JP6373718B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタ100の構成例ついて、図面を用いて説明する。
図1(A)は、トランジスタ100および容量素子130の上面図である。図1(B)は、図1(A)にA1−A2の一点鎖線で示した部位の断面図である。図1(C)は、図1(A)にB1−B2の一点鎖線で示した部位の断面図である。
基板101として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加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。
電極102a、電極103a、および電極104aを形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム等から選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金、または上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。導電層の形成方法は特に限定されず、蒸着法、CVD法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種形成方法を用いることができる。
電極102b、電極103b、および電極104bは、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物や酸素が透過しにくい導電性材料を用いて形成することが好ましい。このような導電性材料としては、インジウム錫酸化物、シリコン、リン、ボロン、窒素、および/または炭素を含むインジウム錫酸化物、シリコン、リン、ボロン、窒素、および/または炭素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物、などの導電性酸化物材料を挙げることができる。また、窒化タンタル、ルテニウムなどの導電性材料を挙げることができる。また、電極102b、電極103b、および電極104bは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。
絶縁層105は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルから選ばれた材料を、単層でまたは積層して形成することができる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
絶縁層106は、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物や酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。このような絶縁性材料としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの絶縁性酸化物材料を挙げることができる。
絶縁層107は、絶縁層105と同様の材料および方法で形成することができる。また、酸化物半導体中の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層107の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層107の水素濃度を、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下とする。また、酸化物半導体中の窒素濃度の増加を防ぐために、絶縁層107の窒素濃度を低減することが好ましい。具体的には、絶縁層107の窒素濃度を、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。
酸化物半導体層108は、酸化物半導体層108a、酸化物半導体層108b、酸化物半導体層108cを積層した構成を有する。
以下では、酸化物半導体層108に適用可能な酸化物半導体について詳細に説明する。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
次に、微結晶酸化物半導体について説明する。
次に、非晶質酸化物半導体について説明する。
以下では、CAAC−OSおよびnc−OSの成膜モデルの一例について説明する。
電極109および電極119は、電極102a、電極103a、および電極104a、並びに、電極102b、電極103b、および電極104bと同様の材料および方法で形成することができる。
絶縁層110は、絶縁層105と同様の材料および方法で形成することができる。
電極111は、電極109および電極119と同様の材料および方法で形成することができる。電極111の厚さは、10nm以上500nm以下、好ましくは50nm以上300nm以下とすればよい。
絶縁層112は、絶縁層106と同様の材料および方法で形成することができる。絶縁層112の厚さは、10nm以上500nm以下、好ましくは50nm以上300nm以下とすればよい。
図2乃至図5に示す断面図を用いて、トランジスタ100の作製方法の一例を説明する。
まず、基板101上に、電極102a、電極103a、および電極104aを形成するための導電層(図示せず)と、電極102b、電極103b、および電極104bを形成するための導電層(図示せず)を積層する。それぞれの導電層は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などを用いて形成することができる。
続いて、電極102、電極103、および電極104上に絶縁層105を形成する。絶縁層105は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などを用いて形成することができる。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。
続いて、電極102、電極103、電極104、および絶縁層105上に、絶縁層106を形成する。絶縁層106は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などを用いて形成することができる。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。
続いて、電極102、電極103、電極104、および絶縁層106上に、絶縁層107を形成する。絶縁層107は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、絶縁層107として、CVD法により厚さ150nmの化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化窒化シリコンを形成する。
続いて、絶縁層107上に酸化物半導体層108aを形成するための酸化物半導体層118aと、酸化物半導体層108bを形成するための酸化物半導体層118bを形成する(図3(A)参照。)。
続いて、酸化物半導体層118bおよび絶縁層107の上に、電極109および電極119を形成するための導電層を形成する(図示せず。)。本実施の形態では、該導電層として厚さ100nmのタングステンをスパッタリング法により形成する。
続いて、電極109、電極119、および酸化物半導体層108b上に、酸化物半導体層108cを形成するための酸化物半導体層を形成する(図示せず。)。
続いて、電極109、電極119、酸化物半導体層108c上に絶縁層120を形成する。絶縁層120は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、絶縁層120として、プラズマCVD法により厚さ20nmの酸化窒化シリコンを形成する。
続いて、電極109、電極119、および電極111を覆って、絶縁層112を形成する。絶縁層112は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、絶縁層112として、スパッタリング法により厚さ50nmの酸化アルミニウムを形成する(図5(B)参照。)。
本実施の形態では、本発明の一態様である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(記憶装置)の一例を、図面を用いて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用した半導体装置の一例について、図面を用いて説明する。図19は、本発明の一態様に係る半導体装置の回路図の一例である。
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用した半導体装置の一例について説明する。なお、本実施の形態では、CPUを例にして本発明の一態様である半導体装置を説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用した半導体装置の一例について説明する。なお、本実施の形態では、RFタグを例にして本発明の一態様である半導体装置を説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置の一例について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、表示装置を例にして本発明の一態様である半導体装置を説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を適用した表示モジュールについて、図25を用いて説明を行う。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の一例について説明する。
図27(A)に、試料の断面構造の模式図を示す。試料は、単結晶シリコン基板2001上に厚さ100nmの熱酸化膜2002を形成し、熱酸化膜2002上にバリア層2013を形成し、バリア層2013上にスパッタリング法により化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む厚さ300nmの酸化シリコン層2004を形成した。
バリア層2013として、スパッタリング法で厚さ150nmのタングステンを形成した試料を、試料2010とした。
バリア層2013として、スパッタリング法で厚さ50nmのITOSiを形成した試料を、試料2020とした。
バリア層2013として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとして酸素とアルゴンの混合ガスを用いて厚さ50nmのIGZOを形成した試料を、試料2030とした。
バリア層2013として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンを用いて厚さ50nmのIGZOを形成した試料を、試料2040とした。
バリア層2013として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとして窒素を用いて厚さ50nmのIGZONを形成した試料を、試料2050とした。
試料2010乃至試料2050について、TDS分析(昇温脱離ガス分析)を行った。図27(B)に、TDS分析によるM/z=32(酸素分子)のガスの、放出量の分析結果を示す。図27(B)において、横軸は基板温度であり、縦軸は特定の分子量を有するガスの放出量に比例する信号強度である。なお、外部に放出される分子の総量は、当該信号強度の積分値に相当する。それゆえ、当該ピーク強度の高低によって酸化物絶縁膜に含まれる分子の総量を評価できる。
図28(A)および図28(B)を用いて、作製した試料の断面構造と作製方法について説明する。まず、実施例1と同様の試料を作製し、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む厚さ300nmの酸化シリコン層2004上に、キャップ層2005を形成する。キャップ層2005として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとして酸素とアルゴンの混合ガスを用いて形成した厚さ50nmのIGZOを用いた(図28(A)参照。)。
バリア層2013として、スパッタリング法で厚さ150nmのタングステンを形成した試料を、試料2110とした。
バリア層2013として、スパッタリング法で厚さ50nmの、ITOSiを形成した試料を、試料2120とした。
バリア層2013として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとして酸素とアルゴンの混合ガスを用いて厚さ50nmのIGZOを形成した試料を、試料2130とした。
バリア層2013として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンを用いて厚さ50nmのIGZOを形成した試料を、試料2140とした。
バリア層2013として、スパッタリング法でIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用い、スパッタリングガスとして窒素を用いて厚さ50nmのIGZONを形成した試料を、試料2150とした。
試料2110乃至試料2150について、TDS分析(昇温脱離ガス分析)を行った。図28(C)に、TDS分析によるM/z=32(酸素分子)のガスの、放出量の分析結果を示す。図28(C)において、横軸は基板温度であり、縦軸は特定の分子量を有するガスの放出量に比例する信号強度である。
101 基板
102 電極
103 電極
104 電極
105 絶縁層
106 絶縁層
107 絶縁層
108 酸化物半導体層
109 電極
110 絶縁層
111 電極
112 絶縁層
113 絶縁層
114 電極
115 絶縁層
116 電極
119 電極
120 絶縁層
121 導電層
130 容量素子
382 Ec
386 Ec
390 トラップ準位
401 画素部
404 走査線駆動回路
406 信号線駆動回路
407 走査線
409 信号線
411 画素
415 容量線
432 液晶素子
434 トランジスタ
435 発光素子
436 ノード
437 ノード
700 基板
701 回路
702 回路
703 スイッチ
704 スイッチ
706 論理素子
707 容量素子
708 容量素子
709 トランジスタ
710 トランジスタ
713 トランジスタ
714 トランジスタ
720 回路
730 記憶素子
750 トランジスタ
751 電極
752 絶縁層
753 チャネル形成領域
754 n型不純物領域
755 n型不純物領域
756 側壁絶縁層
789 素子分離領域
790 絶縁層
791 絶縁層
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1010 電子銃室
1012 光学系
1014 試料室
1016 光学系
1018 カメラ
1020 観察室
1022 フィルム室
1024 電子
1028 物質
1032 蛍光板
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
2001 単結晶シリコン基板
2002 熱酸化膜
2004 酸化シリコン層
2005 キャップ層
2010 試料
2013 バリア層
2020 試料
2030 試料
2040 試料
2050 試料
2110 試料
2120 試料
2130 試料
2140 試料
2150 試料
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
4000 RFタグ
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 セル
8007 バックライトユニット
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリー
102a 電極
102b 電極
103a 電極
103b 電極
104a 電極
104b 電極
108a 酸化物半導体層
108b 酸化物半導体層
108c 酸化物半導体層
118a 酸化物半導体層
118b 酸化物半導体層
383a Ec
383b Ec
383c Ec
431_1 トランジスタ
431_2 トランジスタ
433_1 容量素子
433_2 容量素子
660a 容量素子
660b 容量素子
661a トランジスタ
661b トランジスタ
662a トランジスタ
662b トランジスタ
663a インバータ
663b インバータ
Claims (5)
- 第1の電極と、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、第3の絶縁層と、酸化物半導体層と、を有し、
前記第1の絶縁層は、第1の電極の側面に隣接し、
前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層の上面を覆い、かつ、前記第1の電極の上面の少なくとも一部に接し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の電極の上方に設けられ、かつ前記第3の絶縁層を介して前記第1の電極と重畳し、
前記第2の絶縁層は、不純物元素が透過しにくい絶縁性材料を有し、
前記第1の電極の上面は、不純物元素が透過しにくい導電性材料を有することを特徴とする半導体装置。 - 第1の電極と、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、第3の絶縁層と、酸化物半導体層と、を有し、
前記第1の絶縁層は、第1の電極の側面に隣接し、
前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層の上面を覆い、かつ、前記第1の電極の上面の少なくとも一部に接し、
前記酸化物半導体層は、前記第1の電極の上方に設けられ、かつ前記第3の絶縁層を介して前記第1の電極と重畳し、
前記第2の絶縁層は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルのいずれか一を有し、
前記第1の電極の上面は、インジウム錫酸化物、または、シリコン、リン、ボロン、窒素および炭素の少なくとも一を含むインジウム錫酸化物、または、シリコン、リン、ボロン、窒素および炭素の少なくとも一を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物のいずれか一を有することを特徴とする半導体装置。 - 第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極上方の第2のゲート電極と、第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層上方の第2のゲート絶縁層と、酸化物半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1のゲート絶縁層および前記第2のゲート絶縁層の間に設けられ、
前記第1のゲート絶縁層と、前記酸化物半導体層と、前記第2のゲート絶縁層は、前記第1のゲート電極および前記第2のゲート電極の間に設けられ、
前記ソース電極と、前記ドレイン電極は、前記酸化物半導体層に接し、
前記第1の絶縁層は、前記第1のゲート電極の側面に隣接し、
前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層の上面を覆い、かつ、前記第1のゲート電極の上面の少なくとも一部に接し、
前記第2の絶縁層は、不純物元素が透過しにくい絶縁性材料であり、前記第1のゲート電極の上面は、不純物元素が透過しにくい導電性材料であることを特徴とする半導体装置。 - 第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極上方の第2のゲート電極と、第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層上方の第2のゲート絶縁層と、酸化物半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、前記第1のゲート絶縁層および前記第2のゲート絶縁層の間に設けられ、
前記第1のゲート絶縁層と、前記酸化物半導体層と、前記第2のゲート絶縁層は、前記第1のゲート電極および前記第2のゲート電極の間に設けられ、
前記ソース電極と、前記ドレイン電極は、前記酸化物半導体層に接し、
前記第1の絶縁層は、前記第1のゲート電極の側面に隣接し、
前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層の上面を覆い、かつ、前記第1のゲート電極の上面の少なくとも一部に接し、
前記第2の絶縁層は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルのいずれか一を有し、
前記第1の電極の上面は、インジウム錫酸化物、または、シリコン、リン、ボロン、窒素および炭素の少なくとも一を含むインジウム錫酸化物、または、シリコン、リン、ボロン、窒素および炭素の少なくとも一を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物のいずれか一を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、第1の酸化物半導体層と、第3の酸化物半導体層と、前記第1の酸化物半導体層および前記第3の酸化物半導体層の間の第2の酸化物半導体層と、の積層を有し、
前記第2の酸化物半導体層の電子親和力は、前記第1の酸化物半導体層の電子親和力および前記第3の酸化物半導体層の電子親和力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
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