JP6088852B2 - Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP6088852B2
JP6088852B2 JP2013035310A JP2013035310A JP6088852B2 JP 6088852 B2 JP6088852 B2 JP 6088852B2 JP 2013035310 A JP2013035310 A JP 2013035310A JP 2013035310 A JP2013035310 A JP 2013035310A JP 6088852 B2 JP6088852 B2 JP 6088852B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
electrode layer
oxide
insulating film
transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2013035310A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013211536A (en
Inventor
治朗 西田
治朗 西田
祐朗 手塚
祐朗 手塚
一哉 花岡
一哉 花岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP2013035310A priority Critical patent/JP6088852B2/en
Publication of JP2013211536A publication Critical patent/JP2013211536A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6088852B2 publication Critical patent/JP6088852B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

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

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ(薄膜トランジスタ(TFT)ともいう)を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。 A technique for forming a transistor (also referred to as a thin film transistor (TFT)) using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (display device).

多様な電子デバイスに適用するためには、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、高集積化等が要求されており、広く開発されている(特許文献1参照)。 In order to be applied to various electronic devices, high-speed operation of transistors, low power consumption of transistors, high integration, and the like are required and widely developed (see Patent Document 1).

特開2004−39690号公報JP 2004-39690 A

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

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

また、トランジスタの微細化に伴って作製工程における歩留まりの低下が懸念される。 In addition, there is a concern that the yield in the manufacturing process may decrease with the miniaturization of the transistor.

微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することを目的の一とする。 An object is to provide a transistor with high electrical characteristics even in a minute structure with high yield.

また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することを目的の一とする。 Another object is to achieve high performance, high reliability, and high production in a semiconductor device including the transistor.

半導体膜、ゲート絶縁膜、及び側面に側壁絶縁層が設けられたゲート電極層が順に積層されたトランジスタを有する半導体装置において、ソース電極層及びドレイン電極層は、半導体膜及び側壁絶縁層に接して設けられる。該半導体装置の作製工程において、半導体膜、側壁絶縁層、及びゲート電極層上を覆うように導電膜及び酸化物絶縁膜を積層し、アルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理により酸化物絶縁膜を切削(研削、研磨)し、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理により導電膜を切削(研削、研磨)することにより、ゲート電極層の一部、及びゲート電極層上の導電膜を除去してソース電極層及びドレイン電極層を形成する。切削(研削、研磨)方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法を用いる。 In a semiconductor device including a transistor in which a semiconductor film, a gate insulating film, and a gate electrode layer provided with a sidewall insulating layer on a side surface are sequentially stacked, the source electrode layer and the drain electrode layer are in contact with the semiconductor film and the sidewall insulating layer. Provided. In the manufacturing process of the semiconductor device, a conductive film and an oxide insulating film are stacked so as to cover the semiconductor film, the sidewall insulating layer, and the gate electrode layer, and the oxide insulating film is subjected to a first polishing process using an alkaline slurry. Is cut (ground, polished), and the conductive film is cut (ground, polished) by the second polishing process using acidic slurry, thereby removing a part of the gate electrode layer and the conductive film on the gate electrode layer. Thus, a source electrode layer and a drain electrode layer are formed. As a cutting (grinding or polishing) method, a chemical mechanical polishing (CMP) method is used.

CMP法を用いてゲート電極層上の導電膜を分断し、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する工程において、酸化物絶縁膜に対してより効果的に除去処理が進行するアルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理と、金属膜に対してより効果的に除去処理が進行する、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理を行う。CMP法による研磨処理に加え、層間絶縁膜及び側壁絶縁層に用いられる酸化物絶縁膜と、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層に用いられる金属膜とに対して、アルカリ性スラリー及び酸性スラリーが有する、異なる選択比を利用する。作製工程において、CMP法による研磨処理に加え、処理物への選択比が異なるスラリーを用いることで、より精密な加工を制御よく行うことができる。 In the step of dividing the conductive film on the gate electrode layer using the CMP method to form the source electrode layer and the drain electrode layer, an alkaline slurry in which the removal treatment proceeds more effectively on the oxide insulating film was used. A first polishing process and a second polishing process using an acidic slurry, in which the removal process proceeds more effectively on the metal film, are performed. In addition to the polishing process by the CMP method, an alkaline slurry and an acidic slurry are used for an oxide insulating film used for an interlayer insulating film and a sidewall insulating layer, and a metal film used for a gate electrode layer, a source electrode layer, and a drain electrode layer. Use different selection ratios. In the manufacturing process, in addition to the polishing process by the CMP method, more precise processing can be performed with good control by using the slurry having a different selection ratio to the processed object.

ゲート電極層上に設けられた、導電膜、及び酸化物絶縁膜の積層に対して、まず、第1の研磨処理によって、選択的に酸化物絶縁膜を除去して、ゲート電極層上に設けられた導電層を露出させる。次に行う第2の研磨処理は金属膜に対して効果的に除去処理が進行する酸性系スラリーを用いて行うため、側壁絶縁層は除去されにくく、選択的にゲート電極層の一部、及び導電膜を除去することができる。 For the stack of the conductive film and the oxide insulating film provided over the gate electrode layer, first, the oxide insulating film is selectively removed by a first polishing process and provided over the gate electrode layer. The formed conductive layer is exposed. Since the second polishing process to be performed next is performed using an acidic slurry that effectively removes the metal film, the sidewall insulating layer is difficult to be removed, and part of the gate electrode layer is selectively removed. The conductive film can be removed.

よって、ゲート電極層、及びソース電極層及びドレイン電極層の高さ(基板からの高さ)は、側壁絶縁層の上面の高さより低くすることができる。該構造により、ゲート電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層とを側壁絶縁層を用いてより確実に絶縁することができるため、ゲート電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層とが、接することによるショート等の不良を低減することができる。 Therefore, the height of the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer (the height from the substrate) can be lower than the height of the upper surface of the sidewall insulating layer. With this structure, the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer can be more reliably insulated from each other using the sidewall insulating layer, so that the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer are in contact with each other. It is possible to reduce defects such as short circuits.

よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。 Thus, in a manufacturing process of a semiconductor device, a transistor having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

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

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

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極層とを順に積層し、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、及び側壁絶縁層上に導電膜を形成し、導電膜上に酸化物絶縁膜を形成し、アルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理により、ゲート電極層上の酸化物絶縁膜を、導電膜が露出するまで除去し、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理により、ゲート電極層の一部、及びゲート電極層上の導電膜を除去して導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。 In one embodiment of the structure disclosed in this specification, a semiconductor film, a gate insulating film, and a gate electrode layer are sequentially stacked, and a sidewall insulating layer that covers a side surface of the gate electrode layer is formed. A conductive film is formed over the insulating film, the gate electrode layer, and the sidewall insulating layer, an oxide insulating film is formed over the conductive film, and an oxide over the gate electrode layer is formed by a first polishing process using an alkaline slurry. The insulating film is removed until the conductive film is exposed, and part of the gate electrode layer and the conductive film on the gate electrode layer are removed by a second polishing process using an acidic slurry, so that the conductive film is divided and the source is separated. This is a method for manufacturing a semiconductor device in which an electrode layer and a drain electrode layer are formed.

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極層とを順に積層し、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、及び側壁絶縁層上に導電膜を形成し、導電膜上に酸化物絶縁膜を形成し、アルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理により、ゲート電極層上の酸化物絶縁膜を、導電膜が露出するまで除去し、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理により、ゲート電極層の一部、及びゲート電極層上の導電膜を除去して導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。 In one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification, an oxide semiconductor film, a gate insulating film, and a gate electrode layer are sequentially stacked, and a sidewall insulating layer that covers a side surface of the gate electrode layer is formed. A conductive film is formed over the gate insulating film, the gate electrode layer, and the sidewall insulating layer, an oxide insulating film is formed over the conductive film, and the first polishing treatment using an alkaline slurry is performed on the gate electrode layer. The oxide insulating film is removed until the conductive film is exposed, and part of the gate electrode layer and the conductive film on the gate electrode layer are removed by a second polishing process using an acidic slurry, so that the conductive film is divided. A method for manufacturing a semiconductor device in which a source electrode layer and a drain electrode layer are formed.

上記構成において、本明細書で開示する発明の構成の一形態は、ゲート電極層をマスクとして酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成する半導体装置の作製方法である。 In the above structure, one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification is a semiconductor device in which a dopant is selectively introduced into an oxide semiconductor film using a gate electrode layer as a mask to form a low-resistance region in the oxide semiconductor film This is a manufacturing method.

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、チャネル形成領域を含む半導体膜と、半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層と、半導体膜、ゲート絶縁膜の側面及び側壁絶縁層の側面に接するソース電極層及びドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層上に酸化物絶縁膜と、ゲート電極層、ソース電極層、及びドレイン電極層と接し、かつ酸化物絶縁膜上に層間絶縁膜とを有し、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層の上面の高さは側壁絶縁層及び酸化物絶縁膜より低い半導体装置である。 One embodiment of a structure of the invention disclosed in this specification includes a semiconductor film including a channel formation region, a gate insulating film over the semiconductor film, a gate electrode layer over the gate insulating film, and a sidewall that covers a side surface of the gate electrode layer Insulating layer, semiconductor film, source electrode layer and drain electrode layer in contact with side surface of gate insulating film and side surface of sidewall insulating layer, oxide insulating film on source electrode layer and drain electrode layer, gate electrode layer, source electrode The gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer have a height higher than that of the sidewall insulating layer and the oxide insulating film. It is a low semiconductor device.

本明細書で開示する発明の構成の一形態は、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層と、酸化物半導体膜、ゲート絶縁膜の側面及び側壁絶縁層の側面に接するソース電極層及びドレイン電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層上に酸化物絶縁膜と、ゲート電極層、ソース電極層、及びドレイン電極層と接し、かつ酸化物絶縁膜上に層間絶縁膜とを有し、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層の上面の高さは側壁絶縁層及び酸化物絶縁膜より低い半導体装置である。 One embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification includes an oxide semiconductor film including a channel formation region, a gate insulating film over the oxide semiconductor film, a gate electrode layer over the gate insulating film, and a gate electrode layer A sidewall insulating layer covering the side surface, an oxide semiconductor film, a source electrode layer and a drain electrode layer in contact with the side surface of the gate insulating film and the side surface of the sidewall insulating layer, and an oxide insulating film on the source electrode layer and the drain electrode layer; The gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer are in contact with each other and an interlayer insulating film is provided over the oxide insulating film, and the height of the upper surface of the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer is a sidewall insulating layer And a semiconductor device lower than an oxide insulating film.

上記構成において、本明細書で開示する発明の構成の一形態は、側壁絶縁層、及び酸化物絶縁膜に酸化アルミニウム膜を用いる半導体装置である。 In the above structure, one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification is a semiconductor device in which an aluminum oxide film is used for a sidewall insulating layer and an oxide insulating film.

上記構成において、本明細書で開示する発明の構成の一形態は、ソース電極層及びドレイン電極層の上面の高さはゲート電極層の上面の高さより低い半導体装置である。 In the above structure, one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification is a semiconductor device in which the top surfaces of the source electrode layer and the drain electrode layer are lower than the top surface of the gate electrode layer.

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

微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。 A transistor having high electrical characteristics even with a fine structure can be provided with high yield.

また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。 In a semiconductor device including the transistor, high performance, high reliability, and high production can be achieved.

半導体装置の一形態を説明する平面図及び断面図。4A and 4B are a plan view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の作製方法の一形態を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. FIG. 半導体装置の一形態を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図、平面図及び回路図。4A and 4B are a cross-sectional view, a plan view, and a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。8A and 8B are a circuit diagram and a perspective view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す断面図及び平面図。8A and 8B are a cross-sectional view and a plan view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 実施例トランジスタの構造を示す図。The figure which shows the structure of an Example transistor. 実施例トランジスタの断面STEM像を示す図。The figure which shows the cross-sectional STEM image of an Example transistor. 実施例トランジスタ及び比較例トランジスタのの電気特性を示す図。The figure which shows the electrical property of an Example transistor and a comparative example transistor. 実施例トランジスタ及び比較例トランジスタのの電気特性を示す図。The figure which shows the electrical property of an Example transistor and a comparative example transistor. 実施例トランジスタ及び比較例トランジスタのの電気特性を示す図。The figure which shows the electrical property of an Example transistor and a comparative example transistor.

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

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

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

図1(A)及び(B)に示すトランジスタ440aは、トップゲート構造のトランジスタの一例である。図1(A)は平面図であり、図1(A)中の一点鎖線X−Yで切断した断面が図1(B)に相当する。 A transistor 440a illustrated in FIGS. 1A and 1B is an example of a top-gate transistor. 1A is a plan view, and a cross section cut along a single-dot chain line X-Y in FIG. 1A corresponds to FIG.

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

トランジスタ440aでは、CMP法を用いてゲート電極層401上の導電膜を分断し、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成する工程において、酸化物絶縁膜に対してより効果的に除去処理が進行するアルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理と、金属膜に対して効果的に除去処理が進行する、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理を行う。CMP法による研磨処理に加え、酸化物絶縁膜415及び側壁絶縁層412a、412bに用いられる酸化物絶縁膜と、ゲート電極層401、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bに用いられる金属膜とに対して、アルカリ性スラリー及び酸性スラリーが有する、異なる選択比を利用する。作製工程において、CMP法による研磨処理に加え、処理物への選択比が異なるスラリーを用いることで、より精密な加工を制御よく行うことができる。 In the transistor 440a, the conductive film over the gate electrode layer 401 is divided using a CMP method, and the oxide insulating film is more effectively removed in the step of forming the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b. A first polishing process using the proceeding alkaline slurry and a second polishing process using the acidic slurry in which the removal process effectively proceeds on the metal film are performed. In addition to polishing by a CMP method, an oxide insulating film used for the oxide insulating film 415 and the sidewall insulating layers 412a and 412b, and a metal film used for the gate electrode layer 401, the source electrode layer 405a, and the drain electrode layer 405b In contrast, the different selectivity ratios of the alkaline slurry and the acidic slurry are utilized. In the manufacturing process, in addition to the polishing process by the CMP method, more precise processing can be performed with good control by using the slurry having a different selection ratio to the processed object.

ゲート電極層401上に設けられた、導電膜、及び酸化物絶縁膜の積層に対して、まず、第1の研磨処理によって、選択的に酸化物絶縁膜を除去して、ゲート電極層401上に設けられた導電層を露出させる。次に行う第2の研磨処理は金属膜に対して効果的に除去処理が進行する酸性系スラリーを用いて行うため、側壁絶縁層412a、412bは除去されにくく、選択的にゲート電極層401の一部、及び導電膜を除去することができる。 For the stack of the conductive film and the oxide insulating film provided over the gate electrode layer 401, first, the oxide insulating film is selectively removed by a first polishing process, and the gate electrode layer 401 is formed. The conductive layer provided on is exposed. Since the second polishing process to be performed next is performed using an acidic slurry that effectively removes the metal film, the sidewall insulating layers 412a and 412b are difficult to remove, and the gate electrode layer 401 is selectively removed. Part and the conductive film can be removed.

酸化物絶縁膜415はトランジスタ440aによる凹凸を平坦化するように設けられており、該上面の高さは側壁絶縁層412a、412bと概略同じである。また、ゲート電極層401及びソース電極層405a及びドレイン電極層405bの上面の高さは、酸化物絶縁膜415、側壁絶縁層412a、412bの上面の高さより低い。また、本実施の形態では、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bの上面の高さは、ゲート電極層401より低い。なお、ここでいう高さとは、基板400上面からの高さである。 The oxide insulating film 415 is provided so as to planarize unevenness due to the transistor 440a, and the height of the top surface is substantially the same as that of the sidewall insulating layers 412a and 412b. The heights of the top surfaces of the gate electrode layer 401, the source electrode layer 405a, and the drain electrode layer 405b are lower than the heights of the top surfaces of the oxide insulating film 415 and the sidewall insulating layers 412a and 412b. In this embodiment, the height of the top surfaces of the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b is lower than that of the gate electrode layer 401. Note that the height here is the height from the upper surface of the substrate 400.

該構造により、ゲート電極層401と、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bとを側壁絶縁層412a、412bを用いてより確実に絶縁することができるため、ゲート電極層401と、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bとが、接することによるショート等の不良を低減することができる。 With this structure, the gate electrode layer 401 and the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b can be more reliably insulated from each other by using the sidewall insulating layers 412a and 412b. In addition, defects such as a short circuit due to contact with the drain electrode layer 405b can be reduced.

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

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

半導体膜403には、酸化物半導体、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、又はガリウムヒ素等を用いることができる。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。 For the semiconductor film 403, an oxide semiconductor, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used. In addition, an organic semiconductor material or the like may be used.

図2(A)乃至(C)及び図3(A)乃至(D)にトランジスタ440aを有する半導体装置の作製方法の一例を示す。 2A to 2C and FIGS. 3A to 3D illustrate an example of a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 440a.

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

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

また、基板400として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に半導体膜403を含むトランジスタ440aを直接作製してもよいし、他の作製基板に半導体膜403を含むトランジスタ440aを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ440aとの間に剥離層を設けるとよい。 Alternatively, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate 400. In order to manufacture a flexible semiconductor device, the transistor 440a including the semiconductor film 403 may be directly formed over a flexible substrate, or the transistor 440a including the semiconductor film 403 may be manufactured over another manufacturing substrate. Then, it may be peeled off and transferred to the flexible substrate. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor 440a including the oxide semiconductor film.

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

絶縁膜436は、単層でも積層でもよい。 The insulating film 436 may be a single layer or a stacked layer.

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

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

次に、絶縁膜436上に半導体膜403を形成し、半導体膜403を覆う絶縁膜442を形成する。 Next, a semiconductor film 403 is formed over the insulating film 436, and an insulating film 442 covering the semiconductor film 403 is formed.

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

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

絶縁膜442の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。絶縁膜442は、作製するトランジスタのサイズや絶縁膜の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。 As a material of the insulating film 442, a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a silicon nitride oxide film can be used. The insulating film 442 is preferably formed in consideration of the size of a transistor to be manufactured and the step coverage of the insulating film.

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

次に絶縁膜442上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層449を形成する(図2(A)参照)。 Next, a conductive film is formed over the insulating film 442, and the conductive film is etched to form the gate electrode layer 449 (see FIG. 2A).

ゲート電極層449の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層449としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層449は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。 The gate electrode layer 449 can be formed using a metal material such as molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, or scandium, or an alloy material containing any of these materials as its main component. Alternatively, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus, or a silicide film such as nickel silicide may be used as the gate electrode layer 449. The gate electrode layer 449 may have a single-layer structure or a stacked structure.

また、ゲート電極層449の材料は、酸化インジウム酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。 The material of the gate electrode layer 449 is indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, oxide A conductive material such as indium zinc oxide or indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the conductive material and the metal material can be employed.

次に、ゲート電極層449をマスクとして半導体膜403にドーパントを導入し、低抵抗領域404a、404bを形成する。 Next, a dopant is introduced into the semiconductor film 403 using the gate electrode layer 449 as a mask to form low-resistance regions 404a and 404b.

ドーパントは、半導体膜403の導電率を変化させる不純物である。ドーパントとしては、15族元素(代表的にはリン(P)、砒素(As)、およびアンチモン(Sb))、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、窒素(N)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、インジウム(In)、フッ素(F)、塩素(Cl)、チタン(Ti)、及び亜鉛(Zn)のいずれかから選択される一以上を用いることができる。 The dopant is an impurity that changes the conductivity of the semiconductor film 403. As the dopant, group 15 elements (typically phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb)), boron (B), aluminum (Al), nitrogen (N), argon (Ar), helium One or more selected from (He), neon (Ne), indium (In), fluorine (F), chlorine (Cl), titanium (Ti), and zinc (Zn) can be used.

ドーパントは、注入法により、他の膜(例えばゲート絶縁膜402、側壁絶縁層411a、411bを形成するための絶縁膜など)を通過して、半導体膜403に導入することもできる。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。その際には、ドーパントの単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。 The dopant can be introduced into the semiconductor film 403 through another film (for example, an insulating film for forming the gate insulating film 402 and the sidewall insulating layers 411a and 411b) by an implantation method. As a method for introducing the dopant, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like can be used. In that case, it is preferable to use a single ion of a dopant, or a fluoride or chloride ion.

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

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

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

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

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

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

次に、ゲート電極層449上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエッチングして側壁絶縁層411a、411bを形成する。さらに、ゲート電極層449及び側壁絶縁層411a、411bをマスクとして、絶縁膜をエッチングし、ゲート絶縁膜402を形成する(図2(B)参照)。 Next, an insulating film is formed over the gate electrode layer 449, and the insulating film is etched to form sidewall insulating layers 411a and 411b. Further, with the gate electrode layer 449 and the sidewall insulating layers 411a and 411b as masks, the insulating film is etched to form the gate insulating film 402 (see FIG. 2B).

側壁絶縁層411a、411bは、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜の単層、又は積層を用いることができる。側壁絶縁層411a、411bは、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。本実施の形態では、CVD法により形成した酸化窒化シリコン膜を用いる。 As the sidewall insulating layers 411a and 411b, a single layer or a stacked layer of an oxide insulating film such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, or an aluminum oxynitride film can be used. The sidewall insulating layers 411a and 411b can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. In this embodiment, a silicon oxynitride film formed by a CVD method is used.

次いで、半導体膜403、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層449、側壁絶縁層411a、411b上に、ソース電極層及びドレイン電極層(これと同じ層で形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。 Next, a conductive film to be a source electrode layer and a drain electrode layer (including a wiring formed using the same layer) is formed over the semiconductor film 403, the gate insulating film 402, the gate electrode layer 449, and the sidewall insulating layers 411a and 411b. Form.

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

フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行って島状の導電膜445を形成した後、レジストマスクを除去する。なお、該エッチング工程では、ゲート電極層449上の導電膜445の除去は行わない。 A resist mask is formed over the conductive film by a photolithography process and is selectively etched to form an island-shaped conductive film 445, and then the resist mask is removed. Note that in the etching step, the conductive film 445 over the gate electrode layer 449 is not removed.

導電膜として膜厚30nmのタングステン膜を用いる場合、該導電膜のエッチングは、例えばドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング((エッチング条件:エッチングガス(CF:Cl:O=55sccm:45sccm:55sccm、電源電力3000W、バイアス電力140W、圧力0.67Pa)して、島状のタングステン膜を形成すればよい。 When a 30-nm-thick tungsten film is used as the conductive film, the conductive film is etched by, for example, dry etching ((etching condition: etching gas (CF 4 : Cl 2 : O 2 = 55 sccm: 45 sccm : 55 sccm, power source power 3000 W, bias power 140 W, pressure 0.67 Pa) to form an island-shaped tungsten film.

島状の導電膜445上に層間絶縁膜となる酸化物絶縁膜446を積層する(図2(C)参照)。 An oxide insulating film 446 which serves as an interlayer insulating film is stacked over the island-shaped conductive film 445 (see FIG. 2C).

酸化物絶縁膜446は、側壁絶縁層411a、411bと同様な材料及び方法を用いて形成することができる。酸化物絶縁膜446は、層間絶縁膜として機能するため、トランジスタ440aにより生じる凹凸を平坦化できる膜厚で形成する。 The oxide insulating film 446 can be formed using a material and a method similar to those of the sidewall insulating layers 411a and 411b. Since the oxide insulating film 446 functions as an interlayer insulating film, the oxide insulating film 446 is formed to have a thickness with which the unevenness generated by the transistor 440a can be planarized.

次に酸化物絶縁膜446及び導電膜445にアルカリ性スラリーを用いた化学的機械研磨法により第1の研磨処理を行い、導電膜445が露出するよう酸化物絶縁膜446の一部を除去する。酸化物絶縁膜446に対してより選択的に除去処理が進行するアルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理により、選択的に酸化物絶縁膜446を除去して、ゲート電極層449上に設けられた導電膜445を露出させることができる。 Next, first polishing treatment is performed on the oxide insulating film 446 and the conductive film 445 by a chemical mechanical polishing method using an alkaline slurry, and part of the oxide insulating film 446 is removed so that the conductive film 445 is exposed. The oxide insulating film 446 is selectively removed by the first polishing process using an alkaline slurry in which the removal process proceeds more selectively with respect to the oxide insulating film 446, and the oxide insulating film 446 is provided over the gate electrode layer 449. The conductive film 445 can be exposed.

研磨処理に用いるCMP処理は、処理物の凹凸形状や、材料が異なると、領域によって研磨処理の進行にばらつきが生じやすい。処理領域にばらつきが生じると、面内において、過剰処理領域や処理不十分領域が発生してしまい、半導体装置の特性不良やばらつきを招く。本実施の形態のように、第1の研磨処理時に、一度に酸化物絶縁膜446及び導電膜445を除去する処理を行わないため、処理領域をより正確に制御でき、面内ばらつきを抑制することができる。 In the CMP process used for the polishing process, if the uneven shape or material of the processed object is different, the progress of the polishing process easily varies depending on the region. When variations occur in the processing region, an excessively processed region or an insufficiently processed region occurs in the surface, leading to poor characteristics or variations in the semiconductor device. As in this embodiment, since the treatment for removing the oxide insulating film 446 and the conductive film 445 is not performed at the time of the first polishing treatment, the treatment region can be controlled more accurately and in-plane variation can be suppressed. be able to.

第1の研磨処理によって、酸化物絶縁膜446は酸化物絶縁膜447に加工される(図3(A)参照)。 Through the first polishing treatment, the oxide insulating film 446 is processed into the oxide insulating film 447 (see FIG. 3A).

次に導電膜445に酸性スラリーを用いた化学的機械研磨法により第2の研磨処理を行い、ゲート電極層449の一部、及びゲート電極層449上の導電膜445を除去し、ゲート電極層401、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成する。第2の研磨処理は金属膜に対してより選択的に除去処理が進行する酸性系スラリーを用いて行うため、酸化物絶縁膜447、側壁絶縁層411a、411bは除去されにくく、より選択的にゲート電極層401の一部、及び導電膜445を除去することができる。 Next, a second polishing process is performed on the conductive film 445 by a chemical mechanical polishing method using an acidic slurry, and a part of the gate electrode layer 449 and the conductive film 445 over the gate electrode layer 449 are removed. 401, a source electrode layer 405a and a drain electrode layer 405b are formed. Since the second polishing process is performed using an acidic slurry in which the removal process proceeds more selectively with respect to the metal film, the oxide insulating film 447 and the sidewall insulating layers 411a and 411b are not easily removed, and more selectively. A part of the gate electrode layer 401 and the conductive film 445 can be removed.

なお、第2の研磨処理により、酸化物絶縁膜447、側壁絶縁層411a、411bも除去され、酸化物絶縁膜415、側壁絶縁層412a、412bとすることができる。つまり、研磨処理により凸部を選択的に除去し、全面を研磨処理しながら、かつスラリーに対して除去されやすい膜をさらに選択的に除去することができる。 Note that by the second polishing treatment, the oxide insulating film 447 and the sidewall insulating layers 411a and 411b are also removed, whereby the oxide insulating film 415 and the sidewall insulating layers 412a and 412b can be obtained. That is, it is possible to selectively remove the convex portions by polishing treatment, and further selectively remove the film that is easily removed from the slurry while polishing the entire surface.

なお、本実施の形態においては、ソース電極層405a、ドレイン電極層405bはゲート電極層401側面に設けられた側壁絶縁層412a、412bの側面に接するように設けられており、側壁絶縁層412a、412bの側面を上端部よりやや低い位置まで覆っている。 Note that in this embodiment, the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are provided so as to be in contact with the side surfaces of the sidewall insulating layers 412a and 412b provided on the side surfaces of the gate electrode layer 401. The side surface of 412b is covered to a position slightly lower than the upper end portion.

以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ440aが作製される(図3(B)参照)。 Through the above steps, the transistor 440a of this embodiment is manufactured (see FIG. 3B).

トランジスタ440aにおいて、ゲート電極層401、及びソース電極層405a及びドレイン電極層405bの高さ(基板400からの高さ)は、側壁絶縁層412a、412bの上面の高さより低くすることができる。該構造により、ゲート電極層401と、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bとを側壁絶縁層412a、412bを用いてより確実に絶縁することができるため、ゲート電極層401と、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bとが、接することによるショート等の不良を低減することができる。 In the transistor 440a, the height of the gate electrode layer 401, the source electrode layer 405a, and the drain electrode layer 405b (the height from the substrate 400) can be lower than the height of the top surfaces of the sidewall insulating layers 412a and 412b. With this structure, the gate electrode layer 401 and the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b can be more reliably insulated from each other by using the sidewall insulating layers 412a and 412b. In addition, defects such as a short circuit due to contact with the drain electrode layer 405b can be reduced.

よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するトランジスタ440aを歩留まりよく作製することができる。 Therefore, in the manufacturing process of the semiconductor device, the transistor 440a having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

また、ソース電極層405a、及びドレイン電極層405bは、露出した半導体膜403上面、及び側壁絶縁層412a、又は側壁絶縁層412bと接して設けられている。よって、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bと半導体膜403とが接する領域(コンタクト領域)と、ゲート電極層401との距離は、側壁絶縁層412a、412bのチャネル長方向の幅となり、より微細化が達成できる他、作製工程においてよりばらつきなく制御することができる。 The source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are provided in contact with the exposed upper surface of the semiconductor film 403 and the sidewall insulating layer 412a or the sidewall insulating layer 412b. Therefore, the distance between the gate electrode layer 401 and the region (contact region) where the source electrode layer 405a or the drain electrode layer 405b is in contact with the semiconductor film 403 is the width in the channel length direction of the sidewall insulating layers 412a and 412b, which is finer. In addition to achieving this, control can be performed with more variation in the manufacturing process.

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

トランジスタ440aのようにゲート電極層401を露出する構造は、トランジスタ440a上に他の配線や半導体素子を積層する集積回路において用いることができる。 The structure in which the gate electrode layer 401 is exposed as in the transistor 440a can be used in an integrated circuit in which another wiring or a semiconductor element is stacked over the transistor 440a.

また、トランジスタ440a上に層間絶縁膜を設けてもよい。図4(A)にトランジスタ440aを上に層間絶縁膜として機能する絶縁膜407及び絶縁膜416を積層し、絶縁膜407及び絶縁膜416にソース電極層405a、及びドレイン電極層405bに達する開口を形成し、開口に配線層435a、435bを形成する例を示す。配線層435a、435bを用いて他のトランジスタや素子と接続させ、様々な回路を構成することができる。 An interlayer insulating film may be provided over the transistor 440a. 4A, an insulating film 407 and an insulating film 416 functioning as an interlayer insulating film are stacked over the transistor 440a, and openings reaching the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b are formed in the insulating film 407 and the insulating film 416. An example is shown in which the wiring layers 435a and 435b are formed in the openings. Various circuits can be formed by connecting the wiring layers 435a and 435b to other transistors and elements.

層間絶縁膜としては、保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜(例えば、酸化アルミニウム膜)や凹凸を平坦化することができる平坦化膜を設けることができる。例えば、絶縁膜407として酸化アルミニウム膜、絶縁膜416として酸化窒化シリコン膜を用いることができる。 As the interlayer insulating film, a highly dense inorganic insulating film (for example, an aluminum oxide film) serving as a protective insulating film or a planarization film that can planarize unevenness can be provided. For example, an aluminum oxide film can be used as the insulating film 407 and a silicon oxynitride film can be used as the insulating film 416.

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

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

また、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bと酸化物絶縁膜415との間に保護絶縁膜となる緻密性の高い無機絶縁膜(代表的には酸化アルミニウム膜)を設けてもよい。 Further, a highly dense inorganic insulating film (typically an aluminum oxide film) which serves as a protective insulating film may be provided between the source electrode layer 405a and the drain electrode layer 405b and the oxide insulating film 415.

図4(B)にソース電極層405a及びドレイン電極層405bと酸化物絶縁膜415との間に絶縁膜410を設けたトランジスタ440bの例を示す。 FIG. 4B illustrates an example of the transistor 440 b in which the insulating film 410 is provided between the source and drain electrode layers 405 a and 405 b and the oxide insulating film 415.

また、側壁絶縁層412a、412bは積層構造であってもよい。図4(C)に積層構造の側壁絶縁層412a1、412a2、側壁絶縁層412b1、412b2を有するトランジスタ440cの例を示す。例えば、側壁絶縁層412a1、412b1として緻密性の高い酸化物絶縁膜(例えば、酸化アルミニウム膜)を設け、側壁絶縁層412a2、412b2として被覆性のよい酸化物絶縁膜(例えば、酸化窒化シリコン膜)を用いることができる。 Further, the sidewall insulating layers 412a and 412b may have a stacked structure. FIG. 4C illustrates an example of the transistor 440c including the sidewall insulating layers 412a1 and 412a2 and the sidewall insulating layers 412b1 and 412b2 having a stacked structure. For example, a highly dense oxide insulating film (eg, an aluminum oxide film) is provided as the sidewall insulating layers 412a1 and 412b1, and an oxide insulating film (eg, a silicon oxynitride film) with good coverage is provided as the sidewall insulating layers 412a2 and 412b2. Can be used.

絶縁膜407、410は、プラズマCVD法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜することができる。 The insulating films 407 and 410 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, an evaporation method, or the like.

酸化アルミニウム膜以外に、絶縁膜407、410としては、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜などを用いることができる。また、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜、又は金属窒化物膜(例えば、窒化アルミニウム膜)も用いることができる。 In addition to the aluminum oxide film, as the insulating films 407 and 410, typically, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a gallium oxide film can be used. Alternatively, a hafnium oxide film, a magnesium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, a barium oxide film, or a metal nitride film (eg, an aluminum nitride film) can be used.

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

以上のように、半導体装置において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するオン特性の高いトランジスタ440a、440b、440cを歩留まりよく提供することができる。 As described above, in the semiconductor device, the transistors 440a, 440b, and 440c with high on-state characteristics that have a fine structure with little variation in shape and characteristics can be provided with high yield.

従って、微細化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a semiconductor device that is miniaturized and has high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device.

(実施の形態2)
本明細書に開示する半導体装置に含まれるトランジスタに用いる半導体膜として、酸化物半導体を用いることができる。本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ440a、440b、440cに含まれる半導体膜403として酸化物半導体膜を用いる例を示す。
(Embodiment 2)
An oxide semiconductor can be used as a semiconductor film used for a transistor included in the semiconductor device disclosed in this specification. In this embodiment, an example in which an oxide semiconductor film is used as the semiconductor film 403 included in the transistors 440a, 440b, and 440c described in Embodiment 1 is described.

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

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

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。 For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides In—Zn oxide, In—Mg oxide, In—Ga oxide, ternary metal In-Ga-Zn-based oxide (also referred to as IGZO), In-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In-La -Zn oxide, In-Ce-Zn oxide, In-Pr-Zn oxide, In-Nd-Zn oxide, In-Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm- Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, four In-Sn-Ga-Zn-based oxides, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, and In-Sn-Al-Zn-based oxides that are oxides of the base metal In-Sn-Hf-Zn-based oxides and In-Hf-Al-Zn-based oxides can be used.

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

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0 is satisfied, and m is not an integer) may be used as the oxide semiconductor. M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 is satisfied, and n is an integer) may be used as the oxide semiconductor.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3)の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。 For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1) / 5), or an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 (= 1/2: 1/6: 1/3) and oxidation in the vicinity of the composition. Can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1) / 2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide or oxide in the vicinity of the composition Should be used.

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

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

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

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

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

酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を膜中に含む。 The oxide semiconductor film may include microcrystal, for example. Note that an oxide semiconductor including microcrystal is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. The microcrystalline oxide semiconductor film includes microcrystal (also referred to as nanocrystal) with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example.

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

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

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

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

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には明確な粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。 In most cases, a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the crystal part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. In addition, a clear grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、例えば、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつab面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、80°以上100°以下、好ましくは85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−10°以上10°以下、好ましくは−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。 The crystal part included in the CAAC-OS film is aligned so that, for example, the c-axis is in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and is perpendicular to the ab plane. When viewed from the direction, the metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape, and when viewed from the direction perpendicular to the c-axis, the metal atoms are arranged in layers, or the metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, the term “perpendicular” includes a range of 80 ° to 100 °, preferably 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range of −10 ° to 10 °, preferably −5 ° to 5 °.

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

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のc軸は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。 Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film ( Depending on the cross-sectional shape of the surface to be formed or the cross-sectional shape of the surface, the directions may be different from each other. The crystal part is formed when a film is formed or when a crystallization process such as a heat treatment is performed after the film formation. Therefore, the c-axes of the crystal parts are aligned in a direction parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface.

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。 In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Therefore, the transistor has high reliability.

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

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

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

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標(x,y,f(x,y)),(x,y,f(x,y)),(x,y,f(x,y)),(x,y,f(x,y))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面に投影した長方形の面積をS、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZとする。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて測定可能である。 Here, the designated surface is a surface that is a target of roughness measurement, and has coordinates (x 1 , y 1 , f (x 1 , y 1 )), (x 1 , y 2 , f (x 1 , y). 2 )), (x 2 , y 1 , f (x 2 , y 1 )), (x 2 , y 2 , f (x 2 , y 2 )) A rectangular area obtained by projecting the surface onto the xy plane is represented by S 0 , and the height of the reference surface (average height of the designated surface) is represented by Z 0 . Ra can be measured with an atomic force microscope (AFM).

半導体膜403の膜厚は、1nm以上30nm以下(好ましくは5nm以上10nm以下)とし、スパッタリング法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。また、半導体膜403は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。 The thickness of the semiconductor film 403 is 1 nm to 30 nm (preferably 5 nm to 10 nm), and a sputtering method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or the like is used. It can be used as appropriate. Alternatively, the semiconductor film 403 may be formed using a sputtering apparatus that performs film formation in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicular to the surface of the sputtering target.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層に、結晶性の異なる酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体、またはCAAC−OSを適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、半導体膜403の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。 Alternatively, oxide semiconductors having different crystallinities may be used for the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer. That is, a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an amorphous oxide semiconductor, or a CAAC-OS may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor is applied to at least one of the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer, internal stress of the semiconductor film 403 and external stress are reduced, so that the transistor The variation in characteristics can be reduced, and the reliability of the transistor can be further improved.

一方で、非晶質酸化物半導体は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためn型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、CAAC−OSなどの結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。 On the other hand, an amorphous oxide semiconductor easily absorbs an impurity serving as a donor such as hydrogen, and oxygen vacancies easily occur. Therefore, an oxide semiconductor having crystallinity such as CAAC-OS is preferably used for the oxide semiconductor layer on the channel side.

また、半導体膜403を3層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体層で非晶質酸化物半導体層を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。 Alternatively, the semiconductor film 403 may have a stacked structure of three or more layers, and a structure in which an amorphous oxide semiconductor layer is sandwiched between a plurality of crystalline oxide semiconductor layers. Alternatively, a structure in which an oxide semiconductor layer having crystallinity and an amorphous oxide semiconductor layer are alternately stacked may be employed.

また、半導体膜403を複数層の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。 The above structures in the case where the semiconductor film 403 has a stacked structure of a plurality of layers can be used in appropriate combination.

絶縁膜436として、基板400上に、酸化シリコン膜、In−Hf−Zn系酸化物膜、半導体膜403を順に積層してもよいし、基板400上に酸化シリコン膜、In:Zr:Zn=1:1:1の原子数比のIn−Zr−Zn系酸化物膜、半導体膜403を順に積層してもよいし、基板400上に酸化シリコン膜、In:Gd:Zn=1:1:1の原子数比のIn−Gd−Zn系酸化物膜、半導体膜403を順に積層してもよい。 As the insulating film 436, a silicon oxide film, an In—Hf—Zn-based oxide film, and a semiconductor film 403 may be sequentially stacked over the substrate 400, or a silicon oxide film, In: Zr: Zn = An In—Zr—Zn-based oxide film having a 1: 1: 1 atomic ratio and a semiconductor film 403 may be stacked in this order, or a silicon oxide film, In: Gd: Zn = 1: 1: may be formed over the substrate 400. An In—Gd—Zn-based oxide film having an atomic ratio of 1 and the semiconductor film 403 may be stacked in this order.

絶縁膜436は、半導体膜403と接するため、膜中(バルク中)に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、絶縁膜436として、酸化シリコン膜を用いる場合には、SiO2+α(ただし、α>0)とする。このような絶縁膜436を用いることで、半導体膜403に酸素を供給することができ、特性を良好にすることができる。半導体膜403へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。 Since the insulating film 436 is in contact with the semiconductor film 403, it is preferable that an amount of oxygen exceeding the stoichiometric ratio exists in the film (in the bulk). For example, when a silicon oxide film is used as the insulating film 436, SiO 2 + α (α> 0) is set. By using such an insulating film 436, oxygen can be supplied to the semiconductor film 403, and the characteristics can be improved. By supplying oxygen to the semiconductor film 403, oxygen vacancies in the film can be compensated.

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

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

絶縁膜436において半導体膜403が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理(例えば、化学的機械研磨法)、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。 Planarization treatment may be performed on a region where the semiconductor film 403 is in contact with the insulating film 436. Although it does not specifically limit as planarization processing, Polishing processing (for example, chemical mechanical polishing method), dry etching processing, and plasma processing can be used.

プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、絶縁膜436の表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみともいう)を除去することができる。 As the plasma treatment, for example, reverse sputtering in which an argon gas is introduced to generate plasma can be performed. Inverse sputtering is a method in which a surface is modified by forming a plasma near the substrate by applying a voltage to the substrate side using an RF power source in an argon atmosphere. Note that nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used instead of the argon atmosphere. When reverse sputtering is performed, powdery substances (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the insulating film 436 can be removed.

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

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

なお、半導体膜403は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件(例えば、酸素100%の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど)で成膜して、酸素を多く含む(好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている)膜とすることが好ましい。 Note that the semiconductor film 403 is formed under conditions such that a large amount of oxygen is contained during film formation (for example, film formation is performed by a sputtering method in an atmosphere containing 100% oxygen), and a large amount of oxygen is preferable (preferably The oxide semiconductor is preferably a film in which a region where the oxygen content is excessive with respect to the stoichiometric composition in the crystalline state is included.

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

また、金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下である。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。 The relative density (filling rate) of the metal oxide target is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. By using a metal oxide target having a high relative density, the formed oxide semiconductor film can be a dense film.

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

減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板400上に半導体膜403を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した半導体膜403に含まれる不純物の濃度を低減できる。 The substrate is held in a film formation chamber held in a reduced pressure state. Then, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is introduced while moisture remaining in the deposition chamber is removed, and the semiconductor film 403 is formed over the substrate 400 using the target. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, the exhaust means may be a turbo molecular pump provided with a cold trap. In the film formation chamber evacuated using a cryopump, for example, a compound containing a hydrogen atom (more preferably a compound containing a carbon atom) such as a hydrogen atom or water (H 2 O) is exhausted. The concentration of impurities contained in the semiconductor film 403 formed in the chamber can be reduced.

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

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

また、島状の半導体膜403を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 Further, a resist mask for forming the island-shaped semiconductor film 403 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.

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

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

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。 Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be used. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the high-temperature gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

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

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

また、加熱処理で半導体膜403を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、半導体膜403を高純度化及び電気的にI型(真性)化することができる。 In addition, after heating the semiconductor film 403 by heat treatment, a high-purity oxygen gas, a high-purity dinitrogen monoxide gas, or an ultra-dry air (CRDS (cavity ring-down laser spectroscopy) type dew point meter) is installed in the same furnace. The water content when measured by using may be 20 ppm (air at dew point conversion of −55 ° C.) or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. It is preferable that water, hydrogen, and the like are not contained in the oxygen gas or the dinitrogen monoxide gas. Alternatively, the purity of the oxygen gas or nitrous oxide introduced into the heat treatment apparatus is 6N or more, preferably 7N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas or nitrous oxide is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less. ) Is preferable. By supplying oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, which has been simultaneously reduced by the process of removing impurities by dehydration or dehydrogenation treatment by the action of oxygen gas or dinitrogen monoxide gas, the semiconductor The film 403 can be highly purified and can be electrically i-type (intrinsic).

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

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

また、脱水化又は脱水素化処理を行った半導体膜403に、酸素(少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、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 (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) may be introduced into the semiconductor film 403 that has been subjected to dehydration or dehydrogenation treatment to supply oxygen into the film. .

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

脱水化又は脱水素化処理を行った半導体膜403に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、半導体膜403を高純度化、及び電気的にI型(真性)化することができる。高純度化し、電気的にI型(真性)化した半導体膜403を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。 By introducing oxygen into the semiconductor film 403 that has been subjected to dehydration or dehydrogenation treatment and supplying oxygen into the film, the semiconductor film 403 is highly purified and electrically converted into an I-type (intrinsic). Can do. A transistor including the highly purified semiconductor film 403 which is electrically i-type (intrinsic) is electrically stable because variation in electrical characteristics is suppressed.

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インプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。 As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, a plasma treatment, or the like can be used.

酸素の導入工程は、半導体膜403に酸素導入する場合、半導体膜403に直接導入してもよいし、ゲート絶縁膜402や絶縁膜407などの他の膜を通過して半導体膜403へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いればよいが、酸素を露出された半導体膜403へ直接導入する場合は、プラズマ処理なども用いることができる。 When introducing oxygen into the semiconductor film 403, the oxygen introduction step may be directly introduced into the semiconductor film 403 or may be introduced into the semiconductor film 403 through another film such as the gate insulating film 402 or the insulating film 407. May be. In the case where oxygen is introduced through another film, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like may be used. However, when oxygen is directly introduced into the exposed semiconductor film 403, Plasma treatment or the like can also be used.

半導体膜403への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後が好ましいが、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った半導体膜403への酸素の導入は複数回行ってもよい。 The introduction of oxygen into the semiconductor film 403 is preferably performed after dehydration or dehydrogenation treatment, but is not particularly limited. In addition, oxygen may be introduced into the semiconductor film 403 subjected to the dehydration or dehydrogenation treatment a plurality of times.

ゲート絶縁膜402の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いて形成することができる。 As a material of the gate insulating film 402, a silicon oxide film, a gallium oxide film, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, or a silicon nitride oxide film can be used.

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

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

また、酸化物半導体膜を半導体膜403として用いる場合、半導体膜403上に設けられる絶縁膜407、410として酸化アルミニウム膜を含む膜とすることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果(ブロック効果)が高い。 In the case where an oxide semiconductor film is used as the semiconductor film 403, the insulating films 407 and 410 provided over the semiconductor film 403 are preferably films including an aluminum oxide film. The aluminum oxide film has a high blocking effect (blocking effect) that prevents both hydrogen, moisture and other impurities, and oxygen from passing through the film.

従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、酸化物半導体膜を用いたトランジスタの変動要因となる水素、水分などの不純物の半導体膜403への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の半導体膜403からの放出を防止する保護膜として機能する。 Therefore, the aluminum oxide film is a main component of an oxide semiconductor, and the entry of impurities such as hydrogen and moisture into the semiconductor film 403, which cause variation in a transistor including the oxide semiconductor film, during and after the manufacturing process. It functions as a protective film for preventing release of oxygen as a component material from the semiconductor film 403.

絶縁膜407、410は、絶縁膜407、410に水、水素等の不純物を混入させない方法(好適にはスパッタリング法など)を適宜用いて形成することが好ましい。 The insulating films 407 and 410 are preferably formed by appropriately using a method (preferably a sputtering method) in which impurities such as water and hydrogen are not mixed into the insulating films 407 and 410.

酸化物半導体膜の成膜時と同様に、絶縁膜407、410の成膜室内の残留水分を除去するために、吸着型の真空ポンプ(クライオポンプなど)を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁膜407、410に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、絶縁膜407、410の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。 As in the formation of the oxide semiconductor film, an adsorption-type vacuum pump (such as a cryopump) is preferably used to remove residual moisture in the deposition chambers of the insulating films 407 and 410. The concentration of impurities contained in the insulating films 407 and 410 formed in the film formation chamber evacuated using a cryopump can be reduced. In addition, as an exhaust unit for removing moisture remaining in the deposition chambers of the insulating films 407 and 410, a turbo molecular pump provided with a cold trap may be used.

絶縁膜407、410を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。 As a sputtering gas used for forming the insulating films 407 and 410, a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed is preferably used.

上記のように本明細書に開示するトランジスタ440a、440b、440cの半導体膜として、酸化物半導体膜は好適に用いることができる。 As described above, an oxide semiconductor film can be preferably used as the semiconductor film of the transistors 440a, 440b, and 440c disclosed in this specification.

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

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

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

図5(A)及び図5(B)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ160を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有するものである。トランジスタ162としては、実施の形態1で示すトランジスタ440aの構造を適用し、実施の形態2で示す酸化物半導体膜を半導体膜144に用いたトランジスタを適用する例である。 The semiconductor device illustrated in FIGS. 5A and 5B includes a transistor 160 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 162 using a second semiconductor material in an upper portion. . As an example of the transistor 162, a transistor in which the structure of the transistor 440a described in Embodiment 1 is used and the oxide semiconductor film described in Embodiment 2 is used for the semiconductor film 144 is described.

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

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

図5(A)におけるトランジスタ160は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板185に設けられたチャネル形成領域116と、チャネル形成領域116を挟むように設けられた不純物領域120と、不純物領域120に接する金属間化合物領域124と、チャネル形成領域116上に設けられたゲート絶縁膜108と、ゲート絶縁膜108上に設けられたゲート電極110と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。 A transistor 160 in FIG. 5A includes a channel formation region 116 provided in a substrate 185 containing a semiconductor material (eg, silicon), an impurity region 120 provided so as to sandwich the channel formation region 116, and an impurity region. It has an intermetallic compound region 124 in contact with 120, a gate insulating film 108 provided on the channel formation region 116, and a gate electrode 110 provided on the gate insulating film 108. Note that in the drawing, the source electrode and the drain electrode may not be explicitly provided, but for convenience, the state may be referred to as a transistor. In this case, in order to describe the connection relation of the transistors, the source and drain electrodes including the source and drain regions may be expressed. That is, in this specification, the term “source electrode” can include a source region.

基板185上にはトランジスタ160を囲むように素子分離絶縁層106が設けられており、トランジスタ160を覆うように絶縁層128、及び絶縁層130が設けられている。なお、トランジスタ160において、ゲート電極110の側面に側壁絶縁層(サイドウォール絶縁層)を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域120としてもよい。 An element isolation insulating layer 106 is provided over the substrate 185 so as to surround the transistor 160, and an insulating layer 128 and an insulating layer 130 are provided so as to cover the transistor 160. Note that in the transistor 160, a sidewall insulating layer (sidewall insulating layer) may be provided on a side surface of the gate electrode 110, so that the impurity region 120 includes regions having different impurity concentrations.

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

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

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

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

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

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

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

トランジスタ162では、CMP法を用いてゲート電極148上の導電膜を分断し、ソース電極層及びドレイン電極層として機能する電極層142a、142bを形成する工程において、酸化物絶縁膜135及び側壁絶縁層136a、136bに用いる酸化物絶縁膜に対してより効果的に除去処理が進行するアルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理と、金属膜に対して効果的に除去処理が進行する、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理を行う。CMP法による研磨処理に加え、酸化物絶縁膜135及び側壁絶縁層136a、136bに用いられる酸化物絶縁膜と、ゲート電極148、電極層142a、142bに用いられる金属膜とに対して、アルカリ性スラリー及び酸性スラリーが有する、異なる選択比を利用する。作製工程において、CMP法による研磨処理に加え、処理物への選択比が異なるスラリーを用いることで、より精密な加工を制御よく行うことができる。 In the transistor 162, the oxide insulating film 135 and the sidewall insulating layer are separated in the step of forming the electrode layers 142a and 142b functioning as the source electrode layer and the drain electrode layer by dividing the conductive film over the gate electrode 148 using a CMP method. A first polishing process using an alkaline slurry in which the removal treatment proceeds more effectively on the oxide insulating film used for 136a and 136b, and an acidic slurry in which the removal treatment effectively proceeds on the metal film. The second polishing process used is performed. In addition to the polishing process by the CMP method, an alkaline slurry is applied to the oxide insulating film 135 and the oxide insulating film used for the sidewall insulating layers 136a and 136b and the metal film used for the gate electrode 148 and the electrode layers 142a and 142b. And different selectivity ratios of acidic slurries. In the manufacturing process, in addition to the polishing process by the CMP method, more precise processing can be performed with good control by using the slurry having a different selection ratio to the processed object.

ゲート電極148上に設けられた、導電膜、及び酸化物絶縁膜の積層に対して、まず、第1の研磨処理によって、選択的に酸化物絶縁膜を除去して、ゲート電極148上に設けられた導電層を露出させる。次に行う第2の研磨処理は金属膜に対して効果的に除去処理が進行する酸性系スラリーを用いて行うため、側壁絶縁層136a、136bは除去されにくく、選択的にゲート電極148の一部、及び導電膜を除去することができる。よって、ゲート電極148、及び電極層142a、142bの高さ(基板185からの高さ)は、側壁絶縁層136a、136bの上面の高さより低くすることができる。該構造により、ゲート電極148と、電極層142a、142bとを側壁絶縁層136a、136bを用いてより確実に絶縁することができるため、ゲート電極148と、電極層142a、142bとが、接することによるショート等の不良を低減することができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきを少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。 For the stack of the conductive film and the oxide insulating film provided over the gate electrode 148, first, the oxide insulating film is selectively removed by a first polishing process, and then provided over the gate electrode 148. The formed conductive layer is exposed. Since the second polishing process to be performed next is performed using an acidic slurry that effectively removes the metal film, the sidewall insulating layers 136a and 136b are difficult to remove, and the gate electrode 148 is selectively removed. And the conductive film can be removed. Therefore, the height of the gate electrode 148 and the electrode layers 142a and 142b (the height from the substrate 185) can be made lower than the height of the top surfaces of the sidewall insulating layers 136a and 136b. With this structure, since the gate electrode 148 and the electrode layers 142a and 142b can be more reliably insulated by using the sidewall insulating layers 136a and 136b, the gate electrode 148 and the electrode layers 142a and 142b are in contact with each other. It is possible to reduce defects such as a short circuit due to. Thus, in a manufacturing process of a semiconductor device, a transistor having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(実施の形態4)
本実施の形態においては、実施の形態1乃至3のいずれかに示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態2に示した構成と異なる構成について、図6及び図7を用いて説明を行う。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a semiconductor device which uses any of the transistors described in any of Embodiments 1 to 3, can store stored contents even in a state where power is not supplied, and has no limit on the number of writing operations. A structure different from the structure shown in Embodiment Mode 2 will be described with reference to FIGS.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図7(A)及び図7(B)に示すトランジスタ162は、実施の形態1又は実施の形態2で示した構成と同一の構成とすることができる。 The transistor 162 illustrated in FIGS. 7A and 7B can have the same structure as the structure described in Embodiment 1 or 2.

絶縁層180上に設けられたトランジスタ162上には、絶縁膜256が単層または積層で設けられている。また、絶縁膜256を介して、トランジスタ162の電極層142aと重畳する領域には、導電層262が設けられており、電極層142aと、酸化物絶縁膜135と、絶縁膜256と、導電層262とによって、容量素子254が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層142aは、容量素子254の一方の電極として機能し、導電層262は、容量素子254の他方の電極として機能する。 An insulating film 256 is provided as a single layer or a stacked layer over the transistor 162 provided over the insulating layer 180. In addition, a conductive layer 262 is provided in a region overlapping with the electrode layer 142a of the transistor 162 with the insulating film 256 provided therebetween, and the electrode layer 142a, the oxide insulating film 135, the insulating film 256, and the conductive layer are provided. The capacitor 254 is configured by the H.262. That is, the electrode layer 142 a of the transistor 162 functions as one electrode of the capacitor 254, and the conductive layer 262 functions as the other electrode of the capacitor 254.

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

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

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

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

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

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

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

(実施の形態5)
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図8乃至図11を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to a portable device such as a mobile phone, a smartphone, or an e-book reader will be described with reference to FIGS.

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

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

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

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

図9に携帯機器のブロック図を示す。図9に示す携帯機器はRF回路901、アナログベースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源回路905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレイコントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、音声回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示部914、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプリケーションプロセッサ906はCPU907、DSP908、インターフェイス909(IF909)を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまたはDRAMで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。 FIG. 9 shows a block diagram of a portable device. 9 includes an RF circuit 901, an analog baseband circuit 902, a digital baseband circuit 903, a battery 904, a power supply circuit 905, an application processor 906, a flash memory 910, a display controller 911, a memory circuit 912, a display 913, and a touch. A sensor 919, an audio circuit 917, a keyboard 918, and the like are included. The display 913 includes a display unit 914, a source driver 915, and a gate driver 916. The application processor 906 includes a CPU 907, a DSP 908, and an interface 909 (IF909). In general, the memory circuit 912 includes an SRAM or a DRAM. By adopting the semiconductor device described in the above embodiment for this portion, information can be written and read at high speed, and long-term storage can be performed. In addition, power consumption can be sufficiently reduced.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本実施例では、本明細書に開示する半導体装置の一形態であるトランジスタを作製し、断面観察及び電気特性の評価を行った。 In this example, a transistor which is one embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification was manufactured, and cross-sectional observation and evaluation of electric characteristics were performed.

トランジスタとして、図12に示すトランジスタ340と同様の構造の実施例トランジスタを作製した。以下に実施例トランジスタの作製方法を示す。 As a transistor, an example transistor having a structure similar to that of the transistor 340 illustrated in FIG. 12 was manufactured. A method for manufacturing an example transistor is described below.

アルゴンによるプラズマ処理(Ar流量50sccm、圧力0.6Pa、電源電力200W、3分間)を行ったシリコン基板300上に絶縁膜336としてスパッタリング法を用いて、膜厚1000nmの酸化シリコン膜を形成した(成膜条件:酸素(酸素50sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力(電源出力)1.5kW、シリコン基板とターゲットとの間の距離を60mm、基板温度100℃)。 A silicon oxide film having a thickness of 1000 nm was formed as the insulating film 336 on the silicon substrate 300 subjected to the plasma treatment with Ar (Ar flow rate 50 sccm, pressure 0.6 Pa, power supply power 200 W, 3 minutes) using the sputtering method ( Film forming conditions: oxygen (oxygen 50 sccm) atmosphere, pressure 0.4 Pa, power supply power (power output) 1.5 kW, distance between silicon substrate and target 60 mm, substrate temperature 100 ° C.

次に絶縁膜336表面に化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法により研磨処理(研磨圧0.01MPa、研磨時回転数(テーブル/スピンドル):60rpm/56rpm)を行い、絶縁膜336表面における平均面粗さ(Ra)を約0.2nmとした。 Next, the surface of the insulating film 336 is subjected to a polishing process (polishing pressure of 0.01 MPa, the number of rotations during polishing (table / spindle): 60 rpm / 56 rpm) by a chemical mechanical polishing (CMP) method. The average surface roughness (Ra) was about 0.2 nm.

絶縁膜336上に酸化物半導体膜としてIn:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚20nmのIGZO膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=30sccm:15sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力0.5kW、基板温度200℃とした。 An IGZO film with a thickness of 20 nm was formed over the insulating film 336 by a sputtering method using an oxide target of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 [atomic ratio] as an oxide semiconductor film. The deposition conditions were argon and oxygen (argon: oxygen = 30 sccm: 15 sccm), pressure 0.4 Pa, power supply power 0.5 kW, and substrate temperature 200 ° C.

ドライエッチング法により、酸化物半導体膜をエッチング(エッチング条件:エッチングガス(BCl:Cl=60sccm:20sccm)、ICP電源電力450W、バイアス電力100W、圧力1.9Pa)して島状の半導体膜303を形成した。 An oxide semiconductor film is etched by dry etching (etching conditions: etching gas (BCl 3 : Cl 2 = 60 sccm: 20 sccm), ICP power supply power 450 W, bias power 100 W, pressure 1.9 Pa) to form an island-shaped semiconductor film 303 was formed.

次にCVD法によりゲート絶縁膜となる酸化窒化シリコン膜を20nm成膜した。 Next, a 20 nm thick silicon oxynitride film serving as a gate insulating film was formed by a CVD method.

ゲート絶縁膜上に、スパッタリング法により膜厚30nmの窒化タンタル膜(成膜条件:アルゴン及び窒素(アルゴン:窒素=50sccm:10sccm)雰囲気下、圧力0.6Pa、電源電力1kW)及び膜厚200nmのタングステン膜(成膜条件:アルゴン(100sccm)雰囲気下、圧力2.0Pa、電源電力4kW)の積層を成膜した。 A tantalum nitride film with a film thickness of 30 nm is formed on the gate insulating film by sputtering (film formation conditions: argon and nitrogen (argon: nitrogen = 50 sccm: 10 sccm) atmosphere, pressure 0.6 Pa, power supply power 1 kW) and film thickness 200 nm. A stack of tungsten films (film formation conditions: argon (100 sccm) atmosphere, pressure 2.0 Pa, power supply power 4 kW) was formed.

窒化タンタル膜及びタングステン膜上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成した。レジストマスクは、露光により形成後、さらにエッチングによるスリミング工程を行い、チャネル長方向の長さを210nmまで縮小した。 A resist mask was formed on the tantalum nitride film and the tungsten film by photolithography. After the resist mask was formed by exposure, a slimming process was further performed by etching to reduce the length in the channel length direction to 210 nm.

ドライエッチング法により、窒化タンタル膜及びタングステン膜をエッチング((第1エッチング条件:エッチングガス(CF:Cl:O=55sccm:45sccm:55sccm)、ICP電源電力3kW、バイアス電力110W、圧力0.67Pa)、(第2エッチング条件:エッチングガス(Cl=100sccm)、電源電力2kW、バイアス電力50W、圧力0.67Pa))して島状のゲート電極層301を形成した。 The tantalum nitride film and the tungsten film are etched by dry etching ((first etching condition: etching gas (CF 4 : Cl 2 : O 2 = 55 sccm: 45 sccm: 55 sccm), ICP power supply power 3 kW, bias power 110 W, pressure 0) (Second etching condition: etching gas (Cl 2 = 100 sccm), power source power 2 kW, bias power 50 W, pressure 0.67 Pa)) to form an island-shaped gate electrode layer 301.

次に、絶縁膜としてゲート電極層301上に、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜(成膜条件:アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=25sccm:25sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力2.5kW、ガラス基板とターゲットとの間の距離を60mm、基板温度250℃)を10nm成膜した。 Next, an aluminum oxide film (deposition condition: argon and oxygen (argon: oxygen = 25 sccm: 25 sccm) atmosphere) is formed on the gate electrode layer 301 as an insulating film by a sputtering method, a pressure of 0.4 Pa, a power supply power of 2.5 kW, The distance between the glass substrate and the target was 60 nm, and the substrate temperature was 250 nm.

酸化アルミニウム膜上に絶縁膜として、CVD法により酸化窒化シリコン膜を100nm成膜した。 A silicon oxynitride film having a thickness of 100 nm was formed as an insulating film over the aluminum oxide film by a CVD method.

ゲート電極層301をマスクとして、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及び酸化窒化シリコン膜を通過させて、イオン注入法により半導体膜303に、リンイオンを注入し、チャネル形成領域309、低抵抗領域304a、304bを含む半導体膜303を形成した。なお、リンイオンの注入条件は加速電圧110kV、ドーズ量を4.0×1015ions/cmとした。 Using the gate electrode layer 301 as a mask, the silicon oxynitride film, the aluminum oxide film, and the silicon oxynitride film are passed through, and phosphorus ions are implanted into the semiconductor film 303 by an ion implantation method, so that a channel formation region 309 and a low resistance region 304a are obtained. , 304b was formed. The phosphorus ion implantation conditions were an acceleration voltage of 110 kV and a dose of 4.0 × 10 15 ions / cm 2 .

酸化窒化シリコン膜をドライエッチング法により、エッチング(エッチング条件:エッチングガス(CHF:He=30sccm:120sccm、電源電力3kW、バイアス電力200W、圧力2.0Pa、下部電極温度−10℃)してゲート電極層301側面を覆う側壁絶縁層312a2、312b2を形成した。ゲート電極層301、及び側壁絶縁層312a2、312b2をマスクとして、酸化アルミニウム膜及びゲート絶縁膜をエッチングし、側壁絶縁層312a1、312b1、及びゲート絶縁膜302を形成した。なお酸化アルミニウム膜のエッチング条件は、エッチングガスBCl=80sccm、ICP電源電力550W、バイアス電力150W、圧力1.0Pa、下部電極温度70℃とした。 The silicon oxynitride film is etched by dry etching (etching conditions: etching gas (CHF 3 : He = 30 sccm: 120 sccm, power supply power 3 kW, bias power 200 W, pressure 2.0 Pa, lower electrode temperature −10 ° C.) to gate Side wall insulating layers 312a2 and 312b2 are formed to cover the side surfaces of the electrode layer 301. The aluminum oxide film and the gate insulating film are etched using the gate electrode layer 301 and the side wall insulating layers 312a2 and 312b2 as a mask to form side wall insulating layers 312a1, 312b1, and Then, the gate insulating film 302 was formed, and the etching conditions of the aluminum oxide film were as follows: etching gas BCl 3 = 80 sccm, ICP power supply power 550 W, bias power 150 W, pressure 1.0 Pa, and lower electrode temperature 70 ° C.

半導体膜303、ゲート絶縁膜302、ゲート電極層301、側壁絶縁層312a1、312a2、312b1、312b2上に、スパッタリング法により膜厚30nmのタングステン膜(成膜条件:アルゴン(80sccm)雰囲気下、圧力0.8Pa、電源電力1kW、基板温度200℃)を成膜した。 On the semiconductor film 303, the gate insulating film 302, the gate electrode layer 301, and the sidewall insulating layers 312a1, 312a2, 312b1, and 312b2, a tungsten film with a thickness of 30 nm is formed by sputtering (film formation condition: argon (80 sccm) atmosphere, pressure 0 8 Pa, power supply power 1 kW, substrate temperature 200 ° C.).

次に、ドライエッチング法により、タングステン膜をエッチング(エッチング条件:エッチングガス(CF:Cl:O=55sccm:45sccm:55sccm)、電源電力3kW、バイアス電力110W、圧力0.67Pa)して島状のタングステン膜を形成した。 Next, the tungsten film is etched by dry etching (etching conditions: etching gas (CF 4 : Cl 2 : O 2 = 55 sccm: 45 sccm: 55 sccm), power supply power 3 kW, bias power 110 W, pressure 0.67 Pa). An island-shaped tungsten film was formed.

次に、絶縁膜として半導体膜303、ゲート絶縁膜302、ゲート電極層301、側壁絶縁層312a1、312a2、312b1、312b2、タングステン膜上に、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜(成膜条件:アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=25sccm:25sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力2.5kW、ガラス基板とターゲットとの間の距離を60mm、基板温度250℃)を70nm成膜した。 Next, an aluminum oxide film (deposition conditions: argon and oxygen) is formed on the semiconductor film 303, the gate insulating film 302, the gate electrode layer 301, the sidewall insulating layers 312a1, 312a2, 312b1, 312b2, and the tungsten film as an insulating film by a sputtering method. Under an atmosphere of (argon: oxygen = 25 sccm: 25 sccm), a pressure of 0.4 Pa, a power supply power of 2.5 kW, a distance between the glass substrate and the target of 60 mm, and a substrate temperature of 250 ° C. was formed to a thickness of 70 nm.

さらに、酸化アルミニウム膜上に、CVD法により酸化窒化シリコン膜を460nm成膜した。 Further, a silicon oxynitride film was formed at 460 nm over the aluminum oxide film by a CVD method.

次に酸化窒化シリコン膜、及び酸化アルミニウム膜に化学的機械研磨法により第1の研磨処理(研磨条件:硬質ポリウレタン系研磨布、アルカリ性スラリー(NP8020(ニッタ・ハース株式会社製))、スラリー温度室温、研磨(ロード)圧0.08MPa、研磨時回転数(テーブル/スピンドル)51rpm/50rpm)を行い、ゲート電極層301上の酸化窒化シリコン膜、及び酸化アルミニウム膜を除去し、タングステン膜を露出させた。第1の研磨処理は、酸化物絶縁膜に対して効果的に除去処理が進行する、アルカリ性スラリーを用いて行う。酸化窒化シリコン膜、及び酸化アルミニウム膜は第1の研磨処理により一部除去され、絶縁膜310、315となった。 Next, a first polishing process is performed on the silicon oxynitride film and the aluminum oxide film by a chemical mechanical polishing method (polishing conditions: hard polyurethane polishing cloth, alkaline slurry (NP8020 (manufactured by Nitta Haas Co.)), slurry temperature at room temperature The polishing (load) pressure is 0.08 MPa, the rotation speed during polishing (table / spindle) is 51 rpm / 50 rpm), the silicon oxynitride film and the aluminum oxide film on the gate electrode layer 301 are removed, and the tungsten film is exposed. It was. The first polishing treatment is performed using an alkaline slurry that effectively removes the oxide insulating film. The silicon oxynitride film and the aluminum oxide film were partly removed by the first polishing process to form insulating films 310 and 315.

次にタングステン膜に化学的機械研磨法により第2の研磨処理(研磨条件:硬質ポリウレタン系研磨布、酸性スラリー(SSW2000(Cabot社製)1000mlに過酸化水素水を135ml添加し、さらに純粋で2倍希釈して用いる)、スラリー温度室温、研磨(ロード)圧0.01MPa、研磨時回転数(テーブル/スピンドル)39rpm/35rpm)を行い、ゲート電極層301の一部、及びゲート電極層301上のタングステン膜を除去した。該第2の研磨処理によって、タングステン膜を分断してソース電極層305a及びドレイン電極層305bを形成した。 Next, a second polishing process (polishing condition: hard polyurethane polishing cloth, acidic slurry (SSW2000 (manufactured by Cabot)) (135 ml) is added to the tungsten film by a chemical mechanical polishing method. (Diluted twice), slurry temperature at room temperature, polishing (load) pressure 0.01 MPa, polishing rotation speed (table / spindle) 39 rpm / 35 rpm), part of the gate electrode layer 301 and on the gate electrode layer 301 The tungsten film was removed. By the second polishing treatment, the tungsten film was divided to form the source electrode layer 305a and the drain electrode layer 305b.

以上の工程で実施例トランジスタを作製した。 An example transistor was manufactured through the above steps.

実施例トランジスタ上に層間絶縁膜307として、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜(成膜条件:アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=25sccm:25sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力2.5kW、ガラス基板とターゲットとの間の距離を60mm、基板温度250℃)を30nm成膜し、酸化アルミニウム膜上に層間絶縁膜317としてCVD法により酸化窒化シリコン膜を400nm成膜した。層間絶縁膜形成後酸素雰囲気下、400℃で1時間熱処理を行った。 Example An aluminum oxide film (film formation conditions: argon and oxygen (argon: oxygen = 25 sccm: 25 sccm) atmosphere, pressure 0.4 Pa, power supply power 2.5 kW, glass substrate as an interlayer insulating film 307 on the transistor by sputtering. The distance between the target and the target was 60 nm, and the substrate temperature was 250 ° C., and a silicon oxynitride film was formed to 400 nm as an interlayer insulating film 317 on the aluminum oxide film by a CVD method. After the interlayer insulating film was formed, heat treatment was performed at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

ソース電極層、ドレイン電極層に達する開口を形成した。 Openings reaching the source electrode layer and the drain electrode layer were formed.

開口に、スパッタリング法により膜厚50nmのチタン膜(成膜条件:アルゴン(20sccm)雰囲気下、圧力0.1Pa、電源電力12kW)、膜厚100nmのアルミニウム膜(成膜条件:アルゴン(50sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力1kW)、膜厚50nmのチタン膜(成膜条件:アルゴン(20sccm)雰囲気下、圧力0.1Pa、電源電力12kW)を積層した。 A titanium film with a film thickness of 50 nm is formed in the opening by sputtering (film formation condition: argon (20 sccm) atmosphere, pressure 0.1 Pa, power supply power 12 kW), and an aluminum film with a film thickness 100 nm (film formation condition: argon (50 sccm) atmosphere A titanium film having a thickness of 50 nm and a film thickness of 50 nm (deposition conditions: argon (20 sccm) atmosphere, pressure 0.1 Pa, power supply power 12 kW) was laminated.

チタン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜の積層を、エッチング(エッチング条件:エッチングガス(BCl:Cl=60sccm:20sccm)、ICP電源電力450W、バイアス電力100W、圧力1.9Pa)し、配線層335a、335bを形成した。 Etching (etching condition: etching gas (BCl 3 : Cl 2 = 60 sccm: 20 sccm), ICP power supply power 450 W, bias power 100 W, pressure 1.9 Pa) is performed on the stack of the titanium film, the aluminum film, and the titanium film. 335a and 335b were formed.

配線層上にポリイミド膜を1.5μm形成し、大気中で300℃1時間熱処理を行った。 A polyimide film having a thickness of 1.5 μm was formed on the wiring layer, and heat treatment was performed in the atmosphere at 300 ° C. for 1 hour.

本実施例では、実施例トランジスタとして、チャネル幅(W)は10μmとし、チャネル長が0.1μm、0.3μm、10μmの3種類のトランジスタを作製した。 In this example, three types of transistors having a channel width (W) of 10 μm and channel lengths of 0.1 μm, 0.3 μm, and 10 μm were manufactured as the example transistors.

以下に示す工程の他、比較例トランジスタも実施例トランジスタと同様に作製した。以下に比較例トランジスタの作製方法において、実施例トランジスタの作製方法と異なる工程を詳細に示す。 In addition to the steps shown below, a comparative transistor was also produced in the same manner as the example transistor. In the following, in the method for manufacturing the comparative transistor, steps different from those of the method for manufacturing the example transistor are described in detail.

比較例トランジスタにおいては、絶縁膜が設けられたシリコン基板上に、半導体膜として、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚10nmのIGZO膜を形成した。また、イオン注入法により該IGZO膜に、酸素イオンを注入した。なお、酸素イオンの注入条件は加速電圧5kV、ドーズ量を2.5×1015ions/cmとした。 In the comparative transistor, a film thickness is formed by a sputtering method using an oxide target of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 [atomic ratio] as a semiconductor film over a silicon substrate provided with an insulating film. A 10 nm IGZO film was formed. Further, oxygen ions were implanted into the IGZO film by an ion implantation method. The oxygen ion implantation conditions were an acceleration voltage of 5 kV and a dose of 2.5 × 10 15 ions / cm 2 .

ゲート電極層をマスクとして、ゲート絶縁膜となる酸化窒化シリコン膜を通過させて、イオン注入法により半導体膜に、リンイオンを注入し、チャネル形成領域、低抵抗領域を含む半導体膜を形成した。なお、リンイオンの注入条件は加速電圧110kV、ドーズ量を4.0×1015ions/cmとした。酸化物半導体膜へのリンイオン注入後、ゲート電極層上に、酸化アルミニウム膜は設けず、CVD法により酸化窒化シリコン膜を90nm成膜した。 Using the gate electrode layer as a mask, a silicon oxynitride film serving as a gate insulating film was passed, and phosphorus ions were implanted into the semiconductor film by an ion implantation method, so that a semiconductor film including a channel formation region and a low resistance region was formed. The phosphorus ion implantation conditions were an acceleration voltage of 110 kV and a dose of 4.0 × 10 15 ions / cm 2 . After phosphorus ion implantation into the oxide semiconductor film, an aluminum oxide film was not provided over the gate electrode layer, and a silicon oxynitride film was formed to a thickness of 90 nm by a CVD method.

酸化窒化シリコン膜をドライエッチング法により、エッチングしてゲート電極層側面を覆う側壁絶縁層を形成した。ゲート電極層、及び側壁絶縁層をマスクとして、酸化窒化シリコン膜をエッチングし、ゲート絶縁膜を形成した。 The silicon oxynitride film was etched by a dry etching method to form a sidewall insulating layer covering the side surface of the gate electrode layer. Using the gate electrode layer and the sidewall insulating layer as a mask, the silicon oxynitride film was etched to form a gate insulating film.

半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、側壁絶縁層上に、スパッタリング法によりタングステン膜を成膜し、ドライエッチング法により、タングステン膜をエッチングして島状のタングステン膜を形成した。 A tungsten film was formed over the semiconductor film, the gate insulating film, the gate electrode layer, and the sidewall insulating layer by a sputtering method, and the tungsten film was etched by a dry etching method to form an island-shaped tungsten film.

半導体膜、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、側壁絶縁層b、タングステン膜上に、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜を成膜し、酸化アルミニウム膜上に、CVD法により酸化窒化シリコン膜を成膜した。 An aluminum oxide film was formed by a sputtering method over the semiconductor film, the gate insulating film, the gate electrode layer, the sidewall insulating layer b, and the tungsten film, and a silicon oxynitride film was formed over the aluminum oxide film by a CVD method.

酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びタングステン膜に化学的機械研磨法により研磨処理(研磨条件:硬質ポリウレタン系研磨布、アルカリ性スラリー(NP8020(ニッタ・ハース株式会社製))、スラリー温度室温、研磨(ロード)圧0.08MPa、研磨時回転数(テーブル/スピンドル)51rpm/50rpm)を行い、ゲート電極層が露出するように、ゲート電極層501上の酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びタングステン膜を除去した。 Polishing silicon oxynitride film, aluminum oxide film and tungsten film by chemical mechanical polishing method (Polishing conditions: hard polyurethane polishing cloth, alkaline slurry (NP8020 (made by Nita Haas Co.)), slurry temperature at room temperature, polishing (Load) pressure 0.08 MPa, polishing rotation speed (table / spindle) 51 rpm / 50 rpm), and a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, and tungsten on the gate electrode layer 501 so that the gate electrode layer is exposed. The membrane was removed.

比較例トランジスタにおいては、一回の研磨処理によって、酸化窒化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜を除去し、かつゲート電極層上のタングステン膜を除去して分断してソース電極層及びドレイン電極層を形成した。 In the comparative transistor, the silicon oxynitride film and the aluminum oxide film were removed by one polishing process, and the tungsten film on the gate electrode layer was removed and divided to form a source electrode layer and a drain electrode layer. .

以上の工程で比較例トランジスタを作製した。 A comparative transistor was manufactured through the above steps.

比較例トランジスタ上に層間絶縁膜として、CVD法により酸化窒化シリコン膜を400nm成膜し、層間絶縁膜形成後、酸素雰囲気下、400℃で1時間熱処理を行った。 A silicon oxynitride film having a thickness of 400 nm was formed as an interlayer insulating film over the transistor of the comparative example by a CVD method, and after the interlayer insulating film was formed, heat treatment was performed at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

ソース電極層、ドレイン電極層に達する開口を形成し、該開口に、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜を積層し、エッチングし、配線層を形成した。配線層上にポリイミド膜を1.5μm形成し、大気中で300℃1時間熱処理を行った。 Openings reaching the source electrode layer and the drain electrode layer were formed, and a titanium film, an aluminum film, and a titanium film were stacked in the openings, and etched to form a wiring layer. A polyimide film having a thickness of 1.5 μm was formed on the wiring layer, and heat treatment was performed in the atmosphere at 300 ° C. for 1 hour.

比較例トランジスタとして、チャネル幅(W)は10μmとし、チャネル長が0.1μm、0.3μm、10μmの3種類のトランジスタを作製した。 As comparative transistors, three types of transistors having a channel width (W) of 10 μm and channel lengths of 0.1 μm, 0.3 μm, and 10 μm were manufactured.

実施例トランジスタ(チャネル長0.1μm)のチャネル長方向の断面を切り出し、走査型透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscopy)により、実施例トランジスタ及び比較例トランジスタの断面観察を行った。本実施例ではSTEMは「日立超薄膜評価装置HD−2300」(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用いた。図13に実施例トランジスタの断面STEM像を示す。 A cross section in the channel length direction of an example transistor (channel length: 0.1 μm) was cut out, and cross sections of the example transistor and the comparative example transistor were observed with a scanning transmission electron microscope (STEM). In this example, STEM used “Hitachi ultra-thin film evaluation apparatus HD-2300” (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). FIG. 13 shows a cross-sectional STEM image of the example transistor.

実施例トランジスタでは、CMP法を用いてゲート電極層301上の導電膜を分断し、ソース電極層305a及びドレイン電極層305bを形成する工程において、酸化物絶縁膜に対してより効果的に除去処理が進行するアルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理と、金属膜に対して効果的に除去処理が進行する、酸性スラリーを用いた第2の研磨処理を行う。側壁絶縁層312a1、312a2、312b1、312b2に用いられる酸化物絶縁膜と、ゲート電極層301、ソース電極層305a及びドレイン電極層305bに用いられる金属膜とに対して、アルカリ性スラリー及び酸性スラリーが有する、異なる選択比を利用する。 In the example transistor, the oxide insulating film is more effectively removed in the step of forming the source electrode layer 305a and the drain electrode layer 305b by dividing the conductive film over the gate electrode layer 301 using a CMP method. The first polishing process using the alkaline slurry in which the progress is performed and the second polishing process using the acidic slurry in which the removal process is effectively performed on the metal film are performed. An alkaline slurry and an acidic slurry have an oxide insulating film used for the sidewall insulating layers 312a1, 312a2, 312b1, and 312b2 and a metal film used for the gate electrode layer 301, the source electrode layer 305a, and the drain electrode layer 305b. Utilize different selection ratios.

ゲート電極層301上に設けられた、導電膜、及び酸化物絶縁膜の積層に対して、まず、第1の研磨処理によって、選択的に酸化物絶縁膜を除去して、ゲート電極層301上に設けられた導電層を露出させる。次に行う第2の研磨処理は金属膜に対して効果的に除去処理が進行する酸性系スラリーを用いて行うため、側壁絶縁層312a1、312a2、312b1、312b2は除去されにくく、選択的にゲート電極層301の一部、及び導電膜を除去することができる。よって、図13に示すように、ゲート電極層301、及びソース電極層305a及びドレイン電極層305bの高さ(シリコン基板300からの高さ)は、側壁絶縁層312a1、312a2、312b1、312b2の上面の高さより低くすることができる。該構造により、ゲート電極層301と、ソース電極層305a及びドレイン電極層305bとを側壁絶縁層312a1、312a2、312b1、312b2を用いてより確実に絶縁することができるため、ゲート電極層301と、ソース電極層305a及びドレイン電極層305bとが、接することによるショート等の不良を低減することができる。従って、微細な実施例トランジスタを歩留まりよく作製することが可能となる。 First, with respect to the stack of the conductive film and the oxide insulating film provided over the gate electrode layer 301, the oxide insulating film is selectively removed by a first polishing process, and then the gate electrode layer 301 is formed. The conductive layer provided on is exposed. Since the second polishing process to be performed next is performed using an acidic slurry that effectively removes the metal film, the side wall insulating layers 312a1, 312a2, 312b1, and 312b2 are difficult to remove, and the gate is selectively removed. Part of the electrode layer 301 and the conductive film can be removed. Therefore, as shown in FIG. 13, the height of the gate electrode layer 301, the source electrode layer 305a, and the drain electrode layer 305b (the height from the silicon substrate 300) is the upper surface of the sidewall insulating layers 312a1, 312a2, 312b1, and 312b2. It can be made lower than the height. With this structure, the gate electrode layer 301 can be more reliably insulated from the source electrode layer 305a and the drain electrode layer 305b by using the sidewall insulating layers 312a1, 312a2, 312b1, and 312b2. Defects such as a short circuit due to contact between the source electrode layer 305a and the drain electrode layer 305b can be reduced. Therefore, it is possible to manufacture fine transistor examples with high yield.

一方、比較例トランジスタは、一回の研磨処理によって、ゲート電極層上に設けられた、導電膜、及び酸化物絶縁膜の積層を除去する比較例トランジスタの場合は、導電膜除去時に側壁絶縁層も除去されるため、ゲート電極層の上部が露出する形状となりうる。このような側壁絶縁層の過剰な除去は、ゲート電極層とソース電極層、ドレイン電極層とのショート等を招き、歩留まりや、生産性が低下する。また一度の研磨処理によって、材料の異なる積層構造を処理すると、基板面内において処理領域のばらつきが生じやすく、特に集積化された微細なトランジスタを複数含む半導体装置の作製工程においては、そのばらつきが不良という形として大きく影響してしまう。 On the other hand, in the case of the comparative transistor in which the stack of the conductive film and the oxide insulating film provided on the gate electrode layer is removed by a single polishing process, the comparative transistor is a sidewall insulating layer when the conductive film is removed. Therefore, the upper portion of the gate electrode layer can be exposed. Such excessive removal of the sidewall insulating layer causes a short circuit between the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer, and the yield and productivity are reduced. In addition, when a laminated structure with different materials is processed by a single polishing process, variations in the processing region are likely to occur within the substrate surface, particularly in the manufacturing process of a semiconductor device including a plurality of integrated microscopic transistors. It will greatly affect the form of defects.

次に、実施例トランジスタ及び比較例トランジスタの電気特性の評価を行った結果を示す。 Next, evaluation results of electrical characteristics of the example transistor and the comparative transistor are shown.

図14(A)に、チャネル長が0.1μmの実施例トランジスタ、図14(B)にチャネル長が0.1μmの比較例トランジスタのドレイン電圧(Vd)が1V(太線)、0.1V(細線)におけるゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)特性、及び電界効果移動度を示す。ドレイン電圧(Vd)が0.1Vにおいて、チャネル長が0.1μmの実施例トランジスタの電界効果移動度は、7.6cm/Vsであり、チャネル長が0.1μmの比較例トランジスタの電界効果移動度は、1.0cm/Vsであった。 FIG. 14A shows an example transistor having a channel length of 0.1 μm, and FIG. 14B shows a drain voltage (Vd) of a comparative example transistor having a channel length of 0.1 μm of 1 V (thick line), 0.1 V ( The gate voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics and field effect mobility in a thin line) are shown. The field effect mobility of an example transistor with a drain voltage (Vd) of 0.1 V and a channel length of 0.1 μm is 7.6 cm 2 / Vs, and the field effect of a comparative example transistor with a channel length of 0.1 μm. The mobility was 1.0 cm 2 / Vs.

図15(A)に、チャネル長が0.3μmの実施例トランジスタ、図15(B)にチャネル長が0.3μmの比較例トランジスタのドレイン電圧(Vd)が1V(太線)、0.1V(細線)におけるゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)特性、及び電界効果移動度を示す。ドレイン電圧(Vd)が0.1Vにおいて、チャネル長が0.3μmの実施例トランジスタの電界効果移動度は、18.6cm/Vsであり、チャネル長が0.3μmの比較例トランジスタの電界効果移動度は、3.8cm/Vsであった。 FIG. 15A shows an example transistor having a channel length of 0.3 μm, and FIG. 15B shows a drain voltage (Vd) of a comparative example transistor having a channel length of 0.3 μm of 1 V (thick line) and 0.1 V ( The gate voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics and field effect mobility in a thin line) are shown. The field effect mobility of the example transistor with a drain voltage (Vd) of 0.1 V and a channel length of 0.3 μm is 18.6 cm 2 / Vs, and the field effect of the comparative transistor with a channel length of 0.3 μm. The mobility was 3.8 cm 2 / Vs.

図16(A)に、チャネル長が10μmの実施例トランジスタ、図16(B)にチャネル長が10μmの比較例トランジスタのドレイン電圧(Vd)が1V(太線)、0.1V(細線)におけるゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)特性、及び電界効果移動度を示す。ドレイン電圧(Vd)が0.1Vにおいて、チャネル長が10μmの実施例トランジスタの電界効果移動度は、22.6cm/Vsであり、チャネル長が10μmの比較例トランジスタの電界効果移動度は、4.0cm/Vsであった。 FIG. 16A shows an example transistor having a channel length of 10 μm, and FIG. 16B shows a gate of a comparative example transistor having a channel length of 10 μm with a drain voltage (Vd) of 1 V (thick line) and 0.1 V (thin line). The voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics and field effect mobility are shown. The field effect mobility of the example transistor having a drain voltage (Vd) of 0.1 V and a channel length of 10 μm is 22.6 cm 2 / Vs, and the field effect mobility of the comparative example transistor having a channel length of 10 μm is It was 4.0 cm 2 / Vs.

なお、図14乃至図16の測定範囲はゲート電圧−4V〜+4Vである。 Note that the measurement range of FIGS. 14 to 16 is a gate voltage of −4V to + 4V.

実施例トランジスタは、比較例トランジスタと比較して、測定基板内の多くのトランジスタにおいて、チャネル長0.1μm、0.3μm、10μmいずれもスイッチング素子としての良好な電気特性を示した。一方、比較例トランジスタは、スイッチング素子としての電気特性が得られないトランジスタが多く、特にチャネル長が10μmの試料においてその不良が顕著であった。 As compared with the comparative transistor, the transistor of the example showed good electrical characteristics as a switching element in all of the transistors in the measurement substrate with channel lengths of 0.1 μm, 0.3 μm, and 10 μm. On the other hand, many of the comparative example transistors cannot obtain electrical characteristics as a switching element, and the defect is particularly remarkable in a sample having a channel length of 10 μm.

実施例トランジスタ及び比較例トランジスタにおける、不良率を算出した。不良率は、図14乃至図16におけるトランジスタのドレイン電圧(Vd)が1V(太線)におけるゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)特性から、任意の測定点(実施例トランジスタにおいては25点、比較例トランジスタにおいては13点)における、スイッチング素子として電気特性が得られない(しきい値電圧が−4V〜+4V外であり、オンオフ特性が得られない)点を不良点として算出した。 The defect rate in the example transistor and the comparative transistor was calculated. The defect rate can be obtained from the characteristics of gate voltage (Vg) -drain current (Id) when the drain voltage (Vd) of the transistor in FIGS. The point at which no electrical characteristics were obtained as a switching element (threshold voltage was outside −4 V to +4 V and on / off characteristics were not obtained) at 13 points in the comparative transistor was calculated as a defective point.

比較例トランジスタにおいては、チャネル長0.1μmが不良率31%、チャネル長0.3μmが不良率38%、チャネル長10μmが不良率69%と高い数値となったが、一方実施例トランジスタにおいては、チャネル長0.1μmが不良率8%とかなり低い数値であり、チャネル長0.3μm及びチャネル長10μmでは不良率0%であった。 In the comparative example transistor, the channel length of 0.1 μm was a high failure rate of 31%, the channel length of 0.3 μm was a failure rate of 38%, and the channel length of 10 μm was a high failure rate of 69%. The channel length of 0.1 μm is a considerably low numerical value of 8%, and when the channel length is 0.3 μm and the channel length is 10 μm, the defect rate is 0%.

このように、実施例トランジスタにおいては、面内においてトランジスタの電気特性の不良が低減され、信頼性の高い半導体装置が歩留まりよく作製できることが確認できた。 Thus, in the transistor of the example, it was confirmed that defective electrical characteristics of the transistor were reduced in the plane, and a highly reliable semiconductor device could be manufactured with a high yield.

以上、本実施例で示すように、微細な構造であっても高い電気特性を有するトランジスタを歩留まりよく提供することができる。また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産化を達成することができる。 As described above, as shown in this embodiment, a transistor having high electrical characteristics can be provided with high yield even when the structure is minute. In a semiconductor device including the transistor, high performance, high reliability, and high production can be achieved.

Claims (10)

半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極層とを順に積層し、
ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、
前記半導体膜、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極層、及び前記側壁絶縁層上に導電膜を形成し、
前記導電膜上に酸化物絶縁膜を形成し、
アルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理により、前記ゲート電極層上の前記酸化物絶縁膜を、前記導電膜が露出するまで除去し、
酸性スラリーを用いた第2の研磨処理により、前記ゲート電極層の一部、及び前記ゲート電極層上の前記導電膜を除去して前記導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
A semiconductor film, a gate insulating film, and a gate electrode layer are sequentially stacked,
Forming a sidewall insulating layer covering the side surface of the gate electrode layer;
Forming a conductive film on the semiconductor film, the gate insulating film, the gate electrode layer, and the sidewall insulating layer;
Forming an oxide insulating film on the conductive film;
By the first polishing process using an alkaline slurry, the oxide insulating film on the gate electrode layer is removed until the conductive film is exposed,
A part of the gate electrode layer and the conductive film on the gate electrode layer are removed and the conductive film is divided by a second polishing process using an acidic slurry to form a source electrode layer and a drain electrode layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極層とを順に積層し、
ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、
前記半導体膜、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極層、及び前記側壁絶縁層上に導電膜を形成し、
前記導電膜上に酸化物絶縁膜を形成し、
アルカリ性スラリーを用いた第1の研磨処理により、前記ゲート電極層上の前記酸化物絶縁膜を、前記導電膜が露出するまで除去し、
酸性スラリーを用いた第2の研磨処理により、前記ゲート電極層の一部、及び前記ゲート電極層上の前記導電膜を除去して前記導電膜を分断しソース電極層及びドレイン電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
An oxide semiconductor film, a gate insulating film, and a gate electrode layer are sequentially stacked,
Forming a sidewall insulating layer covering the side surface of the gate electrode layer;
Forming a conductive film on the semiconductor film, the gate insulating film, the gate electrode layer, and the sidewall insulating layer;
Forming an oxide insulating film on the conductive film;
By the first polishing process using an alkaline slurry, the oxide insulating film on the gate electrode layer is removed until the conductive film is exposed,
A part of the gate electrode layer and the conductive film on the gate electrode layer are removed and the conductive film is divided by a second polishing process using an acidic slurry to form a source electrode layer and a drain electrode layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項2において、前記ゲート電極層をマスクとして前記酸化物半導体膜にドーパントを選択的に導入し、前記酸化物半導体膜に低抵抗領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein a dopant is selectively introduced into the oxide semiconductor film using the gate electrode layer as a mask to form a low resistance region in the oxide semiconductor film. 請求項1乃至3のいずれか一項において、前記第1の研磨処理及び前記第2の研磨処理として化学的機械研磨法を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。 4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a chemical mechanical polishing method is used as the first polishing process and the second polishing process. 5. チャネル形成領域を含む半導体膜と、
前記半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、
前記ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層と、
前記半導体膜、前記ゲート絶縁膜の側面及び前記側壁絶縁層の側面に接するソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に酸化物絶縁膜と、
前記ゲート電極層、前記ソース電極層、及び前記ドレイン電極層と接し、かつ前記酸化物絶縁膜上に層間絶縁膜とを有し、
前記ゲート電極層、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の上面の高さは前記側壁絶縁層及び前記酸化物絶縁膜より低いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor film including a channel formation region;
A gate insulating film on the semiconductor film;
A gate electrode layer on the gate insulating film;
A sidewall insulating layer covering a side surface of the gate electrode layer;
A source electrode layer and a drain electrode layer in contact with the semiconductor film, the side surface of the gate insulating film and the side surface of the sidewall insulating layer;
An oxide insulating film on the source electrode layer and the drain electrode layer;
The gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer are in contact with each other, and an interlayer insulating film is provided on the oxide insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein heights of upper surfaces of the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer are lower than those of the sidewall insulating layer and the oxide insulating film.
チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層と、
前記ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体膜、前記ゲート絶縁膜の側面及び前記側壁絶縁層の側面に接するソース電極層及びドレイン電極層と、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層上に酸化物絶縁膜と、
前記ゲート電極層、前記ソース電極層、及び前記ドレイン電極層と接し、かつ前記酸化物絶縁膜上に層間絶縁膜とを有し、
前記ゲート電極層、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の上面の高さは前記側壁絶縁層及び前記酸化物絶縁膜より低いことを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor film including a channel formation region;
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A gate electrode layer on the gate insulating film;
A sidewall insulating layer covering a side surface of the gate electrode layer;
A source electrode layer and a drain electrode layer in contact with the side surfaces of the oxide semiconductor film, the side surface of the gate insulating film and the side wall insulating layer;
An oxide insulating film on the source electrode layer and the drain electrode layer;
The gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer are in contact with each other, and an interlayer insulating film is provided on the oxide insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein heights of upper surfaces of the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer are lower than those of the sidewall insulating layer and the oxide insulating film.
請求項6において、前記側壁絶縁層は酸化アルミニウム膜を含むことを特徴とする半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the sidewall insulating layer includes an aluminum oxide film. 請求項6又は請求項7において、前記酸化物絶縁膜は酸化アルミニウム膜を含むことを特徴とする半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 6, wherein the oxide insulating film includes an aluminum oxide film. 請求項5乃至8のいずれか一項において、前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層の上面の高さは前記ゲート電極層の上面の高さより低いことを特徴とする半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 5, wherein heights of upper surfaces of the source electrode layer and the drain electrode layer are lower than heights of the upper surface of the gate electrode layer. 請求項5乃至9のいずれか一項において、前記半導体膜は、前記チャネル形成領域と隣接してドーパントを含む低抵抗領域を有することを特徴とする半導体装置。   10. The semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor film includes a low-resistance region containing a dopant adjacent to the channel formation region.
JP2013035310A 2012-03-01 2013-02-26 Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device Expired - Fee Related JP6088852B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013035310A JP6088852B2 (en) 2012-03-01 2013-02-26 Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012045501 2012-03-01
JP2012045501 2012-03-01
JP2013035310A JP6088852B2 (en) 2012-03-01 2013-02-26 Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013211536A JP2013211536A (en) 2013-10-10
JP6088852B2 true JP6088852B2 (en) 2017-03-01

Family

ID=49529082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013035310A Expired - Fee Related JP6088852B2 (en) 2012-03-01 2013-02-26 Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6088852B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9917110B2 (en) * 2014-03-14 2018-03-13 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0982976A (en) * 1995-09-14 1997-03-28 Toshiba Corp Thin-film transistor, manufacture thereof and liquid-crystal display
JPH11168218A (en) * 1997-12-05 1999-06-22 Hitachi Ltd Manufacture of semiconductor integrated circuit device
AU2000223245A1 (en) * 2000-02-02 2001-08-14 Hitachi Ltd. Semiconductor device and its manufacturing method
JP4712361B2 (en) * 2003-12-02 2011-06-29 株式会社半導体エネルギー研究所 Method for manufacturing thin film transistor
JP5430846B2 (en) * 2007-12-03 2014-03-05 株式会社半導体エネルギー研究所 Method for manufacturing semiconductor device
CN102687275B (en) * 2010-02-05 2016-01-27 株式会社半导体能源研究所 Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013211536A (en) 2013-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7467704B2 (en) Semiconductor Device
JP6068992B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP6254347B2 (en) Semiconductor device
JP6016532B2 (en) Semiconductor device
JP6097037B2 (en) Semiconductor device
JP6026839B2 (en) Semiconductor device
JP6022880B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6050662B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6381730B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2013175710A (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP6034125B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6427211B2 (en) Semiconductor device
JP6126357B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6049479B2 (en) Semiconductor device
US8604472B2 (en) Semiconductor device
JP6088852B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device
JP5948037B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160203

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20161227

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170124

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170206

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6088852

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees