JP6077382B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およ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、発光表示装置、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 light-emitting display device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ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 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.
酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流を極めて低くすることができる(特許文献1)。さらに、酸化物半導体を用いたトランジスタでは、酸化物半導体と接する絶縁膜を、加熱により酸素供給可能な絶縁膜とすることで、信頼性を向上させることができる(特許文献2および特許文献3)。これは、加熱により酸素供給可能な絶縁膜から、酸化物半導体に酸素を供給することで、酸化物半導体中の酸素欠損を補償できるためである。加熱により酸素供給可能な絶縁膜としては、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。
A transistor including an oxide semiconductor can have extremely low off-state current (Patent Document 1). Further, in a transistor including an oxide semiconductor, reliability can be improved by using an insulating film in contact with the oxide semiconductor as an insulating film capable of supplying oxygen by heating (
このように酸化物半導体を用いたトランジスタは他の半導体材料にはない特徴を有する。 As described above, a transistor including an oxide semiconductor has characteristics that are not found in other semiconductor materials.
さらに酸化物半導体と、それ以外の半導体材料、たとえば単結晶シリコンと組み合わせることができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは薄膜で形成可能であるため、複数のトランジスタを積層して形成することが可能であり、単結晶シリコンを用いたトランジスタ等の上に形成することもできる。これにより、それぞれの半導体材料の利点を併せ持った集積度の高い半導体装置とすることができる(たとえば、特許文献4)。 Further, an oxide semiconductor can be combined with other semiconductor materials such as single crystal silicon. Since a transistor including an oxide semiconductor can be formed as a thin film, a plurality of transistors can be stacked, and can be formed over a transistor or the like using single crystal silicon. Thereby, a highly integrated semiconductor device having the advantages of the respective semiconductor materials can be obtained (for example, Patent Document 4).
また、酸化物半導体を用いたトランジスタでは、酸化物半導体膜に酸素欠損が生じると、キャリアが生成されてしきい値電圧が変動してしまう。そのため酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、しきい値電圧の制御は非常に重要である。そこで酸化物半導体を用いたトランジスタにバックゲートを設けることで、しきい値電圧を制御する方法が特許文献5に開示されている。
In a transistor including an oxide semiconductor, when oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor film, carriers are generated and the threshold voltage fluctuates. Therefore, control of the threshold voltage is very important in a transistor including an oxide semiconductor. Therefore,
酸化物半導体膜への酸素の供給は、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性と信頼性の向上に極めて重要な要素である。そのため上述のように、酸化物半導体と接する絶縁膜を、加熱により酸素供給可能な絶縁膜とすることで、酸化物半導体を用いたトランジスタの信頼性を向上させることができる。 Supply of oxygen to the oxide semiconductor film is an extremely important factor for improving electrical characteristics and reliability of a transistor including an oxide semiconductor. Therefore, as described above, the insulating film in contact with the oxide semiconductor is an insulating film which can supply oxygen by heating, whereby the reliability of the transistor including the oxide semiconductor can be improved.
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは他のトランジスタ等に積層して形成することができる。積層することで集積度の高い半導体装置を得られ、より好ましい。また酸化物半導体を用いたトランジスタにバックゲートを設けると、しきい値電圧の制御がより容易となり、より好ましい。 In addition, a transistor including an oxide semiconductor can be stacked over another transistor or the like. By stacking, a highly integrated semiconductor device can be obtained, which is more preferable. Further, it is more preferable that a back gate be provided in a transistor including an oxide semiconductor because the threshold voltage can be controlled more easily.
トランジスタを積層した半導体装置やバックゲートを設けたトランジスタを有する半導体装置等では、酸化物半導体を用いたトランジスタと、その下部に存在する導電層とを電気的に接続する場合がある。 In a semiconductor device in which a transistor is stacked, a semiconductor device including a transistor provided with a back gate, or the like, a transistor including an oxide semiconductor may be electrically connected to a conductive layer present therebelow.
この場合、酸化物半導体に接して加熱により酸素供給可能な絶縁膜を適用すると、該絶縁膜と、トランジスタの電極等の導電層とが接する箇所が生じる。 In this case, when an insulating film capable of supplying oxygen by heating is applied in contact with the oxide semiconductor, a portion where the insulating film is in contact with a conductive layer such as an electrode of a transistor is generated.
導電層が加熱により酸素供給可能な絶縁膜と接すると、該絶縁膜中の酸素により導電層が酸化されてしまう。導電層が酸化されると、導電層の抵抗が上昇する恐れがある。また該絶縁膜中の過剰酸素が減少し、酸化物半導体への酸素供給能力が十分に得られなくなる恐れがある。 When the conductive layer is in contact with the insulating film to which oxygen can be supplied by heating, the conductive layer is oxidized by oxygen in the insulating film. When the conductive layer is oxidized, the resistance of the conductive layer may increase. In addition, excess oxygen in the insulating film is reduced, and there is a possibility that sufficient oxygen supply capability to the oxide semiconductor cannot be obtained.
そこで本発明の一態様では、加熱により酸素供給可能な絶縁膜における酸素の減少を抑制することを目的の一とする。また、導電層の酸化を抑制することを目的の一とする。また、信頼性の高い酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することを目的の一とする。 Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to suppress reduction of oxygen in an insulating film to which oxygen can be supplied by heating. Another object is to suppress oxidation of the conductive layer. Another object is to provide a semiconductor device including a highly reliable oxide semiconductor.
加熱により酸素供給可能な絶縁膜における酸素の減少、および導電層の酸化を抑制するためには、該絶縁膜に、該絶縁膜と導電層との界面を介しての酸素の授受が生じにくい領域を設ければよい。 In order to suppress the reduction of oxygen in the insulating film to which oxygen can be supplied by heating and the oxidation of the conductive layer, the insulating film is less likely to receive oxygen through the interface between the insulating film and the conductive layer. May be provided.
そこで本発明の一態様では、加熱により酸素供給可能な絶縁膜の導電層との界面近傍に、内部よりも多くの窒素を含有させる。 Therefore, in one embodiment of the present invention, more nitrogen than the inside is contained in the vicinity of the interface between the insulating film and the conductive layer which can supply oxygen by heating.
加熱により酸素供給可能な絶縁膜の導電層との界面近傍に、内部よりも多くの窒素を含有させるためには、該絶縁膜と導電層とが接する前に、該絶縁膜の表面に窒化処理を行えばよい。 In order to contain more nitrogen in the vicinity of the interface with the conductive layer of the insulating film capable of supplying oxygen by heating, the surface of the insulating film is nitrided before the insulating film and the conductive layer are in contact with each other. Can be done.
特に、該絶縁膜に、酸化物半導体を用いたトランジスタの下部に存在する導電層へのコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールの側壁を含めて窒化処理を行うことが好ましい。 In particular, it is preferable that after the contact hole is formed in the insulating film to the conductive layer existing under the transistor using the oxide semiconductor, the nitriding treatment is performed including the side wall of the contact hole.
本発明の一態様は、導電層と、導電層上の、コンタクトホールを有する加熱により酸素供給可能な絶縁膜と、加熱により酸素供給可能な絶縁膜と接する酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜とゲート絶縁膜を介して重畳するゲート電極と、酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、を有し、加熱により酸素供給可能な絶縁膜のコンタクトホールにおいて、導電層と、ソース電極およびドレイン電極の一方は電気的に接続され、加熱により酸素供給可能な絶縁膜は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜と、ソース電極およびドレイン電極と、の界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a conductive layer, an insulating film over the conductive layer that can be supplied with oxygen by heating, an oxide semiconductor film in contact with the insulating film that can be supplied with oxygen by heating, a gate insulating film, A contact of an insulating film having a gate electrode overlapping with the oxide semiconductor film through the gate insulating film, and a source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film and capable of supplying oxygen by heating In the hole, one of the conductive layer and the source electrode and the drain electrode is electrically connected, and the insulating film capable of supplying oxygen by heating is an interface between the insulating film capable of supplying oxygen by heating and the source electrode and the drain electrode. In the vicinity, the semiconductor device contains more nitrogen than the inside.
上記において、加熱により酸素供給可能な絶縁膜の界面近傍の窒素濃度は、界面近傍から内部に向かって連続的に減少することが好ましい。 In the above, it is preferable that the nitrogen concentration in the vicinity of the interface of the insulating film to which oxygen can be supplied by heating continuously decreases from the vicinity of the interface toward the inside.
また上記において、加熱により酸素供給可能な絶縁膜のコンタクトホールの側壁は、側壁と、導電層と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極の一方と、の界面近傍に、内部よりも窒素を多く含むことが好ましい。 In the above, the side wall of the contact hole of the insulating film that can be supplied with oxygen by heating has more nitrogen than the inside in the vicinity of the interface between the side wall and one of the source electrode and the drain electrode electrically connected to the conductive layer. It is preferable to include many.
また上記において、導電層は、導電層と、導電層と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極の一方と、の界面近傍に、内部よりも窒素を多く含むことが好ましい。 In the above, the conductive layer preferably contains more nitrogen than the inside in the vicinity of the interface between the conductive layer and one of the source electrode and the drain electrode electrically connected to the conductive layer.
また、本発明の別の一態様は、第1の導電層上に、加熱により酸素供給可能な絶縁膜を形成し、加熱により酸素供給可能な絶縁膜に接する酸化物半導体膜を形成し、加熱により酸素供給可能な絶縁膜に、第1の導電層まで到達するコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを形成した加熱により酸素供給可能な絶縁膜および酸化物半導体膜に窒化処理を行い、窒化処理により、表面に内部よりも窒素を多く含む加熱により酸素供給可能な絶縁膜および導電層上に、第2の導電層を形成し、第2の導電層を加工して、双方が酸化物半導体膜と電気的に接続され、かつ一方が第1の導電層と電気的に接続される、ソース電極およびドレイン電極を形成し、酸化物半導体膜およびソース電極およびドレイン電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体膜と重畳するゲート電極を形成する、半導体装置の作製方法である。 In another embodiment of the present invention, an insulating film capable of supplying oxygen by heating is formed over the first conductive layer, an oxide semiconductor film in contact with the insulating film capable of supplying oxygen by heating is formed, and heating is performed. A contact hole that reaches the first conductive layer is formed in the insulating film that can supply oxygen, and nitriding is performed on the insulating film and the oxide semiconductor film that can supply oxygen by heating to form the contact hole. The second conductive layer is formed on the insulating film and the conductive layer which can supply oxygen by heating containing more nitrogen than the inside on the surface, and the second conductive layer is processed. Forming a source electrode and a drain electrode which are electrically connected and one of which is electrically connected to the first conductive layer, and forming a gate insulating film over the oxide semiconductor film and the source electrode and the drain electrode; Game Forming a gate electrode overlapping with the oxide semiconductor film on the insulating film, a method for manufacturing a semiconductor device.
上記において、窒化処理は、窒素プラズマを用いた処理であることが好ましい。 In the above, the nitriding treatment is preferably a treatment using nitrogen plasma.
本発明の一態様により、加熱により酸素供給可能な絶縁膜の酸素減少を抑制するができる。また、導電層の酸化を抑制することができる。また、信頼性の高い酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, reduction in oxygen in an insulating film to which oxygen can be supplied by heating can be suppressed. In addition, oxidation of the conductive layer can be suppressed. In addition, a semiconductor device including a highly reliable oxide semiconductor can be provided.
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。 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.
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。 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.
また、「ソース」および「ソース領域」ならびに「ドレイン」および「ドレイン領域」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また本明細書等において、チャネル領域とは、ソース領域(ソース電極)およびドレイン領域(ドレイン電極)の対向する領域をいう。 In addition, the functions of “source” and “source region” and “drain” and “drain region” may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes in circuit operation. . Therefore, in this specification and the like, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably. In this specification and the like, a channel region refers to a region where a source region (source electrode) and a drain region (drain electrode) face each other.
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。 Further, in this specification and the like, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.
また、本明細書等において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification and the like, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例について、図1および図2を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structural example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図1(A)に示すトランジスタ201を有する半導体装置の断面図を参照して説明する。
First, a cross-sectional view of a semiconductor device including the
<<半導体装置の構成>>
トランジスタ201は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と接する酸化物半導体膜107と、ゲート絶縁膜115と、酸化物半導体膜107とゲート絶縁膜115を介して重畳するゲート電極117と、酸化物半導体膜107と電気的に接続されるソース電極113aおよびドレイン電極113bと、を有する。
<< Configuration of Semiconductor Device >>
The
トランジスタ201は導電層101および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105上に設けられている。酸素供給可能な絶縁膜105はコンタクトホール109を有する。コンタクトホール109において導電層101とソース電極113aは電気的に接続されている。
The
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また酸化物半導体膜107は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また導電層101は、ソース電極113aまたはソース電極113aと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The insulating
本明細書等において、膜の内部とは、膜の界面から遠い部分、たとえば界面から膜厚の1/2程度の深さの部分をいう。また界面近傍に、内部よりも窒素を多く含むとは、ある膜について、その膜の内部と比較して、界面近傍に窒素が多く含むことをいう。 In this specification and the like, the inside of a film means a part far from the interface of the film, for example, a part having a depth of about ½ of the film thickness from the interface. Further, the phrase “containing more nitrogen near the interface than inside” means that a certain film contains more nitrogen near the interface than inside the film.
なお上記において膜とは、絶縁膜や絶縁層の場合もあり、導電層の場合もある。そのため、内部よりも窒素を多く含む領域の組成は、該領域を含む膜の組成によって異なる。たとえば酸化シリコン膜が、他の膜との界面近傍に窒素を多く含む領域を有する場合、該領域は酸化窒化シリコンとなる。またタングステン膜が、他の膜との界面近傍に窒素を多く含む領域を有する場合、該領域は窒化タングステンとなる。 In the above, the film may be an insulating film or an insulating layer, or may be a conductive layer. Therefore, the composition of a region containing more nitrogen than the inside varies depending on the composition of the film including the region. For example, when a silicon oxide film has a region containing a large amount of nitrogen in the vicinity of an interface with another film, the region is silicon oxynitride. In the case where the tungsten film has a region containing a large amount of nitrogen in the vicinity of the interface with another film, the region is tungsten nitride.
<<各構成要素>>
<導電層>
導電層101としては、タングステン、銅、モリブデン、チタン、タンタル、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ニオブ等の遷移金属の窒化物を用いることができる。また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用いてもよい。さらにこれらを主成分とする合金、これらを積層したもの等を用いてもよい。積層構造の例としては、銅の周囲に窒化タンタル、窒化チタンおよび窒化ニオブ等の遷移金属の窒化物を設ける構造が挙げられる。このような構造とすることで、抵抗を低減しつつ銅の拡散を抑制することができ、消費電力が低く信頼性の高い半導体装置とすることができる。
<< Each component >>
<Conductive layer>
As the
導電層101は、トランジスタ201のソース電極113aと電気的に接続されている。導電層101の窒素を多く含む領域111における窒素濃度は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍から内部に向かって連続的に減少する。
The
なお、仮に加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と、ソース電極113aおよびドレイン電極113bの間に窒化シリコン膜を設けると、窒素濃度の変化は非連続的となる。これは本発明の一態様とは異なる状態である。さらにこの場合、導電層101と、ソース電極113aの間に窒化シリコン膜という絶縁層が設けられることとなり、両者を電気的に接続することができない。
Note that if a silicon nitride film is provided between the insulating
また後述するが、導電層101を介して、ソース電極113aと、トランジスタ201の下部に設けられた導電層、半導体装置等と電気的に接続してもよい。導電層101は、たとえばトランジスタ201のバックゲートとして機能する導電層と電気的に接続されていてもよいし、他のトランジスタと電気的に接続されていてもよい。トランジスタ201を他の導電層、半導体装置等に積層して設け、これらと電気的に接続することで、集積度の高い半導体装置とすることができる。
As will be described later, the
<加熱により酸素供給可能な絶縁膜>
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105としては、酸化物半導体膜107と接して酸化物絶縁層を含む、単層又は積層構造とすることが好ましい。具体的には酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、またはこれらの混合材料を含む膜の単層又は積層構造とすることができる。なお酸化物半導体膜107と接する層が酸化物絶縁層であればよいため、積層構造とする場合は、酸化物半導体膜107と接さない層に窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いてもよい。
<Insulating film that can supply oxygen by heating>
The insulating
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。加熱により酸素供給可能な絶縁膜105が有するコンタクトホール109の側壁も、同様に窒素を多く含む領域111を有する。
The insulating
窒素を多く含む領域111は不純物の拡散を抑制しやすいため、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの間に窒素を多く含む領域111を設けることによって、酸素の授受が生じにくくなる。そのため、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105中の酸素によりソース電極113aおよびドレイン電極113bが酸化されることを抑制できる。また加熱により酸素供給可能な絶縁膜105中の過剰酸素が減少することを抑制できる。
Since the
窒素を多く含む領域111における窒素濃度は、15atomic%以上60atomic%以下が好ましく、25atomic%以上60atomic%以下がより好ましく、35atomic%以上60atomic%以下がさらに好ましい。
The nitrogen concentration in the
また窒素を多く含む領域111における窒素濃度は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍から内部に向かって連続的に減少する。例えば界面近傍から内部に向かっての深さ2nmにおいて30atomic%以上であった窒素濃度が、深さ7nmで2atomic%以下に連続的に減少する。
Further, the nitrogen concentration in the
また、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105が有する窒素を多く含む領域111では、窒素濃度と対照的に、酸素濃度が界面から内部に向かって連続的に増加していてもよい。また加熱により酸素供給可能な絶縁膜105が有する窒素を多く含む領域111では、界面近傍から内部に向かっての深さ1nm、好ましくは2nmにおいて、酸素濃度より窒素濃度が高くなっていてもよい。酸素濃度よりも窒素濃度が高くなることで、より不純物の拡散を抑制することができる。
Further, in the
なお、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105のXPS(X−ray Photoelectron Spectroscopy)、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)等のプロファイルにおいて、自然酸化または測定誤差等のため、最もソース電極113aおよびドレイン電極113bと近い領域で窒素濃度が低下、または横ばいとなる可能性がある。
Note that the
また、仮に加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と、ソース電極113aおよびドレイン電極113bの間に窒化シリコン膜を設けた場合は、窒素濃度の変化は非連続的となる。これは本発明の一態様とは異なる状態である。
Further, when a silicon nitride film is provided between the insulating
酸化物半導体膜107と接して、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105を設けることで、酸化物半導体を用いたトランジスタ201の信頼性を向上させることができる。酸化物半導体膜への酸素の供給は、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性と信頼性の向上に極めて重要な要素である。これは、酸素がシリコンを用いたトランジスタにとって不純物であり悪影響を与えるのと対照的な効果である。
By providing the insulating
なお本明細書等において「加熱処理により酸素を放出する」とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて放出される酸素が酸素原子に換算して1.0×1018atoms/cm3以上、または3.0×1020atoms/cm3以上であることをいう。 In this specification and the like, “releasing oxygen by heat treatment” means that oxygen released by TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis is converted to oxygen atoms by 1.0 × It means 10 18 atoms / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more.
ここで、TDS分析を用いた酸素の放出量の測定方法について、以下に説明する。 Here, a method of measuring the amount of released oxygen using TDS analysis will be described below.
TDS分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そしてこの積分値と標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。 The total amount of gas released when TDS analysis is performed is proportional to the integrated value of the ionic strength of the released gas. Then, by comparing this integrated value with the standard sample, the total amount of gas released can be calculated.
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのTDS分析結果、および絶縁膜のTDS分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量(NO2)は、数式1で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数32で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数32のものとしてほかにCH3OHがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
For example, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) of the insulating film can be obtained from
NO2=NH2/SH2×SO2×α (数式1) N O2 = N H2 / SH 2 × S O2 × α (Formula 1)
NH2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SO2は、絶縁膜をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。数式1の詳細に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として1×1016atoms/cm2の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した。
N H2 is a value obtained by converting hydrogen molecules desorbed from the standard sample by density. SH2 is an integral value of ion intensity when the standard sample is subjected to TDS analysis. Here, the reference value of the standard sample is N H2 / SH 2 . S O2 is an integral value of ion intensity when the insulating film is subjected to TDS analysis. α is a coefficient that affects the ionic strength in the TDS analysis. For details of
また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。 In TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. Note that since the above α includes the ionization rate of oxygen molecules, the amount of released oxygen atoms can be estimated by evaluating the amount of released oxygen molecules.
なお、NO2は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。 Note that N 2 O 2 is the amount of released oxygen molecules. The amount of release when converted to oxygen atoms is twice the amount of release of oxygen molecules.
「加熱により酸素を放出する」絶縁膜とするためには、絶縁膜が過剰酸素を有すればよい。過剰な酸素によって、後に形成される酸化物半導体膜107の酸素欠損を補償することが可能である。そのため加熱により酸素を放出する絶縁膜は、「加熱により酸素が放出される酸素を含む」絶縁膜と言い換えることもできる。
In order to obtain an insulating film that releases oxygen by heating, the insulating film only needs to have excess oxygen. Excess oxygen can compensate for oxygen vacancies in the
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105が積層構造の場合は、少なくとも酸化物半導体膜107と接する層において過剰酸素を有することが好ましい。
In the case where the insulating
また、過剰酸素を有する領域の下側に、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することが好ましい。過剰酸素を有する領域の下側に窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することで、酸化物半導体膜107への不純物の拡散を防止することができる。
In addition, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, or an aluminum oxide film is preferably provided below the region having excess oxygen. When the silicon nitride film, the silicon nitride oxide film, or the aluminum oxide film is provided below the region having excess oxygen, diffusion of impurities into the
<酸化物半導体膜>
トランジスタ201において、酸化物半導体膜107は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有している。
<Oxide semiconductor film>
In the
また酸化物半導体膜107の、ソース電極113aおよびドレイン電極113bと重畳しない領域は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bの加工の際に窒素を多く含む領域111が除去される。そのためチャネル形成領域においては窒素を多く含む領域111を有さない構成とすることができる。
In the region of the
酸化物半導体膜107中の窒素はドナーとして振る舞うため、窒素を含んだ酸化物半導体膜107はキャリア密度が高まり低抵抗化する。チャネル形成領域が低抵抗化すると、トランジスタのオフ電流を低減することが難しくなる。そのため、ソース電極113aおよびドレイン電極113bの加工の際、酸化物半導体膜107の窒素を多く含む領域111を除去することで、オフ電流の低いトランジスタとすることが容易となる。
Since nitrogen in the
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。 Hereinafter, the structure of the oxide semiconductor film is described.
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。 An oxide semiconductor film is roughly classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or the like.
まずは、CAAC−OS膜について説明する。 First, the CAAC-OS film is described.
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.
CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 When the CAAC-OS film is observed with a transmission electron microscope (TEM), a clear boundary between crystal parts, that is, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.
CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When the CAAC-OS film is observed by TEM (cross-sectional TEM observation) from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .
一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is observed with a TEM (planar TEM observation) from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.
断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。 From the cross-sectional TEM observation and the planar TEM observation, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.
なお、CAAC−OS膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面TEM像において、2500nm2以上、5μm2以上または1000μm2以上となる結晶領域が観察される場合がある。 Note that most crystal parts included in the CAAC-OS film fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the case where a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. Note that a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS film may be connected to form one large crystal region. For example, in a planar TEM image, a crystal region that is 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed.
CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS film crystal has c-axis orientation, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.
一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is analyzed by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS film, a peak is not clearly observed even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.
以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。 From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis is aligned, and the c-axis is a normal line of the formation surface or the top surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by the above-mentioned cross-sectional TEM observation is a plane parallel to the ab plane of the crystal.
なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。 Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.
また、CAAC−OS膜中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。 In the CAAC-OS film, the distribution of c-axis aligned crystal parts is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the upper surface of the CAAC-OS film, the ratio of the crystal part in which the region near the upper surface is c-axis aligned than the region near the formation surface May be higher. In addition, in the case where an impurity is added to the CAAC-OS film, the region to which the impurity is added may be changed, and a region having a different ratio of partially c-axis aligned crystal parts may be formed.
なお、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.
CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.
また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers by capturing hydrogen.
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film rarely has electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.
また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor including a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a microcrystalline oxide semiconductor film is described.
微結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、TEMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。 In the microcrystalline oxide semiconductor film, there is a case where a crystal part cannot be clearly confirmed in an observation image using a TEM. In most cases, a crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film including a nanocrystal (nc) that is a microcrystal of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm is referred to as an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor) film. In the nc-OS film, for example, a crystal grain boundary may not be clearly confirmed in an observation image using a TEM.
nc−OS膜は、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径のX線を用いるXRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折(制限視野電子線回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折像が観測される。一方、nc−OS膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径(例えば1nm以上30nm以下)の電子線を用いる電子線回折(ナノビーム電子線回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。 The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a very small region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS film may not be distinguished from an amorphous oxide semiconductor film depending on an analysis method. For example, when structural analysis is performed on an nc-OS film using an XRD apparatus using X-rays having a probe diameter larger than that of a crystal part, a peak indicating a crystal plane is not detected by analysis using the out-of-plane method. . Further, when electron beam diffraction (also referred to as limited-field electron beam diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the crystal part is performed on the nc-OS film, a diffraction image like a halo pattern is obtained. Is observed. On the other hand, when nc-OS film is subjected to electron diffraction (also referred to as nanobeam electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 1 nm to 30 nm) that is close to the crystal part or smaller than the crystal part. Spots are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.
nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS film is an oxide semiconductor film that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than the amorphous oxide semiconductor film. Note that the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example.
酸化物半導体膜107は、少なくともインジウム(In)を含む。特に、インジウムと亜鉛(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)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)のいずれか一種または複数種を有することが好ましい。
The
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)のいずれか一種または複数種を有してもよい。 As other stabilizers, lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).
例えば、酸化物半導体膜107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 the
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。 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、酸化物半導体膜107として、InMO3(ZnO)m(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およびCoから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。
Alternatively, the
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=2:2:1、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1、In:Sn:Zn=2:1:3あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。 For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, In: Ga: Zn = 2: 2: 1, or In: Ga: Zn = 3: 1: 2 atomic ratio In—Ga—Zn-based oxidation Or an oxide in the vicinity of the composition can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1, In: Sn: Zn = 2: 1: 3, or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide Or an oxide in the vicinity of the composition can be used.
なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2+(c−C)2≦r2を満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。 Note that for example, the composition of an oxide in which the atomic ratio of In, Ga, and Zn is In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) has an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: B: C (A + B + C = 1) is in the vicinity of the oxide composition, 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.
しかし上記に限られず、必要とするトランジスタの電気的特性(電界効果移動度、しきい値電圧、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする電気的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 However, the present invention is not limited to the above, and a transistor having an appropriate composition may be used depending on required electrical characteristics of the transistor (field-effect mobility, threshold voltage, variation, and the like). In order to obtain necessary electrical 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系酸化物半導体を用いたトランジスタでは比較的容易に高い電界効果移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いたトランジスタでも、バルク内欠陥密度を低くすることにより電界効果移動度を上げることができる。 For example, in a transistor including an In—Sn—Zn-based oxide semiconductor, high field effect mobility can be obtained relatively easily. However, even in a transistor including an In—Ga—Zn-based oxide semiconductor, field-effect mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk.
さらに酸化物半導体膜107は、単層構造としてもよいし、複数の酸化物半導体膜が積層された構造としてもよい。例えば、酸化物半導体膜107を、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の積層として、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第1の酸化物半導体膜に三元系金属の酸化物を用い、第2の酸化物半導体膜に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。
Further, the
また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜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の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1またはその組成の近傍とし、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2またはその組成の近傍としてもよい。また、第1の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2またはその組成の近傍とし、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=2:1:3またはその組成の近傍としてもよい。 Alternatively, the constituent elements of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film may be the same, and the compositions of the elements may be different. For example, the atomic ratio of the first oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = 1: 1: 1 or near its composition, and the atomic ratio of the second oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = It may be in the vicinity of 3: 1: 2 or its composition. The atomic ratio of the first oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = 1: 3: 2 or the vicinity thereof, and the atomic ratio of the second oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = It may be in the vicinity of 2: 1: 3 or its composition.
この時、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜のうち、ゲート電極に近い側(チャネル側)の酸化物半導体膜のInとGaの含有率をIn>Gaとするとよい。またゲート電極から遠い側(バックチャネル側)の酸化物半導体膜の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 film on the side close to the gate electrode (channel side) of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film are preferably In> Ga. The content ratio of In and Ga in the oxide semiconductor film far from the gate electrode (back channel side) is preferably In ≦ Ga.
酸化物半導体では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることによりs軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、In>Gaの組成となる酸化物はIn≦Gaの組成となる酸化物と比較して高い移動度を備える。また、GaはInと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、In≦Gaの組成となる酸化物はIn>Gaの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備える。 In oxide semiconductors, heavy metal s orbitals mainly contribute to carrier conduction, and increasing the In content tends to increase the overlap of s orbitals. Compared with an oxide having a composition of In ≦ Ga, high mobility is provided. In addition, since Ga has a larger energy generation energy of oxygen deficiency than In, and oxygen deficiency is less likely to occur, an oxide having a composition of In ≦ Ga has stable characteristics compared to an oxide having a composition of In> Ga. Prepare.
チャネル側にIn>Gaの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にIn≦Gaの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの移動度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の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導体膜を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、アモルファス酸化物半導体膜、またはCAAC−OS膜を適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の少なくともどちらか一方にアモルファス酸化物半導体膜を適用すると、酸化物半導体膜107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 semiconductor films having different crystallinities may be used for the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film. In other words, a single crystal oxide semiconductor film, a polycrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or a CAAC-OS film may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor film is applied to at least one of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film, internal stress of the
一方で、アモルファス酸化物半導体膜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膜は、CAAC−OS膜などの結晶性を有する酸化物半導体膜を適用することが好ましい。 On the other hand, an amorphous oxide semiconductor film easily absorbs an impurity serving as a donor such as hydrogen, and oxygen vacancies easily occur. Therefore, an oxide semiconductor film having crystallinity such as a CAAC-OS film is preferably used as the channel-side oxide semiconductor film.
CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。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.
<ソース電極およびドレイン電極>
ソース電極113aおよびドレイン電極113bには、導電層101と同様の材料を用いることができる。
<Source electrode and drain electrode>
For the
ソース電極113aは、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105が有するコンタクトホール109において、導電層101と電気的に接続されている。なお図1(A)では、ソース電極113aが直接、導電層101と接しているが、これに限らない。他の導電層を介してソース電極113aと導電層101が電気的に接続されていてもよい。
The
ソース電極113aおよびドレイン電極113bは、酸素供給可能な絶縁膜105の窒素を多く含む領域111と接している。窒素を多く含む領域111を介して接することで酸素の授受が生じにくくなり、上記構成とすることで、酸素供給可能な絶縁膜105中の酸素によりソース電極113aおよびドレイン電極113bが酸化されることを抑制できる。
The
<ゲート絶縁膜>
ゲート絶縁膜115には、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と同様の材料を用いることができる。また、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いてもよい。
<Gate insulation film>
For the
<ゲート電極>
ゲート電極117には、導電層101と同様の材料を用いることができる。またゲート電極117としてリン等の不純物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117は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
<Gate electrode>
A material similar to that of the
また、ゲート絶縁膜115と接するゲート電極117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、ゲート電極として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのトランジスタを実現できる。
Further, as one layer of the
<<他の半導体装置の構成>>
次に、図1(B)〜(D)、および図2(A)〜(C)を参照して、本発明の一態様に係る半導体装置の他の構成例について説明する。
<< Configuration of Other Semiconductor Device >>
Next, with reference to FIGS. 1B to 1D and FIGS. 2A to 2C, another example of the structure of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.
図1(B)に示すトランジスタ202を有する半導体装置は、ゲート電極117がソース電極113aおよびドレイン電極113bと重畳せず、酸化物半導体膜107がチャネル形成領域107aおよび一対の低抵抗領域107bを有する点がトランジスタ201と異なる。ゲート電極117がソース電極113aおよびドレイン電極113bと重畳しない構造とすることで、寄生容量を低減することができる。低抵抗領域107bは、不純物を有することで低抵抗化した領域である。チャネル形成領域107aおよび低抵抗領域107bは、ゲート電極117をマスクとして不純物をドーピングすることで形成することができる。不純物としては、例えばリン、窒素、炭素、ホウ素などを用いることができる。
In the semiconductor device including the
また導電層119を有する点がトランジスタ201を有する半導体装置と異なる。導電層119は、トランジスタ202のバックゲートと呼ぶこともできる。
Further, the semiconductor device having the
より具体的には、トランジスタ202は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と接し、チャネル形成領域107aおよび一対の低抵抗領域107bを有する酸化物半導体膜107と、ゲート絶縁膜115と、酸化物半導体膜107とゲート絶縁膜115を介して重畳するゲート電極117と、酸化物半導体膜107と電気的に接続されるソース電極113aおよびドレイン電極113bと、絶縁膜105と、絶縁膜105を介して酸化物半導体膜107と重畳する導電層119を有する。
More specifically, the
トランジスタ202は導電層101および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105上に形成される。酸素供給可能な絶縁膜105は、コンタクトホール109を有し、コンタクトホール109において導電層101とソース電極113aは電気的に接続されている。
The
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また酸化物半導体膜107は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また導電層101は、ソース電極113aと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The insulating
ここで導電層119はゲート電極117と同様の材料および作製方法を適用することができる。導電層119は電気的に絶縁しているフローティングの状態であってもよいし、電位が他から与えられている状態であってもよい。後者の場合、ゲート電極117と同じ高さの電位が与えられていてもよいし、導電層101と同じ高さの電位が与えられていてもよいし、導電層119にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていてもよい。導電層119に与える電位の高さを制御することで、トランジスタ201のしきい値電圧を制御が容易となる。なお導電層119に与える電位の高さを制御する場合、窒素を含む金属酸化物を用いることで、トランジスタ204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することがより容易となる。
Here, a material and a manufacturing method similar to those of the
図1(C)に示すトランジスタ203を有する半導体装置は、トランジスタの構成要素の積層順がトランジスタ201を有する半導体装置と異なる。
A semiconductor device including the
より具体的には、トランジスタ203は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bと、ソース電極113aおよびドレイン電極113b上に設けられて電気的に接続される酸化物半導体膜107と、ゲート絶縁膜115と、酸化物半導体膜107とゲート絶縁膜115を介して重畳するゲート電極117を有する。酸化物半導体膜107は加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と少なくとも一部が接する。
More specifically, the
トランジスタ203は、導電層101および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105上に形成される。酸素供給可能な絶縁膜105は、コンタクトホール109を有し、コンタクトホール109において導電層101とソース電極113aは電気的に接続されている。
The
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また導電層101は、ソース電極113aと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The insulating
なお、トランジスタ203は、酸化物半導体膜107は窒素を多く含む領域111は有さない構成である。
Note that the
図1(D)に示すトランジスタ204を有する半導体装置は、ボトムゲート構造のトランジスタである点がトランジスタ201を有する半導体装置と異なる。
A semiconductor device including the
より具体的には、トランジスタ204は、ゲート電極117上に、加熱により酸素供給可能な絶縁膜からなるゲート絶縁膜115と、ゲート絶縁膜115を介してゲート電極117と重畳する酸化物半導体膜107と、酸化物半導体膜107と電気的に接続されるソース電極113aおよびドレイン電極113bを有する。
More specifically, the
加熱により酸素供給可能な絶縁膜からなるゲート絶縁膜115は、コンタクトホール109を有し、コンタクトホール109において導電層101とソース電極113aは電気的に接続されている。また酸化物半導体膜107は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また導電層101は、ソース電極113aと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The
トランジスタ204のゲート電極117は、導電層101と同一の導電層から形成されていてもよい。またゲート電極117と導電層101が電気的に接続されていてもよい。
The
図2(A)に示すトランジスタ205を有する半導体装置は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105における窒素を多く含む領域111が、トランジスタ201を有する半導体装置と異なる。
A semiconductor device including the
より具体的には、図2(A)における加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、コンタクトホール109の側壁に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。図2(A)における加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ドレイン電極113bとの界面近傍には、窒素を多く含む領域111を有さない構成である。また酸化物半導体膜107も窒素を多く含む領域111を有さない構成である。
More specifically, the insulating
図2(A)のような構成としても、コンタクトホール109の側壁を介して酸素供給可能な絶縁膜105中の過剰酸素が減少すること抑制することができる。また酸化物半導体膜107が窒素を多く含む領域111を有さない構成であるため、低抵抗化がより生じにくくなる。
2A can also suppress a reduction in excess oxygen in the insulating
図2(B)に示すトランジスタ206を有する半導体装置は、導電層101が、導電層121を介してゲート電極117と電気的に接続されている点がトランジスタ201を有する半導体装置と異なる。
A semiconductor device including the
さらに、ゲート絶縁膜115およびトランジスタ206上に設けられている絶縁膜123も、コンタクトホール109を有し、ゲート絶縁膜115および絶縁膜123と導電層121との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
Further, the insulating
また、酸化物半導体膜107がチャネル形成領域107aおよび一対の低抵抗領域107bを有する点もトランジスタ201を有する半導体装置と異なる。
In addition, the
より具体的には、トランジスタ206は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と接しチャネル形成領域107aおよび一対の低抵抗領域107bを有する酸化物半導体膜107と、ゲート絶縁膜115と、酸化物半導体膜107とゲート絶縁膜115を介して重畳するゲート電極117と、酸化物半導体膜107と電気的に接続されるソース電極113aおよびドレイン電極113bと、絶縁膜105と、絶縁膜105を介して酸化物半導体膜107と重畳する導電層119を有する。
More specifically, the
トランジスタ206は導電層101および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105上に形成される。またトランジスタ206上に絶縁膜123が設けられる。酸素供給可能な絶縁膜105、ゲート絶縁膜115および絶縁膜123は、コンタクトホール109を有し、コンタクトホール109に設けられた導電層121を介して導電層101とゲート電極117は電気的に接続されている。
The
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。またゲート絶縁膜115および絶縁膜123は、導電層121との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The insulating
酸化物半導体膜107は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また導電層101は、導電層121と電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The
図2(C)に示すトランジスタ207を有する半導体装置は、容量素子208が設けられている点がトランジスタ206を有する半導体装置と異なる。
A semiconductor device including the
ソース電極113a上に絶縁膜を介して導電層121を設けることで、容量素子208を構成することができる。
By providing the
より具体的には、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と接する酸化物半導体膜107と、ゲート絶縁膜115と、酸化物半導体膜107とゲート絶縁膜115を介して重畳するゲート電極117と、酸化物半導体膜107と電気的に接続されるソース電極113aおよびドレイン電極113bと、絶縁膜105と、絶縁膜105を介して酸化物半導体膜107と重畳する導電層119を有する。
More specifically, the
トランジスタ207は導電層101および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105上に形成される。またトランジスタ207上に絶縁膜123が設けられる。酸素供給可能な絶縁膜105、ゲート絶縁膜115および絶縁膜123は、コンタクトホール109を有する。コンタクトホール109に設けられた導電層121は、ゲート絶縁膜115および絶縁膜123を介してソース電極113a上に設けられている。
The
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また絶縁膜123は、導電層121との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The insulating
酸化物半導体膜107は、ソース電極113aおよびドレイン電極113bとの界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。また導電層101は、ソース電極113aと電気的に接続されている界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域111を有する。
The
本実施の形態で示したそれぞれの半導体装置の特徴は、他の半導体装置の特徴と組み合わせて用いることができる。 The features of each semiconductor device described in this embodiment can be used in combination with the features of other semiconductor devices.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法の一例について、図3および図4を参照して説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施の形態では、図1(A)に示すトランジスタ201を有する半導体装置の作製方法について述べる。他の半導体装置の作製方法は、トランジスタ201を有する半導体装置の作製方法を参酌することができる。
In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device including the
まず、絶縁層103、導電層101および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105を形成する(図3(A)参照)。
First, the insulating
絶縁層103は、実施の形態1に記載の材料を用いて、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成することができる。また導電層101も、実施の形態1に記載の材料を用いて、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成した導電膜を加工することで形成することができる。
The insulating
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成することができ、プラズマCVD法を適用する場合、原料のガスとしては金属およびシリコンの水素化合物、金属化合物、ハロゲン化物等を用いることができる。たとえば酸化窒化シリコンを形成する場合、材料ガスとしてはシランおよび亜酸化窒素を用いることができる。酸化ガリウムを形成する場合、トリメチルガリウム等を用いることができる。加熱により酸素供給可能な絶縁膜105を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて成膜すればよい。又は、成膜後の加熱により酸素供給可能な絶縁膜105に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して、過剰酸素を含有させてもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
The insulating
次に、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105上に酸化物半導体膜を形成し、島状に加工して酸化物半導体膜107を形成する(図3(B)参照)。酸化物半導体膜107の膜厚は、例えば、1nm乃至30nm、好ましくは5nm乃至10nmとする。酸化物半導体膜107の膜厚を30nm以下、好ましくは10nm以下とすることで、トランジスタ201のオフ電流を低くすることが容易となる。
Next, an oxide semiconductor film is formed over the insulating
酸化物半導体膜は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、アモルファス構造であってもよいし、結晶性を有していてもよい。酸化物半導体膜をアモルファス構造とする場合には、後の作製工程において、酸化物半導体膜に熱処理を行うことによって、結晶性酸化物半導体膜としてもよい。アモルファス酸化物半導体膜を結晶化させる熱処理の温度は、250℃以上700℃以下、好ましくは、400℃以上、より好ましくは500℃以上、さらに好ましくは550℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程における他の熱処理を兼ねることも可能である。 The oxide semiconductor film may have a single layer structure or a stacked structure. Moreover, an amorphous structure may be sufficient and it may have crystallinity. In the case where the oxide semiconductor film has an amorphous structure, a crystalline oxide semiconductor film may be formed by performing heat treatment on the oxide semiconductor film in a later manufacturing process. The temperature of the heat treatment for crystallizing the amorphous oxide semiconductor film is 250 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, and further preferably 550 ° C. or higher. Note that the heat treatment can also serve as another heat treatment in the manufacturing process.
酸化物半導体膜の成膜方法は、スパッタリング法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、プラズマCVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、ミストCVD法等を適宜用いることができる。 As a method for forming the oxide semiconductor film, a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a plasma CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a mist CVD method, or the like can be used as appropriate.
酸化物半導体膜を成膜する際、できる限り酸化物半導体膜に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるために、例えばスパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、ヒドロキシ基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いることが好ましい。 When forming the oxide semiconductor film, it is preferable to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor film as much as possible. In order to reduce the hydrogen concentration, for example, when film formation is performed using a sputtering method, impurities such as hydrogen, water, a hydroxy group, or a hydride are removed as an atmospheric gas supplied into the processing chamber of the sputtering apparatus. It is preferable to appropriately use a high-purity rare gas (typically argon), oxygen, and a mixed gas of a rare gas and oxygen.
また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体膜の水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子、水など水素原子を含む化合物、さらには炭素原子を含む化合物等の排気能力が高いため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In addition, the hydrogen concentration of the formed oxide semiconductor film can be reduced by introducing a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed while removing residual moisture in the deposition chamber. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used. The film formation chamber evacuated using a cryopump has a high exhaust capability such as a compound containing hydrogen atoms such as hydrogen molecules and water, and a compound containing carbon atoms. The concentration of impurities contained in the semiconductor film can be reduced.
また、酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜を緻密な膜とすることができる。 In the case where the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, the relative density (filling ratio) of the metal oxide target used for film formation is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. . By using a metal oxide target with a high relative density, the formed oxide semiconductor film can be a dense film.
また、基板を高温に保持した状態で酸化物半導体膜を形成することも、酸化物半導体膜中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が200℃以上350℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、酸化物半導体膜の結晶性高めることができる。 In addition, forming the oxide semiconductor film with the substrate held at a high temperature is also effective in reducing the concentration of impurities that can be contained in the oxide semiconductor film. The temperature for heating the substrate may be 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and preferably the substrate temperature may be 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. In addition, the crystallinity of the oxide semiconductor film can be increased by heating the substrate at a high temperature during film formation.
また、酸化物半導体膜107に、当該酸化物半導体膜107に含まれる過剰な水素(水やヒドロキシ基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。
The
この熱処理によって、例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体膜107に含まれる水素濃度を、5×1019/cm3以下、好ましくは5×1018/cm3、より好ましくは5×1017atoms/cm3以下とすることができる。
By this heat treatment, for example, the concentration of hydrogen contained in the
なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体膜の成膜後であればトランジスタ201の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。また、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の熱処理と兼ねてもよい。
Note that heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed at any timing in the manufacturing process of the
なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理を、酸化物半導体膜を島状に加工する前に行うと、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105に含まれる酸素が熱処理によって外部へ放出されるのを防止することができるため好ましい。
Note that when heat treatment for dehydration or dehydrogenation is performed before the oxide semiconductor film is processed into an island shape, oxygen contained in the insulating
熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 In the heat treatment, it is preferable that water or hydrogen is not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably Is preferably 0.1 ppm or less).
また、熱処理で酸化物半導体膜107を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の亜酸化窒素ガス、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。酸素ガス又は亜酸化窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は亜酸化窒素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガス又は亜酸化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。酸素ガス又は亜酸化窒素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給するができる。酸素を供給することによって、酸化物半導体膜107を高純度化及びi型(真性)化することができる。i型(真性)化した酸化物半導体を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
Further, after the
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体膜に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を導入して膜中に酸素を供給してもよい。 Alternatively, oxygen (at least including any of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) may be introduced into the oxide semiconductor film that has been subjected to dehydration or dehydrogenation treatment to supply oxygen into the film. Good.
なお、酸化物半導体膜への酸素導入は、酸化物半導体膜に直接行ってもよいし、後に形成されるゲート絶縁膜115などの他の膜を通過して酸化物半導体膜107に行ってもよい。酸素を他の膜を通過して酸素を導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いればよい。露出された酸化物半導体膜107へ直接酸素を導入する場合は、上記の方法に加えてプラズマ処理なども用いることができる。
Note that oxygen introduction into the oxide semiconductor film may be performed directly on the oxide semiconductor film or may be performed on the
酸素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、O2ガス、N2Oガス、CO2ガス、COガス、NO2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 the oxygen supply gas, 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 may be used. Note that a rare gas (eg, Ar) may be included in the oxygen supply gas.
例えば、イオン注入法で酸化物半導体膜107へ酸素イオンの注入を行う場合、ドーズ量を1×1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよい。
For example, in the case where oxygen ions are implanted into the
酸化物半導体膜への酸素の供給は酸化物半導体膜の成膜後であれば、そのタイミングは特に限定されない。また、酸化物半導体膜への酸素の導入は複数回行ってもよい。また、酸化物半導体膜を複数層の積層構造とする場合には、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び/又は酸素の供給は、各酸化物半導体膜に対して別々に行ってもよいし、積層構造を形成した後の酸化物半導体膜に対して行ってもよい。 The timing of oxygen supply to the oxide semiconductor film is not particularly limited as long as it is after the oxide semiconductor film is formed. Further, oxygen may be introduced into the oxide semiconductor film a plurality of times. In the case where the oxide semiconductor film has a stacked structure of a plurality of layers, heat treatment for dehydration or dehydrogenation and / or supply of oxygen may be separately performed on each oxide semiconductor film. Then, the oxide semiconductor film after the stacked structure may be formed.
加熱により酸素供給可能な絶縁膜105を形成する場合は、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と酸化物半導体膜107とを大気に曝露せずに連続的に形成することが好ましい。加熱により酸素供給可能な絶縁膜105と酸化物半導体膜107とを大気に曝露せずに連続して形成すると、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105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。
In the case where the insulating
次に、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105にコンタクトホール109を形成する(図3(C)参照)。コンタクトホール109は、フォトレジスト等によりマスク108を形成し、マスク108を用いて加熱により酸素供給可能な絶縁膜105の一部を選択的にエッチングすることで形成することができる。
Next, a
次に、酸素供給可能な絶縁膜105および酸化物半導体膜107に窒化処理を行い、窒素を多く含む領域111を形成する(図3(D)参照)。
Next, nitriding treatment is performed on the insulating
窒化処理としては、高密度プラズマ装置、高密度プラズマCVD等による窒素プラズマを用いた処理、プラズマエッチング装置による窒素プラズマを用いた処理、イオン注入装置による窒素イオン注入処理等を適用することができる。 As the nitriding treatment, a high-density plasma apparatus, a treatment using nitrogen plasma by high-density plasma CVD, a treatment using nitrogen plasma by a plasma etching apparatus, a nitrogen ion implantation treatment by an ion implantation apparatus, or the like can be applied.
高密度プラズマCVD装置による窒素プラズマを用いた処理を行う場合は、ガス流量比Ar:N2=5:1(体積比)、圧力40Paといった条件や、ガス流量比Ar:N2:H2=50:10:1(体積比)、圧力40Paといった条件等を適用することができる。
When processing using nitrogen plasma by a high-density plasma CVD apparatus is performed, conditions such as a gas flow ratio Ar: N 2 = 5: 1 (volume ratio) and a
窒化処理を行うことで、酸素供給可能な絶縁膜105および酸化物半導体膜107の露出した表面から内部に向かって窒素濃度を連続的に減少させることができる。仮にこれらの露出した表面に窒化シリコン膜を設けると、窒素濃度の変化は非連続的となる。これは本発明の一態様とは異なる状態である。
By performing the nitriding treatment, the nitrogen concentration can be continuously reduced from the exposed surfaces of the insulating
なお図3(D)ではマスク108を除去した後に窒化処理を行う場合を示したが、これに限らない。マスク108を除去する前に窒化処理を行い、窒素を多く含む領域111を形成してもよい。この方法により、コンタクトホール109の側壁にのみ窒素を多く含む領域111を形成することができる。
Note that FIG. 3D illustrates the case where the nitriding treatment is performed after the
次に、窒化処理によって表面に内部よりも窒素を多く含んだ、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105および酸化物半導体膜107上に、導電層113を形成する(図4(A)参照)。
Next, a
次に、導電層113を加工してソース電極113aおよびドレイン電極113bを形成する(図4(B)参照)。
Next, the
このとき、酸化物半導体膜107および加熱により酸素供給可能な絶縁膜105の、ソース電極113aおよびドレイン電極113bと重畳しない領域は、窒素を多く含む領域が除去される。そのため酸化物半導体膜107のチャネル形成領域においては窒素を多く含む領域111を有さない構成とすることができる。また酸素供給可能な絶縁膜105の、ソース電極113aおよびドレイン電極113bと重畳しない領域は、窒素を多く含む領域111を有さない構成とすることができる。
At this time, a region containing a large amount of nitrogen is removed from the
次に、酸化物半導体膜107、ソース電極113aおよびドレイン電極113b上にゲート絶縁膜115およびゲート電極117を形成する(図4(C)参照)。このようにして、トランジスタ201を有する半導体装置を作製することができる。
Next, the
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る実施の形態1と異なる半導体装置、より具体的には酸化物半導体とそれ以外の半導体材料(たとえば単結晶シリコン)を組み合わせた半導体装置の構成例について、図5および図6を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a semiconductor device different from that in
まず、トランジスタ301およびトランジスタ302上にトランジスタ201を有する半導体装置について、図5に示す断面図を参照して説明する。
First, a semiconductor device including the
トランジスタ301およびトランジスタ302は、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタである。酸化物半導体以外の半導体材料としては、シリコン(非晶質シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン等)、炭化シリコン、ゲルマニウムなどの単結晶半導体、多結晶半導体、シリコンゲルマニウム、砒化ガリウム、リン化インジウムなどの化合物半導体、有機半導体等を用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ301およびトランジスタ302について単結晶シリコンを用いたトランジスタとして説明する。
The
トランジスタ301は、nチャネル型トランジスタであり、シリコン基板311上にpウェル315、pウェル315中に形成されたn+領域である一対のソース領域およびドレイン領域325、ゲート絶縁膜319、ゲート絶縁膜319上のゲート電極321を有する。ソース領域およびドレイン領域325の一方は電極329bと電気的に接続され、ソース領域およびドレイン領域325の他方は電極329aと電気的に接続されている。
The
トランジスタ302は、pチャネル型トランジスタであり、シリコン基板311上にnウェル317、nウェル317中に形成されたp+領域である一対のソース領域およびドレイン領域327、ゲート絶縁膜319、ゲート絶縁膜319上のゲート電極323を有する。ソース領域およびドレイン領域327の他方は電極329bと電気的に接続され、ソース領域およびドレイン領域325の一方は電極329cと電気的に接続されている。
The
トランジスタ202は、図1(B)で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタである。導電層101は、電極329bと電気的に接続されている。
The
トランジスタ301のソース領域およびドレイン領域325の一方、トランジスタ302のソース領域およびドレイン領域327の他方、並びに導電層101は電気的に接続されている。
One of the source region and the
トランジスタ301とトランジスタ302は1つのCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)として機能させることができる。すなわち、シリコンを用いたCMOSのゲートに、酸化物半導体を用いたトランジスタのソース電極113aが電気的に接続されているということができる。そのため、たとえば単結晶シリコンを用いたトランジスタの移動度が高いという特徴と、酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流が極めて低いという特徴を併せ持った半導体装置とすることができる。
The
酸素は、酸化物半導体を用いたトランジスタに好影響を与えるのに対し、シリコンを用いたトランジスタには悪影響を与える。また水素は、酸化物半導体を用いたトランジスタにはドナーとして振る舞いオフ電流を増大させる等の悪影響を与えるのに対して、シリコンを用いたトランジスタには好影響を与える。 Oxygen has a positive effect on a transistor using an oxide semiconductor, but adversely affects a transistor using silicon. In addition, hydrogen acts as a donor on a transistor using an oxide semiconductor and has an adverse effect such as increasing off-state current, but has a favorable effect on a transistor using silicon.
そのためシリコンを用いたトランジスタ301およびトランジスタ302を有する層では、トランジスタの周囲の絶縁膜328として水素を含む絶縁膜を用いることが好ましい。しかし絶縁膜328に含まれる水素がトランジスタ202に達すると、トランジスタ202に悪影響を与える恐れがある。
Therefore, in a layer including the
また酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層では、加熱により酸素供給可能な絶縁膜105を用いる。しかし加熱により酸素供給可能な絶縁膜105に含まれる酸素がトランジスタ301およびトランジスタ302に達すると、上記のような悪影響を与える恐れがある。
In the layer having a transistor including an oxide semiconductor, the insulating
そこでシリコンを用いたトランジスタを有する層と、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層の間に、酸素および水素の拡散を抑制できる材料を含む絶縁膜104を設けることが好ましい。酸素および水素の拡散を抑制できる材料としては、例えば酸化アルミニウムが挙げられる。
Therefore, it is preferable to provide the insulating
絶縁膜104を設けることで、水素および酸素の拡散を防止することができる。これにより、トランジスタ301およびトランジスタ302、並びにトランジスタ201の信頼性を向上させることができる。
By providing the insulating
また、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層の上にも、酸素および水素の拡散を抑制できる材料を含む絶縁膜124を設けることが好ましい。絶縁膜124を設けることで、外部からの水素、水等の不純物の侵入を防止することができる。これによりトランジスタ301およびトランジスタ302、並びにトランジスタ201の信頼性を向上させることができる。
In addition, the insulating
次に、トランジスタ501上に積層された複数のトランジスタ201を有する半導体装置について、図6(A)に示す上面図および図6(B)に示す断面図を参照して説明する。
Next, a semiconductor device including a plurality of
トランジスタ501は、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタである。酸化物半導体以外の半導体材料としては、トランジスタ301およびトランジスタ302と同様の材料を用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ501についてSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて形成された、単結晶シリコンを用いたトランジスタとして説明する。
The
複数のトランジスタ201(トランジスタ201_1、トランジスタ201_2、トランジスタ201_3)は、図1(A)で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタである。 The plurality of transistors 201 (the transistor 201_1, the transistor 201_2, and the transistor 201_3) are transistors each including the oxide semiconductor described with reference to FIG.
図6に示す半導体装置は、トランジスタ501を有する層401の上に、トランジスタ201_1を有する層403_1、トランジスタ201_2を有する層403_2、トランジスタ201_3を有する層403_3を有する。
6 includes a layer 403_1 including the transistor 201_1, a layer 403_2 including the transistor 201_2, and a layer 403_3 including the transistor 201_3 over the
図6(A)は、トランジスタ201_1を有する層403_1の上面図である。トランジスタ201_1は、絶縁膜413上に、ソース電極415a、ドレイン電極415b、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極409を有する。
FIG. 6A is a top view of the layer 403_1 including the transistor 201_1. The transistor 201_1 includes a
トランジスタ501、トランジスタ201_1、トランジスタ201_2およびトランジスタ201_3は電気的に接続されている。
The
より具体的には、トランジスタ501のゲート電極は、トランジスタ201_1のドレイン電極415b、トランジスタ201_2のドレイン電極およびトランジスタ201_3のドレイン電極と電気的に接続されている。
More specifically, the gate electrode of the
ここで、トランジスタ201の酸化物半導体膜に接する絶縁膜413を、加熱により酸素供給可能な絶縁膜とする。また絶縁膜413の、トランジスタ201のソース電極およびドレイン電極との界面近傍に、内部よりも窒素を多く含む領域を設ける。
Here, the insulating
また、トランジスタ501とトランジスタ201_1の間に設けられる絶縁膜104は、酸素および水素の拡散を抑制できる材料を含むことが好ましい。酸素および水素の拡散を抑制できる材料を含む絶縁膜104を設けることで、トランジスタ501およびトランジスタ201の信頼性を向上させることができる。
The insulating
図5および図6のように、酸化物半導体と、それ以外の半導体材料を組み合わせて用いることで、それぞれの半導体材料の利点を併せ持った半導体装置とすることができる。また複数のトランジスタを積層して用いることで、集積度の高い半導体装置とすることができる。 As illustrated in FIGS. 5 and 6, by using a combination of an oxide semiconductor and another semiconductor material, a semiconductor device having the advantages of the respective semiconductor materials can be obtained. Further, by stacking and using a plurality of transistors, a highly integrated semiconductor device can be obtained.
本実施の形態で示した半導体装置は、他の実施の形態で示した半導体装置と組み合わせて用いることができる。 The semiconductor device described in this embodiment can be used in combination with any of the semiconductor devices described in the other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した半導体装置を有する回路の例について、図7を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a circuit including the semiconductor device described in
実施の形態1で説明した半導体装置、たとえば図2(C)で示した、ソース電極上に絶縁膜を介して配線を設けることで容量素子を構成した半導体装置を用いて、記憶素子を構成することが可能である。
A memory element is formed using the semiconductor device described in
図7(A)に示す半導体装置は、トランジスタ601、トランジスタ602および容量素子603を有する。
A semiconductor device illustrated in FIG. 7A includes a
トランジスタ601のゲート電極は、トランジスタ602のソース電極またはドレイン電極の一方および容量素子の電極の一方と電気的に接続されている。図7(A)に示す半導体装置は、トランジスタ601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、記憶素子として用いることができる。
A gate electrode of the
トランジスタ601は、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタである。酸化物半導体以外の半導体材料としては、トランジスタ301およびトランジスタ302と同様の材料を用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ501についてSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて形成された、単結晶シリコンを用いたトランジスタとして説明する。
The
トランジスタ602および容量素子603としては、実施の形態1の図2(C)で示したトランジスタ207および容量素子208を用いることができる。
As the
なお図7(A)ではトランジスタ601としてpチャネル型のトランジスタを適用しているが、nチャネル型トランジスタとpチャネル型トランジスタのどちらを用いても構わない。単結晶シリコンを用いたトランジスタ601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。
Note that a p-channel transistor is used as the
トランジスタ602は酸化物半導体を用いたトランジスタであり、オフ電流を極めて小さくすることができるため、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。
The
また実施の形態1で説明した半導体装置、たとえば図1(B)で示したバックゲートを有する酸化物半導体を用いたトランジスタ202を用いて、論理回路を構成することが可能である。
In addition, a logic circuit can be formed using the semiconductor device described in
図7(B−1)、(B−2)、(C−1)および(C−2)において、入力信号A、入力信号B、出力信号Xについて”0”を低電位、”1”を高電位とし、バックゲート電位Vbgをたとえば接地電位とする。各信号および電位の入出力端子は、各信号および電位と同じ符号で示す。 7 (B-1), (B-2), (C-1), and (C-2), “0” is set to a low potential and “1” is set to “0” for the input signal A, the input signal B, and the output signal X. The back gate potential Vbg is set to, for example, the ground potential. Input / output terminals for each signal and potential are denoted by the same reference numerals as those for each signal and potential.
このとき、図7(B−1)はOR回路、図7(B−2)はNOR回路、図7(C−1)はAND回路、図7(C−2)は、NAND回路として機能させることができる。 At this time, FIG. 7B-1 functions as an OR circuit, FIG. 7B-2 functions as a NOR circuit, FIG. 7C-1 functions as an AND circuit, and FIG. 7C-2 functions as a NAND circuit. be able to.
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した半導体装置を有する表示装置について説明する。
<EL素子を用いた表示装置の例>
まず図8および図9を用いて、EL素子を用いた表示装置の例について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a display device including the semiconductor device described in
<Example of display device using EL element>
First, an example of a display device using an EL element will be described with reference to FIGS.
図8(A)に、トランジスタ716および容量素子718を有する、EL素子を用いた画素の断面図を示す。トランジスタ716には、たとえば図1(B)で説明したトランジスタを用いることができる。
FIG. 8A is a cross-sectional view of a pixel including an EL element which includes a
トランジスタ716および容量素子718上には、トランジスタ716のソース電極またはドレイン電極に達する開口部を有する平坦化絶縁膜780が設けられる。
A
平坦化絶縁膜780上には、アノード781が設けられる。アノード781は、平坦化絶縁膜780の有する開口部でトランジスタ716のソース電極と接する。
An
アノード781上には、アノード781に達する開口部を有する隔壁784が設けられる。
A
隔壁784上には、隔壁784に設けられた開口部でアノード781と接する発光層782が設けられる。
A light-emitting
発光層782上には、カソード783が設けられる。
A
アノード781、発光層782およびカソード783の重畳する領域が、有機EL素子719となる。
A region where the
発光層782は、一層に限定されず、複数種の発光材料などを積層して設けてもよい。例えば、図8(B)に示すような構造とすればよい。図8(B)は、中間層785a、発光層786a、中間層785b、発光層786b、中間層785c、発光層786cおよび中間層785dの順番で積層した構造である。このとき、第1の発光層786a、発光層786bおよび発光層786cに適切な発光色の材料を用いると演色性の高い、または発光効率の高い、有機EL素子719を形成することができる。
The light-emitting
発光材料を複数種積層して設けることで、白色光を得てもよい。図8(A)には示さないが、白色光を、着色層を介して取り出す構造としても構わない。 White light may be obtained by stacking a plurality of types of light emitting materials. Although not shown in FIG. 8A, a structure in which white light is extracted through a colored layer may be used.
ここでは発光層782を3層および中間層を4層設けた構造を示しているが、これに限定されるものではなく、適宜発光層の数および中間層の数を変更することができる。例えば、中間層785a、発光層786a、中間層785b、発光層786bおよび中間層785cのみで構成することもできる。また、中間層785a、発光層786a、中間層785b、発光層786b、発光層786cおよび中間層785dで構成し、中間層785cを省いた構造としても構わない。
Although a structure in which three
また、中間層は、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層などを積層構造で用いることができる。なお、中間層は、これらの層を全て備えなくてもよい。これらの層は適宜選択して設ければよい。なお、同様の機能を有する層を重複して設けてもよい。また、中間層としてキャリア発生層のほか、電子リレー層などを適宜加えてもよい。 As the intermediate layer, a hole injection layer, a hole transport layer, an electron transport layer, an electron injection layer, and the like can be used in a stacked structure. Note that the intermediate layer may not include all of these layers. These layers may be appropriately selected and provided. Note that a layer having a similar function may be provided in an overlapping manner. In addition to the carrier generation layer, an electronic relay layer or the like may be appropriately added as an intermediate layer.
アノード781は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。可視光透過性を有するとは、可視光領域(例えば400nm〜800nmの波長範囲)における平均の透過率が70%以上、特に80%以上であることをいう。
For the
アノード781としては、例えば、In−Zn−W系酸化物膜、In−Sn系酸化物膜、In−Zn系酸化物膜、In系酸化物膜、Zn系酸化物膜およびSn系酸化物膜などの酸化物膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Al、Ga、Sb、Fなどが微量添加されてもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜(好ましくは、5nm〜30nm程度)を用いることもできる。例えば5nmの膜厚を有するAg膜、Mg膜またはAg−Mg合金膜を用いてもよい。
Examples of the
または、アノード781は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。アノード781は、例えば、リチウム、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ランタン、銀、シリコンまたはニッケルを含む膜を用いればよい。
Alternatively, the
カソード783は、アノード781として示した膜から選択して用いることができる。ただし、アノード781が可視光透過性を有する場合は、カソード783が可視光を効率よく反射すると好ましい。また、アノード781が可視光を効率よく反射する場合は、カソード783が可視光透過性を有すると好ましい。
The
なお、アノード781およびカソード783を図8(A)に示す構造で設けているが、アノード781とカソード783を入れ替えても構わない。アノードとして機能する電極には、仕事関数の大きい材料を用いることが好ましく、カソードとして機能する電極には仕事関数の小さい材料を用いることが好ましい。ただし、アノードと接してキャリア発生層を設ける場合には、仕事関数を考慮せずに様々な導電性材料を陽極に用いることができる。
Note that although the
有機EL素子719と接続するトランジスタ716は、電気的特性のばらつきが小さいため、表示装置の表示品質を高めることができる。
Since the
<液晶素子を用いた表示装置の例>
図8では、表示素子として有機EL素子を用いた表示装置について詳細に示したが、これに限らない。例えば、表示素子として、液晶素子を用いた表示装置に本実施の形態を適用することは、当業者であれば容易に想到しうるものである。
<Example of display device using liquid crystal element>
Although FIG. 8 shows in detail a display device using an organic EL element as a display element, the present invention is not limited to this. For example, those skilled in the art can easily conceive applying this embodiment to a display device using a liquid crystal element as a display element.
具体的な例として、液晶素子を用いた表示装置に適用可能な画素の構成について、図9を用いて以下に説明する。 As a specific example, a pixel structure applicable to a display device using a liquid crystal element is described below with reference to FIGS.
図9(A)は、液晶素子を用いた表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図9(A)に示す画素750は、トランジスタ751と、容量素子752と、一対の電極間に液晶材料の充填された素子(以下液晶素子ともいう)753とを有する。
FIG. 9A is a circuit diagram illustrating a configuration example of a pixel of a display device using a liquid crystal element. A
ここで、トランジスタ751に、たとえば図1(B)で説明したトランジスタを適用することができる。先の実施の形態で示したトランジスタを適用することで、画素750が有する回路の消費電力を低減し、集積度を向上させることができる。
Here, the transistor described in FIG. 1B can be used as the
トランジスタ751では、ソースおよびドレインの一方が信号線755に電気的に接続され、ゲートが走査線754に電気的に接続されている。
In the
容量素子752では、一方の電極がトランジスタ751のソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
In the
液晶素子753では、一方の電極がトランジスタ751のソースおよびドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述の容量素子752の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子753の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
In the
図9(B)に、画素750の断面のうちトランジスタ751および容量素子752を含む部分を示す。
FIG. 9B illustrates a portion including a
トランジスタ751および容量素子752上には、トランジスタ751のソース電極またはドレイン電極に達する開口部を有する平坦化絶縁膜790が設けられる。
A
平坦化絶縁膜790上には、電極791が設けられる。電極791は、平坦化絶縁膜790の有する開口部でトランジスタ751のソース電極と接する。
An electrode 791 is provided over the
電極791上には、配向膜として機能する絶縁膜792が設けられる。 An insulating film 792 functioning as an alignment film is provided over the electrode 791.
絶縁膜792上には、液晶層793が設けられる。
A
液晶層793上には、配向膜として機能する絶縁膜794が設けられる。
An insulating
絶縁膜794上には、スペーサ795が設けられる。
A spacer 795 is provided over the insulating
スペーサ795および絶縁膜794上には、電極796が設けられる。
An
電極796上には、基板797が設けられる。
A
液晶層793は、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などを用いればよい。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相などを示す。
As the
なお、液晶層793として、ブルー相を示す液晶材料を用いてもよい。その場合、配向膜として機能する絶縁膜792、794を設けない構成とすることができる。
Note that a liquid crystal material exhibiting a blue phase may be used for the
電極791は、可視光透過性を有する導電膜を用いればよい。 As the electrode 791, a conductive film having visible light permeability may be used.
電極791としては、例えば、In−Zn−W系酸化物膜、In−Sn系酸化物膜、In−Zn系酸化物膜、In系酸化物膜、Zn系酸化物膜およびSn系酸化物膜などの酸化物膜を用いればよい。また、前述の酸化物膜は、Al、Ga、Sb、Fなどが微量添加されてもよい。また、光を透過する程度の金属薄膜(好ましくは、5nm〜30nm程度)を用いることもできる。 Examples of the electrode 791 include an In—Zn—W-based oxide film, an In—Sn-based oxide film, an In—Zn-based oxide film, an In-based oxide film, a Zn-based oxide film, and a Sn-based oxide film. An oxide film such as the above may be used. In addition, a small amount of Al, Ga, Sb, F, or the like may be added to the above oxide film. Alternatively, a metal thin film that transmits light (preferably, approximately 5 nm to 30 nm) can be used.
または、電極791は、可視光を効率よく反射する膜が好ましい。電極791は、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、銅、モリブデン、銀、タンタルまたはタングステンを含む膜を用いればよい。 Alternatively, the electrode 791 is preferably a film that reflects visible light efficiently. For the electrode 791, for example, a film containing aluminum, titanium, chromium, copper, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten may be used.
電極796は、電極791として示した膜から選択して用いることができる。ただし、電極791が可視光透過性を有する場合は、電極796が可視光を効率よく反射すると好ましい。また、電極791が可視光を効率よく反射する場合は、電極796が可視光透過性を有すると好ましい。
The
なお、電極791および電極796を図9(B)に示す構造で設けているが、電極791と電極796を入れ替えても構わない。
Note that although the electrode 791 and the
絶縁膜792、794は、有機化合物材料または無機化合物材料から選択して用いればよい。
The insulating
スペーサ795は、有機化合物材料または無機化合物材料から選択して用いればよい。なお、スペーサ795の形状は、柱状、球状など様々にとることができる。 The spacer 795 may be selected from an organic compound material or an inorganic compound material. Note that the spacer 795 can have various shapes such as a columnar shape and a spherical shape.
液晶素子753と接続するトランジスタ751は、電気的特性のばらつきが小さいため、表示装置の表示品質を高めることができる。
Since the
電極791、絶縁膜792、液晶層793、絶縁膜794および電極796の重畳する領域が、液晶素子753となる。
A region where the electrode 791, the insulating film 792, the
基板797は、ガラス材料、樹脂材料または金属材料などを用いればよい。基板797は可撓性を有してもよい。
For the
トランジスタ751は、電気的特性のばらつきが小さいため、表示装置の表示品質を高めることができる。
Since the
本実施の形態に示したように、先の実施の形態で示したトランジスタを表示装置の一部に適用することができる。当該トランジスタは電気的特性のばらつきが小さいため、表示装置の表示品質を高めることができる。 As described in this embodiment, the transistor described in the above embodiment can be applied to part of a display device. Since the transistor has little variation in electrical characteristics, display quality of the display device can be improved.
(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した半導体装置を有するCPU(Central Processing Unit(中央処理装置、又は中央演算処理装置))の構成について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a structure of a CPU (Central Processing Unit (central processing unit or central processing unit)) including the semiconductor device described in
図10に、本実施の形態のCPUの構成を示す。図10に示すCPUは、基板800上に、ALU801、ALU・Controller802、Instruction・Decoder803、Interrupt・Controller804、Timing・Controller805、Register806、Register・Controller807、Bus・I/F808、書き換え可能なROM809、ROM・I/F820と、を主に有している。なお、ALUはArithmetic logic unitであり、Bus・I/Fはバスインターフェースであり、ROM・I/FはROMインターフェースである。ROM809及びROM・I/F820は、別チップに設けても良い。勿論、図10に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。
FIG. 10 shows the configuration of the CPU of this embodiment. The CPU shown in FIG. 10 has an
Bus・I/F808を介してCPUに入力された命令は、Instruction・Decoder803に入力され、デコードされた後、ALU・Controller802、Interrupt・Controller804、Register・Controller807、Timing・Controller805に入力される。
An instruction input to the CPU via the bus / I / F 808 is input to the instruction /
ALU・Controller802、Interrupt・Controller804、Register・Controller807、Timing・Controller805は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALU・Controller802は、ALU801の動作を制御するための信号を生成する。また、Interrupt・Controller804は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。Register・Controller807は、Register806のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてRegister806の読み出しや書き込みを行なう。
The ALU /
またTiming・Controller805は、ALU801、ALU・Controller802、Instruction・Decoder803、Interrupt・Controller804、Register・Controller807の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばTiming・Controller805は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。
The
本実施の形態のCPUでは、Register806に、上記実施の形態で示した構成を有する記憶装置が設けられている。実施の形態で示した構成を有する記憶装置は不揮発性記憶装置であるため、CPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、CPUを停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。
In the CPU of this embodiment, the
本実施の形態では、CPUを例に挙げて説明したが、本発明の信号処理回路はCPUに限定されず、マイクロプロセッサ、画像処理回路、DSP、FPGA等のLSIにも応用可能である。 In this embodiment, the CPU has been described as an example. However, the signal processing circuit of the present invention is not limited to the CPU, and can be applied to LSIs such as a microprocessor, an image processing circuit, a DSP, and an FPGA.
本実施の形態は、他の実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments.
(実施の形態7)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合について、図11を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯情報端末(携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む)、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)などの電子機器に、上述の半導体装置を適用する場合について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, the case where the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to an electronic device will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a computer, a mobile phone (also referred to as a mobile phone or a mobile phone device), a mobile information terminal (including a portable game machine, an audio playback device, etc.), a digital camera, a digital video camera, electronic paper, a television The case where the above-described semiconductor device is applied to an electronic device such as a device (also referred to as a television or a television receiver) will be described.
図11(A)は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、筐体901、筐体902、表示部903、キーボード904などによって構成されている。筐体901と筐体902の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータが実現される。
FIG. 11A illustrates a laptop personal computer, which includes a
図11(B)は、タブレット型端末910である。タブレット型端末910は、表示部912を有する筐体911と、表示部914を有する筐体913と、操作ボタン915を有する。また、タブレット型端末910を操作するスタイラス917などを備えている。筐体911と筐体913の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高い携帯情報端末が実現される。
FIG. 11B illustrates a
図11(C)は、電子ペーパーを実装した電子書籍920であり、筐体921と筐体923の2つの筐体で構成されている。筐体921および筐体923には、それぞれ表示部925および表示部927が設けられている。筐体921と筐体923は、軸部937により接続されており、該軸部937を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体921は、電源931、操作キー933、スピーカー935などを備えている。筐体921、筐体923の少なくとも一つの内部には、メモリ回路が設けられており、メモリ回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高い電子書籍が実現される。
FIG. 11C illustrates an
図11(D)は、携帯電話機であり、筐体940と筐体941の2つの筐体で構成されている。さらに、筐体940と筐体941は、スライドし、図11(D)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。また、筐体941は、表示パネル942、スピーカー943、マイクロフォン944、操作キー945、ポインティングデバイス946、カメラ用レンズ947、外部接続端子948などを備えている。また、筐体940は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル949、外部メモリスロット950などを備えている。また、アンテナは、筐体941に内蔵されている。筐体940と筐体941の少なくとも一つの内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高い携帯電話機が実現される。
FIG. 11D illustrates a mobile phone, which includes two housings, a
図11(E)は、デジタルカメラであり、本体961、表示部967、接眼部963、操作スイッチ964、表示部965、バッテリー966などによって構成されている。本体961内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高いデジタルカメラが実現される。
FIG. 11E illustrates a digital camera, which includes a
図11(F)は、テレビジョン装置970であり、筐体971、表示部973、スタンド975などで構成されている。テレビジョン装置970の操作は、筐体971が備えるスイッチや、リモコン操作機980により行うことができる。筐体971およびリモコン操作機980の内部には、電子回路が設けられており、電子回路には、先の実施の形態に示す半導体装置が搭載されている。そのため小型でコストが低く、信頼性の高いテレビジョン装置が実現される。
FIG. 11F illustrates a
以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、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、小型でコストが低、信頼性の高い電子機器が実現される。 As described above, the electronic device described in this embodiment includes the semiconductor device according to any of the above embodiments. For this reason, a small electronic device with low cost and high reliability is realized.
本実施例では、酸化シリコン膜に窒化処理を行い、該酸化シリコン膜中の窒素、酸素およびシリコンの濃度を測定した。 In this embodiment, the silicon oxide film was nitrided, and the concentrations of nitrogen, oxygen, and silicon in the silicon oxide film were measured.
<サンプル作製条件>
まず126.6mm角のn型のシリコン基板上に、酸化シリコン膜を形成した。酸化シリコン膜はシリコン基板を、高密度プラズマ装置を用いて酸化することで形成した。
<Sample preparation conditions>
First, a silicon oxide film was formed on a 126.6 mm square n-type silicon substrate. The silicon oxide film was formed by oxidizing a silicon substrate using a high density plasma apparatus.
次に酸化シリコン膜に窒化処理を行った。窒化処理としては、高密度プラズマ装置による窒素プラズマを用いた処理を適用した。 Next, the silicon oxide film was nitrided. As the nitriding treatment, a treatment using nitrogen plasma by a high-density plasma apparatus was applied.
ガス流量比Ar:N2=5:1(体積比)、圧力40Paの条件で窒化処理を行ったサンプルを、サンプルAとした。ガス流量比Ar:N2:H2=50:10:1(体積比)、圧力40Paの条件で窒化処理を行ったサンプルを、サンプルBとした。 A sample subjected to nitriding treatment under conditions of a gas flow rate ratio Ar: N 2 = 5: 1 (volume ratio) and a pressure of 40 Pa was designated as sample A. A sample subjected to nitriding treatment under the conditions of a gas flow rate ratio Ar: N 2 : H 2 = 50: 10: 1 (volume ratio) and a pressure of 40 Pa was designated as Sample B.
<測定結果>
サンプルAおよびサンプルBについて、XPSを用いて該酸化シリコン膜中の窒素、酸素およびシリコンの差分デプスプロファイルを得た。サンプルAのプロファイルを図12(A)、サンプルBのプロファイルを図12(B)に示す。
<Measurement results>
For Sample A and Sample B, differential depth profiles of nitrogen, oxygen and silicon in the silicon oxide film were obtained using XPS. The profile of sample A is shown in FIG. 12A, and the profile of sample B is shown in FIG.
図12(A)に示すように、サンプルAでは最表面の窒素濃度は30atomic%程度であり、最表面から表面近傍1nm程度にかけて43atomic%程度まで上昇していた。1nm以降は表面近傍から内部に向かって連続的に窒素濃度が減少し、深さ7nmでは1atomic%程度となった。 As shown in FIG. 12A, in sample A, the nitrogen concentration on the outermost surface was about 30 atomic%, and increased to about 43 atomic% from the outermost surface to about 1 nm in the vicinity of the surface. After 1 nm, the nitrogen concentration continuously decreased from the vicinity of the surface toward the inside, and reached about 1 atomic% at a depth of 7 nm.
サンプルAの酸素濃度は窒素とほぼ対照的なプロファイルを示した。最表面の酸素濃度は40atomic%程度であり、最表面から表面近傍1nm程度にかけて20atomic%程度まで減少していた。1nm以降は表面近傍から内部に向かって連続的に酸素濃度が増加し、深さ7nmでは70atomic%以上となった。最表面の酸素濃度が高くなったのは、自然酸化または測定誤差等によるものと考えられる。 The oxygen concentration of sample A showed a profile almost in contrast to nitrogen. The oxygen concentration on the outermost surface was about 40 atomic%, and decreased to about 20 atomic% from the outermost surface to about 1 nm in the vicinity of the surface. After 1 nm, the oxygen concentration continuously increased from the vicinity of the surface toward the inside, and reached 70 atomic% or more at a depth of 7 nm. The increase in the oxygen concentration on the outermost surface is considered to be due to natural oxidation or measurement error.
図12(B)に示すように、サンプルBでは最表面の窒素濃度は48atomic%程度であり、最表面から内部に向かって連続的に窒素濃度が減少し、深さ7nmでは1atomic%以下となった。 As shown in FIG. 12B, in the sample B, the nitrogen concentration on the outermost surface is about 48 atomic%, and the nitrogen concentration continuously decreases from the outermost surface to the inside, and becomes 1 atomic% or less at a depth of 7 nm. It was.
サンプルBでも酸素濃度は窒素とほぼ対照的なプロファイルを示した。最表面の酸素濃度は25atomic%程度であり、表面近傍から内部に向かって連続的に酸素濃度が増加し、深さ7nmでは70atomic%以上となった。 Sample B also showed a profile in which the oxygen concentration was almost in contrast to nitrogen. The oxygen concentration on the outermost surface was about 25 atomic%, and the oxygen concentration continuously increased from the vicinity of the surface toward the inside, and became 70 atomic% or more at a depth of 7 nm.
本実施例より、窒化処理を行った酸化シリコンは、表面近傍から内部に向かって窒素が連続的に減少することが明らかとなった。 From this example, it has been clarified that in the silicon oxide subjected to nitriding treatment, nitrogen continuously decreases from the vicinity of the surface toward the inside.
101 導電層
103 絶縁層
104 絶縁膜
105 絶縁膜
107 酸化物半導体膜
107a チャネル形成領域
107b 低抵抗領域
108 マスク
109 コンタクトホール
111 領域
113 導電層
113a ソース電極
113b ドレイン電極
115 ゲート絶縁膜
117 ゲート電極
119 導電層
121 導電層
123 絶縁膜
124 絶縁膜
201 トランジスタ
201_1 トランジスタ
201_2 トランジスタ
201_3 トランジスタ
202 トランジスタ
203 トランジスタ
204 トランジスタ
205 トランジスタ
206 トランジスタ
207 トランジスタ
208 容量素子
301 トランジスタ
302 トランジスタ
311 シリコン基板
315 pウェル
317 nウェル
319 ゲート絶縁膜
321 ゲート電極
323 ゲート電極
325 ソース領域およびドレイン領域
327 ソース領域およびドレイン領域
328 絶縁膜
329a 電極
329b 電極
329c 電極
415a ソース電極
415b ドレイン電極
409 ゲート電極
413 絶縁膜
501 トランジスタ
601 トランジスタ
602 トランジスタ
603 容量素子
716 トランジスタ
718 容量素子
719 有機EL素子
750 画素
751 トランジスタ
752 容量素子
753 液晶素子
754 走査線
755 信号線
780 平坦化絶縁膜
781 アノード
782 発光層
783 カソード
784 隔壁
785a 中間層
785b 中間層
785c 中間層
785d 中間層
786a 発光層
786b 発光層
786c 発光層
790 平坦化絶縁膜
791 電極
792 絶縁膜
793 液晶層
794 絶縁膜
795 スペーサ
796 電極
797 基板
800 基板
801 ALU
802 ALU・Controller
803 Instruction・Decoder
804 Interrupt・Controller
805 Timing・Controller
806 Register
807 Register・Controller
808 Bus・I/F
820 ROM・I/F
809 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 キーボード
910 タブレット型端末
911 筐体
912 表示部
913 筐体
914 表示部
915 操作ボタン
917 スタイラス
920 電子書籍
921 筐体
923 筐体
925 表示部
927 表示部
931 電源
933 操作キー
935 スピーカー
937 軸部
940 筐体
941 筐体
942 表示パネル
943 スピーカー
944 マイクロフォン
945 操作キー
946 ポインティングデバイス
947 カメラ用レンズ
948 外部接続端子
949 太陽電池セル
950 外部メモリスロット
961 本体
963 接眼部
964 操作スイッチ
965 表示部
966 バッテリー
967 表示部
970 テレビジョン装置
971 筐体
973 表示部
975 スタンド
980 リモコン操作機
101
802 ALU Controller
803 Instruction / Decoder
804 Interrupt Controller
805 Timing Controller
806 Register
807 Register Controller
808 Bus I / F
820 ROM ・ I / F
809 ROM
901
Claims (4)
前記導電層上の絶縁膜と、
前記絶縁膜上面と接する酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、を有し、
前記絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法の分析において、酸素の脱離量が、酸素原子に換算して1.0×10 18 atoms/cm 3 以上であり、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と接する領域と、前記ドレイン電極と接する領域とを有し、
前記絶縁膜はコンタクトホールを有し、
前記コンタクトホールにおいて、前記導電層と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の一方は電気的に接続され、
前記コンタクトホールの側面において、前記絶縁膜は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と接する面近傍に、窒素を含む領域を有し、
前記窒素を含む領域は、前記コンタクトホールの側面から離れるに従い、窒素濃度が連続的に減少する半導体装置。 A conductive layer;
And absolute Enmaku on the conductive layer,
An oxide semiconductor film in contact with the front Kize' Enmaku top,
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A gate electrode on the gate insulating film ;
A source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film,
The insulating film has an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more in terms of oxygen atoms in the analysis by temperature-programmed desorption gas spectroscopy ,
The insulating film has a region in contact with the source electrode and a region in contact with the drain electrode,
The insulating film has a contact hole;
In the contact hole, the conductive layer and one of the source electrode and the drain electrode are electrically connected,
In the side surface of the contact hole, the insulating film has a region containing nitrogen in the vicinity of the surface in contact with the source electrode and the drain electrode,
The semiconductor device in which the nitrogen concentration continuously decreases as the region containing nitrogen moves away from the side surface of the contact hole .
前記導電層上及び前記ゲート電極上のゲート絶縁膜と、A gate insulating film on the conductive layer and on the gate electrode;
前記ゲート絶縁膜上面と接する酸化物半導体膜と、An oxide semiconductor film in contact with an upper surface of the gate insulating film;
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、を有し、A source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film,
前記ゲート絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法の分析において、酸素の脱離量が、酸素原子に換算して1.0×10The gate insulating film has an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 in terms of oxygen atoms in the temperature-programmed desorption gas spectroscopy analysis. 1818 atoms/cmatoms / cm 33 以上であり、That's it,
前記ゲート絶縁膜は、前記ソース電極と接する領域と、前記ドレイン電極と接する領域とを有し、The gate insulating film has a region in contact with the source electrode and a region in contact with the drain electrode,
前記ゲート絶縁膜はコンタクトホールを有し、The gate insulating film has a contact hole;
前記コンタクトホールにおいて、前記導電層と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の一方は電気的に接続され、In the contact hole, the conductive layer and one of the source electrode and the drain electrode are electrically connected,
前記コンタクトホールの側面において、前記ゲート絶縁膜は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と接する面近傍に、窒素を含む領域を有し、In the side surface of the contact hole, the gate insulating film has a region containing nitrogen in the vicinity of the surface in contact with the source electrode and the drain electrode,
前記窒素を含む領域は、前記コンタクトホールの側面から離れるに従い、窒素濃度が連続的に減少する半導体装置。The semiconductor device in which the nitrogen concentration continuously decreases as the region containing nitrogen moves away from the side surface of the contact hole.
前記絶縁膜に接する酸化物半導体膜を形成し、
前記絶縁膜に、前記導電層まで到達するコンタクトホールを形成して前記導電層の上面を露出し、
前記コンタクトホールを形成した後、前記絶縁膜と、露出した前記導電層と、前記酸化物半導体膜と、に窒化処理を行い、
前記窒化処理後に、前記酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極およびドレイン電極を形成し、
前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上および前記ドレイン電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に前記酸化物半導体膜と重畳するゲート電極を形成し、
前記ソース電極または前記ドレイン電極の一方は、前記コンタクトホールを介して、前記導電層と接する半導体装置の作製方法。 The absolute Enmaku is formed over the conductive layer,
Forming an oxide semiconductor film in contact with the front Kize' border membrane,
Before Kize' edge film to expose the upper surface of the conductive layer to form contact holes reaching the front Kishirube conductive layer,
Wherein after forming the contact holes, performed before Kize' Enmaku, and the conductive layer exposed, and the oxide semiconductor film, a nitriding treatment,
After the nitriding treatment , a source electrode and a drain electrode that are electrically connected to the oxide semiconductor film are formed,
Forming a gate insulating film on the oxide semiconductor film, on the source electrode and on the drain electrode;
Wherein forming a gate electrode overlapping with the oxide semiconductor film on the gate insulating film,
One of the source electrode and the drain electrode is a method for manufacturing a semiconductor device in contact with the conductive layer through the contact hole .
前記窒化処理は、窒素プラズマを用いた処理である半導体装置の作製方法。 In claim 3 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nitriding treatment is treatment using nitrogen plasma.
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