JP6408644B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
CPUは、半導体ウェハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタ及び
メモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
ト配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
目されている。例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛(ZnO)を用いるトランジスタや
、InGaO3(ZnO)mを用いるトランジスタが挙げられる。これらの酸化物半導体
を用いたトランジスタを、透光性を有する基板上に形成し、画像表示装置のスイッチング
素子などに用いる技術が特許文献1、及び特許文献2で開示されている。
近い正のしきい値電圧(Vth)でチャネルが形成されることが望ましい。トランジスタ
のしきい値電圧の値がマイナスであると、ゲート電圧が0Vでもソース電極とドレイン電
極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオンとなりやすい。LSIやCPUやメモリにお
いては、回路を構成するトランジスタの電気特性が重要であり、この電気特性が半導体装
置の消費電力を左右する。特に、トランジスタの電気特性のうち、しきい値電圧が重要で
ある。電界効果移動度が高くとも、しきい値電圧の値がマイナスであると、回路として制
御することが困難である。負の電圧状態でもチャネルが形成されてドレイン電流が流れる
トランジスタは、半導体装置の集積回路に用いるトランジスタとしては不向きである。
成するためには、トランジスタの微細化は必須である。トランジスタを微細化する場合に
は、短チャネル効果の問題が生じる。短チャネル効果とは、トランジスタの微細化(チャ
ネル長の縮小)に伴って顕在化する電気特性の劣化である。短チャネル効果は、ドレイン
の電界の効果がソースにまで及ぶことに起因するものである。短チャネル効果の具体例と
しては、しきい値電圧の低下、S値の増大、漏れ電流の増大などがある。特に、酸化物半
導体を用いたトランジスタは、ドーピングによるしきい値電圧の制御を適用することが難
しいため、短チャネル効果が現れやすい傾向にある。
層と、が直接接するトランジスタ構造とすると、コンタクト抵抗が高くなり、オン電流が
抑制されてしまう恐れがある。コンタクト抵抗が高くなる原因は、ソース電極層およびド
レイン電極層と、酸化物半導体層との接触面でショットキー接合が形成されることが要因
の一つと考えられる。
、トランジスタの電気特性のしきい値電圧(Vth)をプラスにすることができ、所謂ノ
ーマリーオフを達成した半導体装置、及びその作製方法を提供することを目的の一とする
。また、開示する発明の一態様は、ソース領域、及びドレイン領域と、チャネル形成領域
との間のコンタクト抵抗を低くして良好なオーミックコンタクトがとれる半導体装置、及
びその作製方法を提供することを目的の一とする。
有するトランジスタにおいて、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一
部をエッチングによって部分的に薄くし、そのエッチングによってチャネル形成領域の膜
厚を調節する。また、酸化物半導体層の厚い領域に、リン(P)、またはホウ素(B)を
含むドーパントを導入し、ソース領域、及びドレイン領域を酸化物半導体層中に形成する
ことにより、ソース領域、及びドレイン領域と接続するチャネル形成領域とのコンタクト
抵抗を低くする。より詳細には以下の通りである。
絶縁層と、ゲート絶縁層上にゲート電極層と、酸化物半導体層の一部にソース領域、及び
ドレイン領域と、を有し、酸化物半導体層は、ゲート電極層と重なる領域の膜厚がソース
領域、及びドレイン領域が形成される領域の膜厚よりも薄いことを特徴とする半導体装置
である。
領域を含むことが好ましい。
つつ、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整することができる。したがって、ノー
マリーオフの半導体装置を実現することができる。
上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上にゲート電極層と、酸化物半導体層の一部にソース
領域、及びドレイン領域と、を有し、酸化物半導体層は、ゲート電極層と重なる領域の膜
厚がソース領域、及びドレイン領域が形成される領域の膜厚よりも薄く、酸化物半導体層
の薄い領域は、ゲート電極層と重なるチャネル形成領域と、チャネル形成領域と接し、且
つチャネル形成領域よりも抵抗が低い低抵抗領域と、を含み、低抵抗領域は、リンまたは
ホウ素を含むことを特徴とする半導体装置である。
ス領域及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、トラ
ンジスタの電気特性の一つであるオン特性(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。
上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上にゲート電極層と、酸化物半導体層の一部にソース
領域、及びドレイン領域と、を有し、酸化物半導体層は、ゲート電極層と重なる領域の膜
厚がソース領域、及びドレイン領域が形成される領域の膜厚よりも薄く、酸化物半導体層
の薄い領域は、ゲート電極層と重なるチャネル形成領域を含み、酸化物半導体層の薄い領
域の端部は、ゲート電極層の端部と等しいことを特徴とする半導体装置である。
向での位置である。また、酸化物半導体層の薄い領域の端部が、ゲート電極層の端部と等
しいとは、換言すると、チャネル形成領域において、ゲート電極層とソース領域、及びド
レイン領域との、端部が等しい構成である。このような構成とすることで、チャネル形成
領域に効率的に電界を与えることができ、好適である。
とが好ましい。また、当該金属層の端部は、酸化物半導体層の厚い領域の端部と等しい、
または、酸化物半導体層の厚い領域の端部よりも内側に形成されてもよい。
ドレイン領域の抵抗をさらに低くすることができる。また、金属層の端部を、酸化物半導
体層の厚い領域の端部よりも内側に形成した場合においては、金属層と、ゲート電極層と
の間の寄生容量を減らすことができる。
導体層上にマスクを形成し、マスクを用いて、選択的に酸化物半導体層をエッチングして
一部が薄い領域を形成し、酸化物半導体層を覆ってゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層
上に酸化物半導体層の薄い領域と重なるゲート電極層を形成することを特徴とする半導体
装置の作製方法である。
ることにより、例えば、酸化物半導体層を高温で熱処理等を行う場合、当該熱処理による
ゲート電極層へのダメージを軽減することができる。したがって、ゲート電極層に用いる
ことのできる材料への選択性が広がる。例えば、ゲート電極層として、アルミニウム等の
低融点金属も使用することができる。
導体層上にマスクを形成し、マスクを用いて、選択的に酸化物半導体層をエッチングして
一部が薄い領域を形成し、酸化物半導体層を覆ってゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層
上に酸化物半導体層の薄い領域と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクと
して、自己整合的にリンまたはホウ素をゲート絶縁層を通過して酸化物半導体層に導入し
、酸化物半導体層の一部に、ソース領域、及びドレイン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である。
ることで、酸化物半導体層の一部にチャネル形成領域よりも抵抗の低い、ソース領域、及
びドレイン領域を形成することができる。特に、酸化物半導体層の構成元素として、ガリ
ウムを含む場合においては、ホウ素を用いることが好ましい。ホウ素は、酸化物半導体層
を構成するガリウムと同族(13族元素)のため、酸化物半導体層中で安定に存在するこ
とができる。
成し、金属層上にマスクを形成し、マスクを用いて、金属層の一部を除去した後、金属層
をマスクとして、選択的に酸化物半導体層をエッチングして一部が薄い領域を形成し、金
属層、及び酸化物半導体層を覆ってゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導
体層の薄い領域と重なるゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして、自己整合
的にリンまたはホウ素をゲート絶縁層、及び金属層を通過して酸化物半導体層に導入し、
酸化物半導体層の一部に、ソース領域、及びドレイン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である。
ドレイン領域の抵抗をさらに低くすることができる。また、リン、またはホウ素をゲート
絶縁層、及び金属層を通過して酸化物半導体層に導入した後に、加熱処理などを行うこと
で、酸化物半導体層中に金属層が反応及び/または拡散し、ソース領域、及びドレイン領
域を、さらに低抵抗とすることができる。
物半導体層に酸素を導入することが好ましい。
ことにより、酸化物半導体層に酸素を供給することができる。なお、ゲート絶縁層を薄く
すると、ゲート絶縁層に含まれる酸素の含有量が少ないため、ゲート絶縁層から酸化物半
導体層への酸素の供給、及び拡散が不十分となる。したがって、ゲート絶縁層を形成した
後に、酸素を酸化物半導体層に導入するのが好適である。
Vth)をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフを達成した半導体装置、及びそ
の作製方法を提供することができる。
低くして良好なオーミックコンタクトがとれる半導体装置、及びその作製方法を提供する
ことができる。
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。
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このた
め、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図1(A)乃至図1(C)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層を有するトランジスタの
断面図を示す。
にトランジスタ160の断面図をそれぞれ示している。なお、トランジスタ140、トラ
ンジスタ150、及びトランジスタ160は、半導体層(本明細書においては、酸化物半
導体層)に対してのゲート電極層の位置と、半導体層に対してのソース領域、及びドレイ
ン領域の位置と、該ソース領域、及びドレイン領域と接する配線層の関係から、トップゲ
ートトップコンタクト型(所謂TGTC型)のトランジスタの構成である。以下に、各ト
ランジスタの構成について、説明を行う。
化物絶縁層104と、酸化物絶縁層104上に形成され、チャネル形成領域118、低抵
抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層1
06と、ソース領域114aに接して設けられた金属層108a、及びドレイン領域11
4bに接して設けられた金属層108bと、酸化物絶縁層104、酸化物半導体層106
、金属層108a、及び金属層108b上に形成されたゲート絶縁層110と、ゲート絶
縁層110上に形成されたゲート電極層112と、を有している。
域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の膜厚よりも薄い。(以下、便
宜的に酸化物半導体層106の薄い領域と、酸化物半導体層106の厚い領域と、する。
)また、酸化物半導体層106は、一対の低抵抗領域116と、一対の低抵抗領域116
に挟まれたチャネル形成領域118と、一対の低抵抗領域116と接して設けられたソー
ス領域114aと、ドレイン領域114bと、を有する。一対の低抵抗領域116は、酸
化物半導体層106の薄い領域に形成され、ソース領域114a、及びドレイン領域11
4bは、金属層108a、及び金属層108bと、各々接して酸化物半導体層106の厚
い領域に形成される。
る。例えば15〜30nmの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により5nm程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層106をチャネル形成領域118に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層106の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域118を形成し、厚い領域には、ソース領域114a、及びドレイン領
域114bを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層10
6の薄膜化に伴う、チャネル形成領域118と、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
及びドレイン領域114bは、チャネル形成領域118よりも低抵抗な領域であり、リン
(P)、またはホウ素(B)を含む領域である。例えば、ゲート電極層112形成後、リ
ン(P)、またはホウ素(B)を含むドーパントを酸化物半導体層106中に導入する不
純物導入処理を行うことで、自己整合的に形成することができる。なお、ドーパントとは
、酸化物半導体層の抵抗を低くする不純物である。
ドレイン領域114bの間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナ
スシフトを軽減することができる。
金属層108a、及び金属層108bと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層106中へ当該金属層108a、及び金属層108bを反応、及び/ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層108a、及び金属層108bを設けることにより、ソース領域114a、及びド
レイン領域114bをさらに低抵抗化させることができる。
された保護層120と、保護層120、ゲート絶縁層110、金属層108a、及び金属
層108bに設けられた開口部を介して、ソース領域114aと接する配線層122a、
及びドレイン領域114bと接する配線層122bと、を形成してもよい。トランジスタ
140上に保護層120、配線層122a、及び配線層122bを形成することにより、
トランジスタ140の集積化を行うことができるので好適である。また、保護層120を
設けることにより、トランジスタ140の凹凸の低減、またはトランジスタ140に侵入
する不純物(例えば、水など)を抑制できるため、好ましい。
て説明する。
化物絶縁層104と、酸化物絶縁層104上に形成され、チャネル形成領域118、ソー
ス領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層106と、ソース領域
114aに接して設けられた金属層108a、及びドレイン領域114bに接して設けら
れた金属層108bと、酸化物絶縁層104、酸化物半導体層106、金属層108a、
及び金属層108b上に形成されたゲート絶縁層110と、ゲート絶縁層110上に形成
されたゲート電極層112と、を有している。
域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層106の薄い領域の端部は、ゲート電極層112の端部と等しい。
bは、チャネル形成領域118よりも低抵抗な領域であり、例えば、リン(P)、または
ホウ素(B)を含む領域である。例えば、ゲート電極層112形成後、リン(P)、また
はホウ素(B)を含むドーパントを酸化物半導体層106中に導入する不純物導入処理を
行うことで、自己整合的に形成することができる。
る。例えば15〜30nmの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により5nm程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層106をチャネル形成領域118に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層106の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域118を形成し、厚い領域には、ソース領域114a、及びドレイン領
域114bを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層10
6の薄膜化に伴う、チャネル形成領域118と、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
金属層108a、及び金属層108bと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層106中へ当該金属層108a、及び金属層108bを反応、及び/ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層108a、及び金属層108bを設けることにより、ソース領域114a、及びド
レイン領域114bをさらに低抵抗化させることができる。
された保護層120と、保護層120、ゲート絶縁層110、金属層108a、及び金属
層108bに設けられた開口部を介して、ソース領域114aと接する配線層122a、
及びドレイン領域114bと接する配線層122bと、を形成してもよい。トランジスタ
150上に保護層120、配線層122a、及び配線層122bを形成することにより、
トランジスタ150の集積化を行うことができるので好適である。また、保護層120を
設けることにより、トランジスタ150の凹凸の低減、またはトランジスタ150に侵入
する不純物(例えば、水など)を抑制できるため、好ましい。
の異なる構成としては、酸化物半導体層106の薄い領域の形状、及び一対の低抵抗領域
116の有無である。すなわち、図1(A)に示すトランジスタ140においては、酸化
物半導体層106の薄い領域には、チャネル形成領域118と、一対の低抵抗領域116
と、を有しているが、図1(B)に示すトランジスタ150においては、酸化物半導体層
106の薄い領域には、チャネル形成領域118のみである。また、酸化物半導体層10
6の薄い領域の端部が、ゲート電極層112の端部と等しい。換言すると、チャネル形成
領域118において、ゲート電極層112とソース領域114a、及びドレイン領域11
4bとの、端部が等しい構成である。このような構成とすることで、チャネル形成領域1
18に効率的に電界を与えることができる。
0と異なる形態について、図1(C)を用いて説明する。
化物絶縁層104と、酸化物絶縁層104上に形成され、チャネル形成領域118、ソー
ス領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層106と、ソース領域
114aに接して設けられた金属層108a、及びドレイン領域114bに接して設けら
れた金属層108bと、酸化物絶縁層104、酸化物半導体層106、金属層108a、
及び金属層108b上に形成されたゲート絶縁層110と、ゲート絶縁層110上に形成
されたゲート電極層112と、を有している。
域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層106の薄い領域の端部は、ゲート電極層112の端部と等しい。また、金属
層108a、及び金属層108bは、酸化物半導体層106の厚い領域に形成されている
。また、金属層108aの端部、及び金属層108bの端部は、酸化物半導体層106の
厚い領域の端部よりも内側に形成されている。
bは、チャネル形成領域118よりも低抵抗な領域であり、例えば、リン(P)、または
ホウ素(B)を含む領域である。例えば、ゲート電極層112形成後、リン(P)、また
はホウ素(B)を含むドーパントを酸化物半導体層106中に導入する不純物導入処理を
行うことで、自己整合的に形成することができる。
る。例えば15〜30nmの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により5nm程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層106をチャネル形成領域118に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層106の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域118を形成し、厚い領域には、ソース領域114a、及びドレイン領
域114bを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層10
6の薄膜化に伴う、チャネル形成領域118と、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
金属層108a、及び金属層108bと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層106中へ当該金属層108a、及び金属層108bを反応、及び/ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層108a、及び金属層108bを設けることにより、ソース領域114a、及びド
レイン領域114bをさらに低抵抗化させることができる。
された保護層120と、保護層120、ゲート絶縁層110、金属層108a、及び金属
層108bに設けられた開口部を介して、ソース領域114aと接する配線層122a、
及びドレイン領域114bと接する配線層122bと、を形成してもよい。トランジスタ
160上に保護層120、配線層122a、及び配線層122bを形成することにより、
トランジスタ160の集積化を行うことができるので好適である。また、保護層120を
設けることにより、トランジスタ160の凹凸の低減、またはトランジスタ160に侵入
する不純物(例えば、水など)を抑制できるため、好ましい。
の異なる構成としては、酸化物半導体層106に対する金属層108aと、金属層108
bの形状である。トランジスタ160においては、金属層108aの端部、及び金属層1
08bの端部は、酸化物半導体層106の厚い領域の端部よりも内側に形成されている。
このような構成とすることで、ゲート絶縁層110の被覆性を改善することができるので
、効果的である。また、ゲート電極層112の形成位置にズレが生じた場合においても、
ゲート電極層112と、金属層108a、及び金属層108bと重なる可能性が低減され
るので、好適である。また、金属層108a、及び金属層108bと、ゲート電極層11
2との間の寄生容量を減らすことができる。
体層を用い、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一部をエッチングに
よって部分的に薄くし、そのエッチングによってチャネル形成領域の膜厚が調整された酸
化物半導体層を用いている構成が共通している。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜
厚を薄くすることで、短チャネル効果を抑制しつつ、しきい値電圧(Vth)をプラス方
向に調整することができる。したがって、ノーマリーオフの半導体装置を実現することが
できる。
リン(P)、またはホウ素(B)を含むドーパントを導入し、ソース領域、及びドレイン
領域を酸化物半導体層中に形成することにより、ソース領域、及びドレイン領域と接続す
るチャネル形成領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、オン電流
の高い半導体装置を実現することができる。
本実施の形態においては、実施の形態1の図1(A)に示したトランジスタ140の作
製方法について、図2、及び図3を用いて、詳細に説明を行う。なお、図1で示した符号
については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
導体膜、及び金属膜を形成する。次に金属膜上の所望の領域にレジストマスク124を形
成する(図2(A)参照)。
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、S
OI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102として用いてもよい。
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、窒化酸化シリコン、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。本実施の形態では酸化物絶縁層104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。
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、酸化物絶縁層1
04として、酸化シリコン膜を用いる場合には、SiO2+α(ただし、α>0)とする
。このような酸化物絶縁層104を用いることで、酸化物半導体膜に酸素を供給すること
ができ、酸化物半導体膜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。
ないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予
備加熱室で酸化物絶縁層104が形成された基板102を予備加熱し、基板102及び酸
化物絶縁層104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。
ことが好ましい。特にInと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。
(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。
酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−M
g系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金
属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Z
n系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn
系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−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−A
l−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。
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。
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
れた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2Sn
O5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。
Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)の原子比の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。
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、原子間結合距離、密
度等を適切なものとすることが好ましい。
がら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を下げることにより移動度を上
げることができる。
+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+
C=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2
+(c−C)2≦r2を満たすことをいい、rは、例えば、0.05とすればよい。他の
酸化物でも同様である。
結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルフ
ァスでもよい。
め、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較
的高い移動度を得ることができる。
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膜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膜を形成することが
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。
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
。
y1)),(x1,y2,f(x1,y2)),(x2,y1,f(x2,y1)),(
x2,y2,f(x2,y2))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面
に投影した長方形の面積をS0、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZ0とする。R
aは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて
測定可能である。
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(Chemical Mechanical Polishing:CM
P)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。
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R
F電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である
。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタ
リングを行うと、酸化物絶縁層104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。
よく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に
限定されず、酸化物絶縁層104表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
いることができる。結晶性酸化物半導体膜における結晶状態は、結晶軸の方向が無秩序な
状態でも、一定の配向性を有する状態であってもよい。
d Crystalline Oxide Semiconductor)膜であること
が好ましい。
膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、
当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また
、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Micr
oscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境
界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレインバウンダ
リーともいう)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移
動度の低下が抑制される。
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三
角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状また
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、
85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−
5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。
AC−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、C
AAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非
晶質化することもある。
トルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形
成面の断面形状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。
クトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、
または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
方法としては、3つ挙げられる。1つ目は、成膜温度を200℃以上500℃以下として
酸化物半導体膜の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法である。2つ目は、
膜厚を薄く成膜した後、200℃以上700℃以下の加熱処理を行い、表面に概略垂直に
c軸配向させる方法である。3つ目は、一層目の膜厚を薄く成膜した後、200℃以上7
00℃以下の加熱処理を行い、2層目の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方
法である。
m以下)とし、スパッタリング法、MBE(Molecular Beam Epita
xy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Dep
osition)法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜は、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(Columnar Plasma Sputtering system
)を用いて成膜してもよい。
0%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比に対し、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。
成比として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2[mol比]の金属酸化物タ
ーゲットを用い、In−Ga−Zn膜を成膜する。また、このターゲットの材料及び組成
に限定されず、例えば、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol比]の金
属酸化物ターゲットを用いてもよい。
上99.9%以下である。充填率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。
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。
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酸化物
絶縁層104上に酸化物半導体膜を成膜する。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(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む
化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物
の濃度を低減できる。
とが好ましい。酸化物絶縁層104と酸化物半導体膜とを大気に曝露せずに連続して形成
すると、酸化物絶縁層104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。
素化)するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、300℃以上700℃以
下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うこと
ができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に
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。
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 Ann
eal)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。
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。
物半導体層105形成後、金属層108a、及び金属層108bの形成後であれば、トラ
ンジスタ140の作製工程において、どのタイミングで行ってもよい。
に行うと、酸化物絶縁層104に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止す
ることができるため好ましい。
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。
一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法
)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下
、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。
酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または
、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好ましくは
7N以上(即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ま
しくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用
により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしま
った酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導
体膜を高純度化及び電気的にI型(真性)化することができる。
は、これらの元素を含む金属窒化膜(窒化タンタル、窒化タングステン、窒化アルミニウ
ム、窒化モリブデン)、または、これらの元素を含む金属酸化膜(酸化タンタル、酸化タ
ングステン、酸化アルミニウム、酸化モリブデン)等を用いることができる。また、これ
らの金属膜、金属窒化膜、及び金属酸化膜を組み合わせて積層させた構成としてもよい。
、好ましくは1nm以上50nm以下、更に好ましくは1nm以上30nm以下とすれば
良い。
はポジ型とネガ型があり、どちらを用いても良い。フォトレジストを用いて、スピンコー
タやスリットコータ等を用いて、0.5μm以上5μm以下の厚さに形成し、プリベーク
後、使用するフォトレジストが感光する波長の光で露光することで、形成することができ
る。また、レジストマスク124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ため好適である。
半導体膜の不要な領域を除去し、その後、レジストマスク124を除去する。レジストマ
スク124除去後、島状の酸化物半導体層105、及び島状の金属層107が形成される
(図2(B)参照)。
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、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
スク125を形成する(図2(C)参照)。
ることができる。
酸化物半導体層105の不要な領域を除去する。その後、レジストマスク125を除去す
る。金属層107は、当該エッチング処理にて分離され、金属層108a、及び金属層1
08bが形成される。また、酸化物半導体層105は、レジストマスク125、金属層1
08a、及び金属層108bをマスクとして、当該エッチング処理にて、膜厚の薄い領域
を有した酸化物半導体層106が形成される(図2(D)参照)。
層108a、及び金属層108bが接する厚い領域は、ソース領域及びドレイン領域とし
て機能する。酸化物半導体層106の薄い領域は、金属層108a、及び金属層108b
が接する厚い領域よりも、少なくとも薄く形成されればよく、好ましくは1nm以上10
nm以下、更に好ましくは1nm以上5nm以下とすれば良い。ただし、酸化物半導体層
106の薄い領域の膜厚は、この数値に限定されず、酸化物半導体の構成元素、成膜方法
、またはトランジスタのサイズ(L/Wサイズ、L/W比など)により、適宜膜厚を調整
することができる。
8b上にゲート絶縁層110を形成する(図3(A)参照)。
ることができる。例えば、プラズマCVD法を用い、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化
アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸
化シリコン等を形成することができる。
ことが好ましい。特に、ゲート絶縁層110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、ゲート絶縁層110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、ゲート絶縁層110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層110として用いることで、酸化物半導
体層106に酸素を供給することができる。
ムシリケート(HfSixOyx>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケ
ート(HfSiOxNy(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAlxO
y(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、ゲート絶縁層110は、単層構造としても良いし、積層
構造としても良い。
しくは、1nm以上30nm以下とすればよい。ゲート絶縁層110の膜厚を薄くするこ
とで、短チャネル効果を抑制することができる。本実施の形態においては、ゲート絶縁層
110として、プラズマCVD法を用い、15nmの酸化シリコン膜を用いる。
(図3(A)参照)。
原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を導入して酸化物半導体層106中に酸素を供給
する。処理方法としては、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。
酸化物半導体層106へ供給してもよいが、本実施の形態においては、ゲート絶縁層11
0の膜厚が15nmと薄く、ゲート絶縁層が厚い場合(例えば100nm以上)と比較し
ゲート絶縁層が含有している酸素量が少ない。よって、酸化物半導体層106への酸素供
給能力としては、不十分となる可能性がある。したがって、本実施の形態に示すように、
酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層106へ過剰な酸素を供給することができる
。また、ゲート絶縁層110を介して酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層106
へのダメージを低減させることができるので好適である。
高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりI型(真性)の酸化物半導体
層106、又はI型(真性)に限りなく近い酸化物半導体層106とすることができる。
そうすることにより、酸化物半導体層106のフェルミ準位(Ef)を真性フェルミ準位
(Ei)と同じレベルにまですることができる。よって、酸化物半導体層106をトラン
ジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧(Vth)のば
らつき、しきい値電圧(Vth)のシフト(ΔVth)を低減することができる。
極層112を形成する。ゲート電極層112は、ゲート絶縁層110上に金属膜を成膜し
、該金属膜を所望の形状にパターニング、及びエッチングを行うことで形成できる(図3
(B)参照)。
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、またはこれらを含む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112は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
を選択的に導入し、ソース領域114a、ドレイン領域114b、及び一対の低抵抗領域
116を形成する。なお、ドーパント128は、ゲート絶縁層110、金属層108a、
及び金属層108bを通過させることによって、注入される。
を薄膜とするため、ドーパント128は、ゲート絶縁層110、金属層108a、及び金
属層108bを通過し、酸化物半導体層106にもドーパント128が導入され、ソース
領域114a、ドレイン領域114b、一対の低抵抗領域116が形成される構造を例示
している。なお、一対の低抵抗領域116に挟まれた領域は、ゲート電極層112がマス
クとなり、ドーパント128が導入されず、チャネル形成領域118となる。このように
、ゲート電極層112をマスクとして、酸化物半導体層106にドーパント128を選択
的に注入することで、一対の低抵抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bは、自己整合的に形成される。なお、図3(C)において、一対の低抵抗領域1
16、ソース領域114a、及びドレイン領域114bは明確な界面が存在しないため、
全て同一のハッチングで示している。
ト128としては、リン(P)、砒素(As)、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(Z
n)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。特に、酸化物半導体層10
6の構成元素としてガリウム(Ga)を含む場合においては、ホウ素(B)を用いること
が好ましい。ホウ素(B)は、酸化物半導体層106を構成するガリウム(Ga)と同族
(13族元素)のため、酸化物半導体層106中で安定に存在することができる。
層108bを通過して、酸化物半導体層106に導入する。ドーパント128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128の単体のイオン
あるいは水素化物やフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ましい。
ゲート絶縁層110、金属層108a、及び金属層108bの膜厚を適宜設定して制御す
ればよい。例えば、ホウ素(B)を用いて、イオン注入法でホウ素(B)イオンの注入を
行う場合、加速電圧15kV、ドーズ量を1×1013ions/cm2以上5×101
6ions/cm2以下とすればよい。
ト128の濃度は、5×1018/cm3以上1×1022/cm3以下であることが好
ましい。また、ドーパント128を導入する際に、基板102を加熱しながら行ってもよ
い。
く、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
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。
り、酸化物半導体層106が一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント128
の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体層106の結晶性を回復すること
ができる。
08bが接した状態で加熱される。酸化物半導体層106と、金属層108a、及び金属
層108bが接した状態で加熱された場合、酸化物半導体層106中に金属層108a、
及び金属層108bが反応及び/または拡散し、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bを、さらに低抵抗とすることができる。
んで、ドーパントを含む一対の低抵抗領域116が形成される。また、酸化物半導体層1
06の厚い領域において、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを形成するこ
とができる。
16、ソース領域114a、及びドレイン領域114bは、ホウ素(B)が含まれる。
抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層1
06を有することにより、該トランジスタ140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。また、酸化物半導体層106は
、ゲート電極層112と重なる領域と、ソース領域114a、及びドレイン領域114b
が形成される領域と、で膜厚が異なる。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層10
6の膜厚は、ソース領域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の酸化物
半導体層106の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層106の薄い領域には、チャネ
ル形成領域118が形成される。チャネル形成領域118の酸化物半導体層106の膜厚
を薄くすることで、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整することができる。
の後、保護層120にソース領域114a、及びドレイン領域114bまで達する開口を
形成し、開口にソース領域114a、及びドレイン領域114bと各々電気的に接続する
配線層122a、及び配線層122bを形成する(図3(D)参照)。
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(l
ow−k材料)や、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、
酸化アルミニウム等の無機材料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。
化され、酸素欠損が補填された酸化物半導体層は、水素、水などの不純物が十分に除去さ
れており、酸化物半導体層中の水素濃度は5×1019/cm3以下、好ましくは5×1
018/cm3以下である。なお、酸化物半導体層中の水素濃度は、二次イオン質量分析
法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で
測定されるものである。
度は1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3未満、さらに好ましく
は1×1011/cm3未満である。
含む酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を
、チャネル幅1μm当たり室温にて100zA/μm(1zA(ゼプトアンペア)は1×
10−21A)以下、好ましくは10zA/μm以下、より好ましくは1zA/μm以下
、さらに好ましくは100yA/μm以下レベルにまで低くすることができる。
領域を挟んで一対の低抵抗領域と、ソース領域、及びドレイン領域と、を含む酸化物半導
体層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。また、酸化物半導体層は、ゲート電極
層と重なる領域と、ソース領域、及びドレイン領域が形成される領域と、で膜厚が異なる
。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層の膜厚は、ソース領域、及びドレイン領域
が形成される領域の酸化物半導体層の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層の薄い領域
には、チャネル形成領域が形成される。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄く
することで、短チャネル効果を抑制しつつ、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整
することができる。したがって、ノーマリーオフの半導体装置を実現することができる。
ることで、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる。また、ソース領域
、及びドレイン領域は、酸化物半導体層中に直接形成され、且つ低抵抗領域を介してチャ
ネル形成領域と接している。このような構成とすることで、チャネル形成領域とソース領
域、及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
本実施の形態では、先の実施の形態1の図1に示したトランジスタ140、トランジス
タ150、及びトランジスタ160と異なる形態について図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層を有するトランジスタの断面図を示
す。なお、図1で示した符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略
する。
れぞれ示している。なお、トランジスタ170、及びトランジスタ180は、半導体層(
本明細書においては、酸化物半導体層)に対してのゲート電極層の位置と、半導体層に対
してのソース領域、及びドレイン領域の位置と、該ソース領域、及びドレイン領域と接す
る配線層の関係から、トップゲートトップコンタクト型(所謂TGTC型)のトランジス
タの構成である。以下に、各トランジスタの構成について、説明を行う。
化物絶縁層104と、酸化物絶縁層104上に形成され、チャネル形成領域118、低抵
抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層1
06と、酸化物絶縁層104、及び酸化物半導体層106上に形成されたゲート絶縁層1
10と、ゲート絶縁層110上に形成されたゲート電極層112と、を有している。
域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層106は、一対の低抵抗領域116と、一対の低抵抗領域116に挟まれたチ
ャネル形成領域118と、一対の低抵抗領域116と接して設けられたソース領域114
aと、ドレイン領域114bと、を有する。一対の低抵抗領域116は、酸化物半導体層
106の薄い領域に形成され、ソース領域114a、及びドレイン領域114bは、酸化
物半導体層106の厚い領域に形成される。
る。例えば15〜30nmの酸化物半導体層を形成後、エッチング処理により5nm程度
とすれば良い。このような厚さの酸化物半導体層106をチャネル形成領域118に用い
ることで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。ま
た、酸化物半導体層106の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、
チャネル形成領域118を形成し、厚い領域には、ソース領域114a、及びドレイン領
域114bを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層10
6の薄膜化に伴う、チャネル形成領域118と、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
及びドレイン領域114bは、チャネル形成領域118よりも低抵抗な領域であり、例え
ば、リン(P)、またはホウ素(B)を含む領域である。例えば、ゲート電極層112形
成後、リン(P)、またはホウ素(B)を含むドーパントを酸化物半導体層106中に導
入する不純物導入処理を行うことで、自己整合的に形成することができる。
ドレイン領域114bの間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナ
スシフトを軽減することができる。
された保護層120と、保護層120、及びゲート絶縁層110に設けられた開口部を介
して、ソース領域114aと接する配線層122a、及びドレイン領域114bと接する
配線層122bと、を形成してもよい。トランジスタ170上に保護層120、配線層1
22a、及び配線層122bを形成することにより、トランジスタ170の集積化を行う
ことができるので好適である。また、保護層120を設けることにより、トランジスタ1
70の凹凸の低減、またはトランジスタ170に侵入する不純物(例えば、水など)を抑
制できるため、好ましい。
の違いは、ソース領域114a、及びドレイン領域114b上の金属層108a、及び金
属層108bの有無である。本実施の形態に示すトランジスタ170のように、金属層1
08a、及び金属層108bを設けない構成としてもよい。
化物絶縁層104と、酸化物絶縁層104上に形成され、チャネル形成領域118、低抵
抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層1
06と、ソース領域114aに接して設けられた金属層108a、及びドレイン領域11
4bに接して設けられた金属層108bと、酸化物絶縁層104、酸化物半導体層106
、金属層108a、及び金属層108b上に形成されたゲート絶縁層110と、ゲート絶
縁層110上に形成されたゲート電極層112と、を有している。
域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の膜厚よりも薄い。また、酸化
物半導体層106は、一対の低抵抗領域116と、一対の低抵抗領域116に挟まれたチ
ャネル形成領域118と、一対の低抵抗領域116と接して設けられたソース領域114
aと、ドレイン領域114bと、を有する。一対の低抵抗領域116は、酸化物半導体層
106の薄い領域に形成され、ソース領域114a、及びドレイン領域114bは、金属
層108a、及び金属層108bと、各々接して酸化物半導体層106の厚い領域に形成
される。
る。例えば15〜30nmの酸化物半導体を形成後、エッチング処理により5nm程度と
すれば良い。このような厚さの酸化物半導体層106をチャネル形成領域118に用いる
ことで、微細化に伴うトランジスタの短チャネル効果が低減されるため、好ましい。また
、酸化物半導体層106の薄い領域を、エッチング処理により形成し、薄い領域には、チ
ャネル形成領域118を形成し、厚い領域には、ソース領域114a、及びドレイン領域
114bを形成することができる。このような構成とすることで、酸化物半導体層106
の薄膜化に伴う、チャネル形成領域118と、ソース領域114a、及びドレイン領域1
14bとのコンタクト抵抗を低くすることができる。
及びドレイン領域114bは、チャネル形成領域118よりも低抵抗な領域であり、例え
ば、リン(P)、またはホウ素(B)を含む領域である。例えば、ゲート電極層112形
成後、リン(P)、またはホウ素(B)を含むドーパントを酸化物半導体層106中に導
入する不純物導入処理を行うことで、自己整合的に形成することができる。
ドレイン領域114bの間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナ
スシフトを軽減することができる。
金属層108a、及び金属層108bと、が接した状態で加熱処理などを行うことにより
、酸化物半導体層106中へ当該金属層108a、及び金属層108bを反応、及び/ま
たは拡散させることにより、形成することができる。上記、不純物導入処理と合わせて、
金属層108a、及び金属層108bを設けることにより、ソース領域114a、及びド
レイン領域114bをさらに低抵抗化させることができる。
された保護層120と、保護層120、及びゲート絶縁層110に設けられた開口部を介
して、金属層108aと接する配線層122a、及び金属層108bと接する配線層12
2bと、を形成してもよい。なお、配線層122aは、金属層108aを介してソース領
域114aと電気的に接続され、配線層122bは、金属層108bを介してドレイン領
域114bと電気的に接続される。
ることにより、トランジスタ180の集積化を行うことができるので好適である。また、
保護層120を設けることにより、トランジスタ180の凹凸の低減、またはトランジス
タ180に侵入する不純物(例えば、水など)を抑制できるため、好ましい。
との異なる点として、配線層122a、及び配線層122bが接する領域が異なる。トラ
ンジスタ140においては、ソース領域114a、及びドレイン領域114bと直接接し
、トランジスタ180においては、金属層108a、及び金属層108bを介してソース
領域114a、及びドレイン領域114bと接続されている。このように、配線層122
a、及び配線層122bは、ソース領域114a、及びドレイン領域114bと電気的に
接続されればよい。
導体層を用い、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一部をエッチング
によって部分的に薄くし、そのエッチングによってチャネル形成領域の膜厚が調整された
酸化物半導体層を用いている点が共通している。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜
厚を薄くすることで、短チャネル効果を抑制しつつ、しきい値電圧(Vth)をプラス方
向に調整することができる。したがって、ノーマリーオフの半導体装置を実現することが
できる。
、リン(P)、またはホウ素(B)を含むドーパントを導入し、ソース領域、及びドレイ
ン領域を酸化物半導体層中に形成することにより、ソース領域、及びドレイン領域と接続
するチャネル形成領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、オン電
流の高い半導体装置を実現することができる。
本実施の形態においては、実施の形態3の図4(A)に示したトランジスタ170の作
製方法について、図5、及び図6を用いて、詳細に説明を行う。なお、図4(A)で示し
た符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
導体膜を形成する。次に酸化物半導体膜の所望の領域にレジストマスク124を形成する
(図5(A)参照)。
ては、先の実施の形態2に示した材料、及び方法等と同様であり、これらの記載を参酌で
きる。
要な領域を除去し、その後、レジストマスク124を除去する。レジストマスク124除
去後、島状の酸化物半導体層105が形成される(図5(B)参照)。
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、I
TO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
成する(図5(C)参照)。
これらの記載を参酌できる。
5の不要な領域を除去する。当該エッチング処理にて、膜厚の薄い領域を有した酸化物半
導体層106が形成される(図5(D)参照)。
物半導体層106の厚い領域は、ソース領域及びドレイン領域として機能する。酸化物半
導体層106の薄い領域は、厚い領域よりも、少なくとも薄く形成されればよく、好まし
くは1nm以上10nm以下、更に好ましくは3nm以上5nm以下とすれば良い。ただ
し、酸化物半導体層106の薄い領域の膜厚は、この数値に限定されず、酸化物半導体の
構成元素、成膜方法、またはトランジスタのサイズ(L/Wサイズ、L/W比など)によ
り、適宜膜厚を調整することができる。
しくは、1nm以上30nm以下とすればよい。ゲート絶縁層110の膜厚を薄くするこ
とで、短チャネル効果を抑制することができる。本実施の形態においては、ゲート絶縁層
110として、プラズマCVD法を用い、15nmの酸化シリコン膜を用いる。
(図6(A)参照)。
原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を導入して酸化物半導体層106中に酸素を供給
する。処理方法としては、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。
酸化物半導体層106へ供給してもよいが、本実施の形態においては、ゲート絶縁層11
0の膜厚が15nmと薄く、ゲート絶縁層が厚い場合(例えば100nm以上)と比較し
ゲート絶縁層が含有している酸素量が少ない。よって、酸化物半導体層106への酸素供
給能力としては、不十分となる可能性がある。したがって、本実施の形態に示すように、
酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層106へ過剰な酸素を供給することができる
。また、ゲート絶縁層110を介して酸素導入処理を行うことで、酸化物半導体層106
へのダメージを低減させることができるので好適である。
高純度化し、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりI型(真性)の酸化物半導体
層106、又はI型(真性)に限りなく近い酸化物半導体層106とすることができる。
そうすることにより、酸化物半導体層106のフェルミ準位(Ef)を真性フェルミ準位
(Ei)と同じレベルにまですることができる。よって、酸化物半導体層106をトラン
ジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧(Vth)のば
らつき、しきい値電圧(Vth)のシフト(ΔVth)を低減することができる。
極層112を形成する。ゲート電極層112は、ゲート絶縁層110上に金属膜を成膜し
、該金属膜を所望の形状にパターニング、及びエッチングを行うことで形成できる(図6
(B)参照)。
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、またはこれらを含む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112は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
を選択的に導入し、ソース領域114a、ドレイン領域114b、及び一対の低抵抗領域
116を形成する。なお、ドーパント128は、ゲート絶縁層110を通過して行う。
、ゲート絶縁層110を通過し、酸化物半導体層106にドーパント128が導入され、
ソース領域114a、ドレイン領域114b、一対の低抵抗領域116が形成される構造
を例示している。なお、一対の低抵抗領域116に挟まれた領域は、ゲート電極層112
がマスクとなり、ドーパント128が導入されず、チャネル形成領域118となる。この
ように、ゲート電極層112をマスクとして、酸化物半導体層106にドーパント128
を選択的に行うことで、低抵抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域11
4bは、自己整合的に形成される。なお、図6(C)において、一対の低抵抗領域116
、ソース領域114a、及びドレイン領域114bは明確な界面が存在しないため、全て
同一のハッチングで示している。
ト128としては、リン(P)、砒素(As)、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(Z
n)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。特に、酸化物半導体層10
6の構成元素としてガリウム(Ga)を含む場合においては、ホウ素(B)を用いること
が好ましい。ホウ素(B)は、酸化物半導体層106を構成するガリウム(Ga)と同族
(13族元素)のため、酸化物半導体層106中で安定に存在することができる。
106に導入する。ドーパント128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128の単体のイオンあるいは水素化物やフッ化物、塩化物の
イオンを用いると好ましい。
ゲート絶縁層110の膜厚を適宜設定して制御すればよい。例えば、ホウ素(B)を用い
て、イオン注入法でホウ素(B)イオンの注入を行う場合、加速電圧15kV、ドーズ量
を1×1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよい。
ト128の濃度は、5×1018/cm3以上1×1022/cm3以下であることが好
ましい。また、ドーパント128を導入する際に、基板102を加熱しながら行ってもよ
い。
く、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
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。
り、酸化物半導体層106が一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント128
の導入後に加熱処理を行うことによって、酸化物半導体層106の結晶性を回復すること
ができる。
んで、ドーパントを含む一対の低抵抗領域116が形成される。また、酸化物半導体層1
06の厚い領域において、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを形成するこ
とができる。
16、ソース領域114a、及びドレイン領域114bは、ホウ素(B)が含まれる。
抗領域116、ソース領域114a、及びドレイン領域114bを含む酸化物半導体層1
06を有することにより、該トランジスタ170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。また、酸化物半導体層106は
、ゲート電極層112と重なる領域と、ソース領域114a、及びドレイン領域114b
が形成される領域と、で膜厚が異なる。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層10
6の膜厚は、ソース領域114a、及びドレイン領域114bが形成される領域の酸化物
半導体層106の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層106の薄い領域には、チャネ
ル形成領域118が形成される。チャネル形成領域118の酸化物半導体層の膜厚を薄く
することで、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整することができる。
の後、保護層120にソース領域114a、及びドレイン領域114bまで達する開口を
形成し、開口にソース領域114a、及びドレイン領域114bと各々電気的に接続する
配線層122a、及び配線層122bを形成する(図6(D)参照)。
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(l
ow−k材料)や、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、
酸化アルミニウム等の無機材料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。
化され、酸素欠損が補填された酸化物半導体層は、水素、水などの不純物が十分に除去さ
れており、酸化物半導体層中の水素濃度は5×1019/cm3以下、好ましくは5×1
018/cm3以下である。なお、酸化物半導体層中の水素濃度は、二次イオン質量分析
法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で
測定されるものである。
度は1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3未満、さらに好ましく
は1×1011/cm3未満である。
含む酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を
、チャネル幅1μm当たり室温にて100zA/μm(1zA(ゼプトアンペア)は1×
10−21A)以下、好ましくは10zA/μm以下、より好ましくは1zA/μm以下
、さらに好ましくは100yA/μm以下レベルにまで低くすることができる。
領域を挟んで一対の低抵抗領域と、ソース領域、及びドレイン領域と、を含む酸化物半導
体層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。また、酸化物半導体層は、ゲート電極
層と重なる領域と、ソース領域、及びドレイン領域が形成される領域と、で膜厚が異なる
。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層の膜厚は、ソース領域、及びドレイン領域
が形成される領域の酸化物半導体層の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層の薄い領域
には、チャネル形成領域が形成される。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄く
することで、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整することができる。したがって
、ノーマリーオフの半導体装置を実現することができる。
ることで、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる。また、ソース領域
、及びドレイン領域は、酸化物半導体層中に直接形成され、且つ低抵抗領域を介してチャ
ネル形成領域と接している。このような構成とすることで、チャネル形成領域とソース領
域、及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで一例を示したトランジスタは、複数のトラ
ンジスタを積層する集積回路を有する半導体装置に好適に用いることができる。本実施の
形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体(メモリ素子)の例を図7を用いて説明す
る。
スタ540と絶縁層を介してトランジスタ540の上方に酸化物半導体層を用いて作製さ
れた第2のトランジスタであるトランジスタ562を含む半導体装置を作製する。実施の
形態1乃至実施の形態4のいずれかで一例を示したトランジスタは、トランジスタ562
に好適に用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ562として実施の形態
1で示したトランジスタ140と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
もよいし異なっていてもよい。本実施の形態では、記憶媒体(メモリ素子)の回路に好適
な材料及び構造のトランジスタをそれぞれ用いる例である。
(B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図7(A)は、図7(B)の
C1−C2およびD1−D2における断面に相当する。また、図7(C)には、上記半導
体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図7(A)、及び図7(B
)に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ540を有し
、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ562を有する。本実施の形態では、第
1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第2の半導体材料を酸化物半導体
とする。酸化物半導体以外の半導体材料としては、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
半導体を用いるのが好ましい。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、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。
られたチャネル形成領域516と、チャネル形成領域516を挟むように設けられた不純
物領域520と、不純物領域520に接する金属化合物領域524と、チャネル形成領域
516上に設けられたゲート絶縁層508と、ゲート絶縁層508上に設けられたゲート
電極層510とを有する。
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
することができる。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体膜が設
けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料
からなる半導体膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「SOI基板」が有する半導
体膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶
縁基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠
陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による成
長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体膜
を形成する方法等を用いることができる。
の面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、又は素子基板
上のどちらか一方に絶縁膜を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁膜を挟んで
重ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離す
る熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体膜として単結晶半導体膜を素子基板上に形
成する。上記方法を用いて作製されたSOI基板も好適に用いることができる。
いる。なお、高集積化を実現するためには、図7に示すようにトランジスタ540がサイ
ドウォールとなる側壁絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジス
タ540の特性を重視する場合には、ゲート電極層510の側面にサイドウォールとなる
側壁絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域520を設けてもよい。
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540を覆うように絶縁膜を2層形成する。トラン
ジスタ562および容量素子564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528、絶縁層530を形成し、同時にゲート電極層510の
上面を露出させる。
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528、絶縁層530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。
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528、絶縁層530を形成してもよい。
化シリコン膜を形成し、絶縁層530としてスパッタリング法により膜厚550nmの酸
化シリコン膜を形成する。
態では、半導体膜としてIn−Ga−Zn−O系の金属酸化物ターゲットを用いてスパッ
タリング法により酸化物半導体膜を形成する。
ッチングして、少なくともチャネル形成領域となる、酸化物半導体層の一部をエッチング
によって部分的に薄くした島状の酸化物半導体層544、金属層542a、金属層542
b、接続電極層543を形成する。
接続電極層543上にゲート絶縁層546を成膜し、ゲート絶縁層546上にゲート電極
層548を形成する。ゲート電極層548は、導電膜を形成した後に、当該導電膜を選択
的にエッチングすることによって形成することができる。
電膜を形成した後、当該導電膜を選択的にエッチングすることによって形成することがで
きる。なお、容量配線層549は、ゲート電極層548と同一の工程で形成してもよい。
シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒
化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又は
酸化ガリウム、酸化アルミニウム等を形成することができる。
層542b、及び接続電極層543に用いることのできる導電膜は、スパッタリング法を
はじめとするPVD法や、プラズマCVD法などのCVD法を用いて形成することができ
る。また、導電膜の材料としては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれ
た元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Mn、Mg、Zr、
Be、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。
タン膜や窒化チタン膜の単層構造、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニ
ウム膜上にチタン膜が積層された2層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された2層
構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された3層構造などが挙げられる。
、及び金属層542bを通過して、酸化物半導体層544にドーパント(本実施の形態で
はホウ素)を導入する不純物導入処理を行い、その後加熱処理を行う。以上の工程により
、酸化物半導体層544に、チャネル形成領域570、一対の低抵抗領域572、ソース
領域574、及びドレイン領域576が自己整合的に形成される。なお、チャネル形成領
域570、及び一対の低抵抗領域572は、ソース領域574、及びドレイン領域576
が形成される領域よりも、薄い領域に形成される。
、及び金属層542bが接した状態で加熱される。酸化物半導体層544と、金属層54
2a、及び金属層542bが接した状態で加熱された場合、酸化物半導体層544中に金
属層542a、及び金属層542bが反応及び/または拡散し、ソース領域574、及び
ドレイン領域576を、さらに低抵抗とすることができる。
域574、及びドレイン領域576を含む酸化物半導体層544を有することにより、該
トランジスタ562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。また、酸化物半導体層544は、ゲート電極層548と重な
る領域と、ソース領域574、及びドレイン領域576が形成される領域と、で膜厚が異
なる。ゲート電極層の重なる領域の酸化物半導体層544の膜厚は、ソース領域574、
及びドレイン領域576が形成される領域の酸化物半導体層544の膜厚よりも薄い。ま
た、酸化物半導体層544の薄い領域には、チャネル形成領域570が形成される。チャ
ネル形成領域570の酸化物半導体層の膜厚を薄くすることで、しきい値電圧(Vth)
をプラス方向に調整することができる。
うな構成とすることで、チャネル形成領域570に加わる電界を緩和させることができる
。また、ソース領域574、及びドレイン領域576は、酸化物半導体層544中に直接
形成され、且つ低抵抗領域572を介してチャネル形成領域570と接している。このよ
うな構成とすることで、チャネル形成領域570とソース領域574、及びドレイン領域
576とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
リング法やCVD法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、酸化窒化
シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材
料を用いて形成することができる。
ソース領域574、及びドレイン領域576にまで達する開口を形成する。また、同時に
保護層552、及びゲート絶縁層546に、接続電極層543まで達する開口を形成する
。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチングにより行われる。
びドレイン領域576と接する配線層580bを形成する。なお、配線層580aにより
、トランジスタ540のゲート電極層510と、トランジスタ562のソース領域574
が電気的に接続される。
、プラズマCVD法などのCVD法を用いて導電膜を形成した後、当該導電膜をエッチン
グ加工することによって形成される。また、導電膜の材料としては、Al、Cr、Cu、
Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素や、上述した元素を含む合金等を用いることがで
きる。Mn、Mg、Zr、Be、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み合わせ
た材料を用いてもよい。
成する。絶縁層582は、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。
する。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチングにより行われる。
する。なお、図7には配線層580a、及ぶ配線層580bと配線層584との接続箇所
は図示していない。
り形成することができる。
は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む酸化物半導体層544を有するト
ランジスタである。よって、トランジスタ562は、電気的特性変動が抑制されており、
電気的に安定である。また、酸化物半導体層544は、エッチングによりチャネル形成領
域570が、ソース領域574、及びドレイン領域576が形成される領域よりも薄い領
域に形成されている。そのため、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整することが
できる。
49により、構成される。また、容量が不要の場合においては、容量素子564を設けな
い構成とすることも可能である。
。図7(C)において、トランジスタ562のソース電極またはドレイン電極の一方と、
容量素子564の電極の一方と、トランジスタ540のゲート電極と、は電気的に接続さ
れている。また、第1の配線(1st Line:ソース線とも呼ぶ)とトランジスタ5
40のソース電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line:ビット線と
も呼ぶ)とトランジスタ540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:第1の信号線とも呼ぶ)とトランジスタ562のソース電
極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line:
第2の信号線とも呼ぶ)と、トランジスタ562のゲート電極とは、電気的に接続されて
いる。そして、第5の配線(5th Line:ワード線とも呼ぶ)と、容量素子564
の電極の他方は電気的に接続されている。
しているため、トランジスタ562をオフ状態とすることで、トランジスタ562のソー
ス電極またはドレイン電極の一方と、容量素子564の電極の一方と、トランジスタ54
0のゲート電極とが電気的に接続されたノード(以下、ノードFG)の電位を極めて長時
間にわたって保持することが可能である。そして、容量素子564を有することにより、
ノードFGに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容
易になる。
ンジスタ562がオン状態となる電位にして、トランジスタ562をオン状態とする。こ
れにより、第3の配線の電位が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄
積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下、ロー(Low)レベ
ル電荷、ハイ(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562がオフ状態となる電位にして、トランジス
タ562をオフ状態とすることにより、ノードFGが浮遊状態となるため、ノードFGに
は所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードFGに所定量の電荷
を蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
時間にわたって保持される。したがって、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り、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。
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、ノードFGに保持
された電荷量に応じて、トランジスタ540は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ
540をnチャネル型とすると、ノードFGにHighレベル電荷が保持されている場合
のトランジスタ540の見かけのしきい値Vth_Hは、ノードFGにLowレベル電荷
が保持されている場合のトランジスタ540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、見かけのしきい値とは、トランジスタ540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Vt
h_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードFGに保持された電荷を判
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V0(>Vth_H)となれば、トランジスタ540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V0(<Vt
h_L)となっても、トランジスタ540は「オフ状態」のままである。このため、第5
の配線の電位を制御して、トランジスタ540のオン状態またはオフ状態を読み出す(第
2の配線の電位を読み出す)ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
電荷を保持したノードFGに、新たな電位を供給することで、ノードFGに新たな情報に
係る電荷を保持させる。具体的には、第4の配線の電位を、トランジスタ562がオン状
態となる電位にして、トランジスタ562をオン状態とする。これにより、第3の配線の
電位(新たな情報に係る電位)が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が
蓄積される。その後、第4の配線の電位をトランジスタ562がオフ状態となる電位にし
て、トランジスタ562をオフ状態とすることにより、ノードFGには、新たな情報に係
る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードFGに第1の書き込みによって所定量
の電荷が保持された状態で、第1の書き込みと同様の動作(第2の書き込み)を行うこと
で、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
を過剰に含む酸化物半導体膜を酸化物半導体層544に用いることで、トランジスタ56
2のオフ電流を十分に低減することができる。そして、このようなトランジスタを用いる
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な半導体装置が得られる。
を挟んで一対の低抵抗領域と、ソース領域、及びドレイン領域と、を含む酸化物半導体層
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。また、酸化物半導体層は、ゲート電極層と
重なる領域と、ソース領域、及びドレイン領域が形成される領域と、で膜厚が異なる。ゲ
ート電極層の重なる領域の酸化物半導体層の膜厚は、ソース領域、及びドレイン領域が形
成される領域の酸化物半導体層の膜厚よりも薄い。また、酸化物半導体層の薄い領域には
、チャネル形成領域が形成される。チャネル形成領域の酸化物半導体層の膜厚を薄くする
ことで、しきい値電圧(Vth)をプラス方向に調整することができる。したがって、ノ
ーマリーオフの半導体装置を実現することができる。
ることで、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる。また、ソース領域
、及びドレイン領域は、酸化物半導体層中に直接形成され、且つ低抵抗領域を介してチャ
ネル形成領域と接している。このような構成とすることで、チャネル形成領域とソース領
域、及びドレイン領域とのコンタクト抵抗を低くすることができる。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともい
う)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機な
どが挙げられる。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について
説明する。
2、表示部3003、キーボード3004などによって構成されている。実施の形態1乃
至5のいずれかで示した半導体装置を表示部3003に適用することにより、高性能及び
高信頼性なノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
外部インターフェイス3025と、操作ボタン3024等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス3022がある。実施の形態1乃至実施の形態5のいずれかで
示した半導体装置を表示部3023に適用することにより、より高性能及び高信頼性な携
帯情報端末(PDA)とすることができる。
で構成されている。筐体2701および筐体2703は、軸部2711により一体とされ
ており、該軸部2711を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により
、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
み込まれている。表示部2705および表示部2707は、続き画面を表示する構成とし
てもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とする
ことで、例えば右側の表示部(図8(C)では表示部2705)に文章を表示し、左側の
表示部(図8(C)では表示部2707)に画像を表示することができる。実施の形態1
乃至実施の形態5のいずれかで示した半導体装置を表示部2705、表示部2707に適
用することにより、高性能及び高信頼性な電子書籍とすることができる。表示部2705
として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用
も予想されるため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、及びバッテリーでの充電を行
えるようにしてもよい。なおバッテリーとしては、リチウムイオン電池を用いると、小型
化を図れる等の利点がある。
筐体2701において、電源2721、操作キー2723、スピーカー2725などを備
えている。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部など
を備える構成としてもよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機能を持た
せた構成としてもよい。
線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成
とすることも可能である。
れている。筐体2801には、表示パネル2802、スピーカー2803、マイクロフォ
ン2804、ポインティングデバイス2806、カメラ用レンズ2807、外部接続端子
2808などを備えている。また、筐体2800には、携帯電話の充電を行う太陽電池セ
ル2810、外部メモリスロット2811などを備えている。また、アンテナは筐体28
01内部に内蔵されている。実施の形態1乃至実施の形態5のいずれかで示した半導体装
置を表示パネル2802に適用することにより、高性能及び高信頼性な携帯電話とするこ
とができる。
ている複数の操作キー2805を点線で示している。なお、太陽電池セル2810で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
ル2802と同一面上にカメラ用レンズ2807を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカー2803及びマイクロフォン2804は音声通話に限らず、テレビ電話
、録音、再生などが可能である。さらに、筐体2800と筐体2801は、スライドし、
図8(D)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外
部メモリスロット2811に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応で
きる。
もよい。
接眼部3053、操作スイッチ3054、表示部(B)3055、バッテリー3056な
どによって構成されている。実施の形態1乃至実施の形態5のいずれかで示した半導体装
置を表示部(A)3057、表示部(B)3055に適用することにより、高性能及び高
信頼性なデジタルビデオカメラとすることができる。
が組み込まれている。表示部9603により、映像を表示することが可能である。また、
ここでは、スタンド9605により筐体9601を支持した構成を示している。実施の形
態1乃至実施の形態5のいずれかで示した半導体装置を表示部9603に適用することに
より、高性能及び高信頼性なテレビジョン装置とすることができる。
別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン
操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線ま
たは無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)ま
たは双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可
能である。
104 酸化物絶縁層
105 酸化物半導体層
106 酸化物半導体層
107 金属層
108a 金属層
108b 金属層
110 ゲート絶縁層
112 ゲート電極層
114a ソース領域
114b ドレイン領域
116 低抵抗領域
118 チャネル形成領域
120 保護層
122a 配線層
122b 配線層
124 レジストマスク
125 レジストマスク
126 酸素
128 ドーパント
140 トランジスタ
150 トランジスタ
160 トランジスタ
170 トランジスタ
180 トランジスタ
506 素子分離絶縁層
508 ゲート絶縁層
510 ゲート電極層
516 チャネル形成領域
520 不純物領域
524 金属化合物領域
528 絶縁層
530 絶縁層
540 トランジスタ
542a 金属層
542b 金属層
543 接続電極層
544 酸化物半導体層
546 ゲート絶縁層
548 ゲート電極層
549 容量配線層
552 保護層
562 トランジスタ
564 容量素子
570 チャネル形成領域
572 低抵抗領域
574 ソース領域
576 ドレイン領域
580a 配線層
580b 配線層
582 絶縁層
584 配線層
585 基板
2700 電子書籍
2701 筐体
2703 筐体
2705 表示部
2707 表示部
2711 軸部
2721 電源
2723 操作キー
2725 スピーカー
2800 筐体
2801 筐体
2802 表示パネル
2803 スピーカー
2804 マイクロフォン
2805 操作キー
2806 ポインティングデバイス
2807 カメラ用レンズ
2808 外部接続端子
2810 太陽電池セル
2811 外部メモリスロット
3001 本体
3002 筐体
3003 表示部
3004 キーボード
3021 本体
3022 スタイラス
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部インターフェイス
3051 本体
3053 接眼部
3054 操作スイッチ
3055 表示部(B)
3056 バッテリー
3057 表示部(A)
9601 筐体
9603 表示部
9605 スタンド
Claims (1)
- 酸化物絶縁表面上に酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上にソース電極層、ドレイン電極層及びゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、チャネル形成領域、ソース領域及びドレイン領域を有し、
前記ソース電極層は、前記ソース領域上面に接し、
前記ドレイン電極層は、前記ドレイン領域上面に接し、
前記酸化物半導体層は、第1の領域と、第2の領域と、前記第1の領域及び前記第2の領域より膜厚の薄い第3の領域と、を有し、
前記ソース電極層は、前記第1の領域の上面と接し、前記第3の領域の上面と接さず、
前記ドレイン電極層は、前記第2の領域の上面と接し、前記第3の領域の上面と接さず、
前記ゲート絶縁層は、前記第1の領域の側面、前記第2の領域の側面、前記ソース電極層の上面、ドレイン電極層の上面及び前記第3の領域の上面と接し、
前記ゲート電極層は、前記第1の領域及び前記第2の領域と重ならず、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ホウ素(B)、チタン(Ti)から選択される一以上の元素を有し、
前記酸化物半導体層は、インジウム(In)、ガリウム(Ga)及び亜鉛(Zn)を有し、
前記ゲート絶縁膜は酸化シリコンを有し、
前記ソース領域上および前記ドレイン領域上には、タンタル(Ta)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)から選択される一以上の元素を有する膜を有する、ことを特徴とする半導体装置。
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