIG. 7B is a plan view of the memory cell 250. Here, FIG. 7A corresponds to a cross section taken along lines F1-F2 and G1-G2 in FIG.

図7(A)及び図7(B)に示すトランジスタ162は、実施の形態1又は実施の形態2で示した構成と同様な構成とすることができる。 The transistor 162 illustrated in FIGS. 7A and 7B can have a structure similar to that described in Embodiment 1 or 2.

絶縁層130上に設けられたトランジスタ162上には、絶縁膜256が単層または積層で設けられている。また、絶縁膜256を介して、トランジスタ162の電極層142aと重畳する領域には、導電層262が設けられており、電極層142aと、層間絶縁膜135と、絶縁膜256と、導電層262とによって、容量素子254が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層142aは、容量素子254の一方の電極として機能し、導電層262は、容量素子254の他方の電極として機能する。 An insulating film 256 is provided as a single layer or a stacked layer over the transistor 162 provided over the insulating layer 130. In addition, a conductive layer 262 is provided in a region overlapping with the electrode layer 142a of the transistor 162 with the insulating film 256 interposed therebetween. The electrode layer 142a, the interlayer insulating film 135, the insulating film 256, and the conductive layer 262 are provided. Thus, a capacitor element 254 is formed. That is, the electrode layer 142 a of the transistor 162 functions as one electrode of the capacitor 254, and the conductive layer 262 functions as the other electrode of the capacitor 254.

トランジスタ162および容量素子254の上には絶縁膜258が設けられている。そして、絶縁膜258上にはメモリセル250と、隣接するメモリセル250を接続するための配線260が設けられている。図示しないが、配線260は、絶縁膜256及び絶縁膜258などに形成された開口を介してトランジスタ162の電極層142bと電気的に接続されている。但し、開口に他の導電層を設け、該他の導電層を介して、配線260と電極層142bとを電気的に接続してもよい。なお、配線260は、図6(A)の回路図におけるビット線BLに相当する。 An insulating film 258 is provided over the transistor 162 and the capacitor 254. A memory cell 250 and a wiring 260 for connecting the adjacent memory cell 250 are provided over the insulating film 258. Although not illustrated, the wiring 260 is electrically connected to the electrode layer 142b of the transistor 162 through an opening formed in the insulating film 256, the insulating film 258, and the like. However, another conductive layer may be provided in the opening, and the wiring 260 and the electrode layer 142b may be electrically connected through the other conductive layer. Note that the wiring 260 corresponds to the bit line BL in the circuit diagram of FIG.

図7(A)及び図7(B)において、トランジスタ162の電極層142bは、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極としても機能することができる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。 7A and 7B, the electrode layer 142b of the transistor 162 can also function as a source electrode of a transistor included in an adjacent memory cell. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

図7(A)に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。 By adopting the planar layout shown in FIG. 7A, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, so that high integration can be achieved.

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

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

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

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図8乃至図11を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to a portable device such as a mobile phone, a smartphone, or an e-book reader will be described with reference to FIGS.

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

通常のSRAMは、図8(A)に示すように1つのメモリセルがトランジスタ801乃至806の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー807、Yデコーダー808にて駆動している。トランジスタ803とトランジスタ805、トランジスタ804とトランジスタ806はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし1つのメモリセルが6トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSRAMのメモリセル面積は通常100〜150Fである。このためSRAMはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。 In a normal SRAM, as shown in FIG. 8A, one memory cell is composed of six transistors 801 to 806, which are driven by an X decoder 807 and a Y decoder 808. The transistors 803 and 805 and the transistors 804 and 806 form an inverter and can be driven at high speed. However, since one memory cell is composed of 6 transistors, there is a disadvantage that the cell area is large. When the minimum dimension of the design rule is F, the SRAM memory cell area is normally 100 to 150 F 2 . For this reason, SRAM has the highest unit price per bit among various memories.

それに対して、DRAMはメモリセルが図8(B)に示すようにトランジスタ811、保持容量812によって構成され、それをXデコーダー813、Yデコーダー814にて駆動している。1つのセルが1トランジスタ1容量の構成になっており、面積が小さい。DRAMのメモリセル面積は通常10F以下である。ただし、DRAMは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。 On the other hand, in the DRAM, a memory cell includes a transistor 811 and a storage capacitor 812 as shown in FIG. 8B, and is driven by an X decoder 813 and a Y decoder 814. One cell has a structure of one transistor and one capacitor, and the area is small. The memory cell area of a DRAM is usually 10F 2 or less. However, the DRAM always needs refreshing and consumes power even when rewriting is not performed.

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

図9に携帯機器のブロック図を示す。図9に示す携帯機器はRF回路901、アナログベースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源回路905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレイコントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、音声回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示部914、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプリケーションプロセッサ906はCPU907、DSP908、インターフェイス(IF)909を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまたはDRAMで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。 FIG. 9 shows a block diagram of a portable device. 9 includes an RF circuit 901, an analog baseband circuit 902, a digital baseband circuit 903, a battery 904, a power supply circuit 905, an application processor 906, a flash memory 910, a display controller 911, a memory circuit 912, a display 913, and a touch. A sensor 919, an audio circuit 917, a keyboard 918, and the like are included. The display 913 includes a display unit 914, a source driver 915, and a gate driver 916. The application processor 906 includes a CPU 907, a DSP 908, and an interface (IF) 909. In general, the memory circuit 912 includes an SRAM or a DRAM. By adopting the semiconductor device described in the above embodiment for this portion, information can be written and read at high speed, and long-term storage can be performed. In addition, power consumption can be sufficiently reduced.

図10に、ディスプレイのメモリ回路950に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図10に示すメモリ回路950は、メモリ952、メモリ953、スイッチ954、スイッチ955およびメモリコントローラ951により構成されている。また、メモリ回路は、画像データ(入力画像データ)からの信号線、メモリ952、及びメモリ953に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出し、及び制御を行うディスプレイコントローラ956と、ディスプレイコントローラ956からの信号により表示するディスプレイ957が接続されている。 FIG. 10 shows an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the memory circuit 950 of the display. A memory circuit 950 illustrated in FIG. 10 includes a memory 952, a memory 953, a switch 954, a switch 955, and a memory controller 951. The memory circuit reads a signal line from image data (input image data), a memory 952, and data (stored image data) stored in the memory 953, and a display controller 956 that performs control and a display controller 956 A display 957 for displaying by the signal is connected.

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

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

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

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

図11に電子書籍のブロック図を示す。図11はバッテリー1001、電源回路1002、マイクロプロセッサ1003、フラッシュメモリ1004、音声回路1005、キーボード1006、メモリ回路1007、タッチパネル1008、ディスプレイ1009、ディスプレイコントローラ1010によって構成される。 FIG. 11 is a block diagram of an electronic book. 11 includes a battery 1001, a power supply circuit 1002, a microprocessor 1003, a flash memory 1004, an audio circuit 1005, a keyboard 1006, a memory circuit 1007, a touch panel 1008, a display 1009, and a display controller 1010.

ここでは、図11のメモリ回路1007に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路1007の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ1004にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。 Here, the semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the memory circuit 1007 in FIG. The role of the memory circuit 1007 has a function of temporarily holding the contents of a book. An example of a function is when a user uses a highlight function. When a user is reading an electronic book, the user may want to mark a specific part. This marking function is called a highlight function, and is to show the difference from the surroundings by changing the display color, underlining, making the character thicker, or changing the font of the character. This is a function for storing and holding information on a location designated by the user. When this information is stored for a long time, it may be copied to the flash memory 1004. Even in such a case, by adopting the semiconductor device described in the above embodiment, writing and reading of information can be performed at high speed, long-term storage can be performed, and power consumption can be sufficiently reduced. Can do.

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

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

Claims (2)

酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、
前記ゲート絶縁膜の上面の一部、及び前記ゲート電極層の側面を覆う第1の側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜の上面の一部、前記ゲート絶縁膜の側面、及び前記第1の側壁絶縁層の側面を覆う第2の側壁絶縁層と、
前記第2の側壁絶縁層の側面を覆う第3の側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層とを有し、
前記第1の側壁絶縁層及び前記第3の側壁絶縁層は酸化物絶縁膜であり、
前記第2の側壁絶縁層は、前記第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor film including a channel formation region provided over the oxide insulating film;
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A gate electrode layer on the gate insulating film;
A first sidewall insulating layer covering a part of the upper surface of the gate insulating film and a side surface of the gate electrode layer;
A second sidewall insulating layer covering a part of the upper surface of the oxide semiconductor film, a side surface of the gate insulating film, and a side surface of the first sidewall insulating layer;
A third sidewall insulating layer covering a side surface of the second sidewall insulating layer;
A source electrode layer and a drain electrode layer electrically connected to the oxide semiconductor film;
The first sidewall insulating layer and the third sidewall insulating layer are oxide insulating films,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second sidewall insulating layer is an insulating film containing a metal element having a lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layer.
酸化物絶縁膜上に設けられたチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上面の一部、前記ゲート電極層の側面、及び前記絶縁膜の側面を覆う第1の側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜の上面の一部、前記ゲート絶縁膜の側面、及び前記第1の側壁絶縁層の側面を覆う第2の側壁絶縁層と、
前記第2の側壁絶縁層の側面を覆う第3の側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極層及びドレイン電極層とを有し、
前記第1の側壁絶縁層及び前記第3の側壁絶縁層は酸化物絶縁膜であり、
前記第2の側壁絶縁層及び前記絶縁膜は、前記第1の側壁絶縁層より酸素透過性の低い金属元素を含む絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor film including a channel formation region provided over the oxide insulating film;
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A gate electrode layer on the gate insulating film;
An insulating film on the gate electrode layer;
A first sidewall insulating layer covering a part of the upper surface of the gate insulating film, a side surface of the gate electrode layer, and a side surface of the insulating film;
A second sidewall insulating layer covering a part of the upper surface of the oxide semiconductor film, a side surface of the gate insulating film, and a side surface of the first sidewall insulating layer;
A third sidewall insulating layer covering a side surface of the second sidewall insulating layer;
A source electrode layer and a drain electrode layer electrically connected to the oxide semiconductor film;
The first sidewall insulating layer and the third sidewall insulating layer are oxide insulating films,
The semiconductor device, wherein the second sidewall insulating layer and the insulating film are insulating films containing a metal element having lower oxygen permeability than the first sidewall insulating layer.
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