JP6408784B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の例として、トランジスタの構成例と、その作製方法例について、図面を参照して説明する。
図1(A)に、本構成例で例示するトランジスタ100の上面概略図を示す。また、図1(B)、(C)はそれぞれ、図1(A)中に示す切断線A−B、C−Dにおける断面概略図である。なお、図1(A)では、明瞭化のため一部の構成要素を明示していない。
以下では、トランジスタ100の各構成要素について説明する。
半導体層102に含まれる酸化物半導体として、シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい酸化物半導体を用いると、オフ状態におけるリーク電流を抑制できるため好ましい。
基板101の材質などに大きな制限はないが、少なくとも工程中の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)基板等を、基板101として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板または多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板等を適用することも可能である。
ゲート電極106は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれかまたは両方の金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、ゲート電極106は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、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を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくはこれらの窒化膜を用いてもよい。
ゲート絶縁層105は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
一対の電極104は、少なくとも半導体層102に接する部分において、上述したような酸素と結合しやすい導電材料を用いればよく、その上層に異なる導電材料を有する積層構造としてもよい。例えば、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、銀などの導電材料、またはその窒化物、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。または、上述したような酸素と結合しやすい導電材料を積層して用いることもできる。
絶縁層107は、基板101に含有される不純物が拡散することを防ぐバリア層として機能する。
以下では、図1に例示したトランジスタ100の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。図5は、以下で例示する作製方法例での各工程における断面概略図である。
まず、基板101上に絶縁層107を形成する。
続いて、絶縁層107上に半導体膜122、酸化物膜123を成膜する(図5(A))。
続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて酸化物膜123上にレジストマスクを形成し、酸化物膜123及び半導体膜122の不要な部分をエッチングにより除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層102及び島状の酸化物層133の積層体を形成する(図5(B))。
続いて、絶縁層107及び酸化物層133上に、半導体層102の側面と接するように導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成する。続いて、導電膜及び酸化物層133の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、一対の電極104と、電極104と半導体層102の間に挟持された酸化物層103を形成する(図5(C))。
続いて、半導体層102、酸化物層103、絶縁層107、一対の電極104上にゲート絶縁層105を形成する。
続いて、ゲート絶縁層105上に導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、ゲート電極106を形成することができる(図5(D))。
続いて、ゲート絶縁層105及びゲート電極106上に絶縁層108を形成する。
続いて、加熱処理を行う。加熱処理により、電極104と接する半導体層102の端部において、半導体層102から酸素の一部が電極104に移動し、半導体層102の端部からチャネル長方向に向かって酸素欠損が形成され、その結果半導体層102中に低抵抗領域111が形成される(図5(E))。
以下では、上記構成例で例示したトランジスタ100とは構成の一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点についてのみ詳細に説明する。また、位置や形状が異なる構成要素であっても機能が同一である場合には、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
図6(A)に、以下で例示するトランジスタ150の断面概略図を示す。トランジスタ150は主に、ゲート電極106が半導体層102よりも基板101側に位置する点で、トランジスタ100と相違している。トランジスタ150は、いわゆるボトムゲート型のトランジスタである。
図6(B)に、以下で例示するトランジスタ160の断面概略図を示す。トランジスタ160は主に、2つのゲート電極(第1のゲート電極106a、第2のゲート電極106b)を有している点で、トランジスタ100及びトランジスタ150と相違している。
図6(C)に、以下で例示するトランジスタ170の断面概略図を示す。トランジスタ170は主に、半導体層102の上下にそれぞれ酸化物層を備える点でトランジスタ100と相違している。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に好適に用いることのできる酸化物半導体について説明する。
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、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、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3に示した構成と異なる半導体装置の説明を行う。
本実施の形態では、少なくとも実施の形態で説明したトランジスタを用いることができ、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
本実施の形態では、実施の形態1で説明したトランジスタ、実施の形態3、4で説明した記憶装置、または実施の形態5で説明したCPU等(DSP、カスタムLSI、PLD、RF−IDを含む)を用いることのできる電子機器の例について説明する。
まず、ガラス基板上にスパッタリング法により厚さ約300nmの酸化シリコン膜を成膜した。続いて、酸化シリコン膜上に酸化物半導体膜として、スパッタリング法により厚さ約50nmのIn−Ga−Zn酸化物(以下IGZOという)膜を成膜した。なお、IGZO膜は、In:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)のIGZOをスパッタリングターゲットとし、Ar:O2=2:1(流量比)を成膜ガスとして用いてDCスパッタリング法で成膜した。続いて、IGZO膜上に導電膜として、厚さ約50nmのタングステン膜をスパッタリング法により成膜した。タングステン膜は、金属タングステンをスパッタリングターゲットとし、Arを成膜ガスとして用いてDCスパッタリング法により成膜した。
続いて、それぞれの試料について、シート抵抗の測定と、IGZO膜のエッチングを交互に繰り返して行い、エッチング深さに対するIGZO膜のシート抵抗を測定した。IGZO膜のエッチングには、過酸化水素水とアンモニアの混合水溶液を用いた。また、IGZO膜のエッチング深さは、エッチングの前後における分光エリプソメトリーを用いて測定した残膜の厚さから求めた。
図12(A)に、加熱処理を行った試料1と加熱処理を行わない試料2における、エッチング深さに対するシート抵抗の測定結果を示す。なお、シート抵抗の測定に用いた装置の測定上限は6×106Ω/□であり、これ以上の値は測定できていない。したがって図中には、測定限界を超えた値を示した点については、白抜きのシンボルで示している。
まず、ガラス基板上に半導体膜として、スパッタリング法を用いて厚さ約50nmのIGZO膜を成膜した。ここで、In:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)のIGZO、In:Ga:Zn=1:3:2(原子数比)のIGZO、In:Ga:Zn=1:6:4(原子数比)のIGZO、及びIn:Ga:Zn=1:9:6(原子数比)のIGZOの4種類のスパッタリングターゲットを用いて、それぞれ異なる基板にIGZO膜を成膜した。また、IGZO膜の成膜は、Ar:O2=2:1(流量比)を成膜ガスとして用いてDCスパッタリング法で成膜した。続いて、IGZO膜上に導電膜として、厚さ約100nmのタングステン膜をスパッタリング法により成膜した。タングステン膜は、金属タングステンをスパッタリングターゲットとし、Arを成膜ガスとして用いてDCスパッタリング法により成膜した。
続いて、それぞれの試料について、実施例1と同様の方法により、エッチング深さに対する酸化物半導体膜のシート抵抗を測定した。
図13(A)に、それぞれの試料におけるエッチング深さに対するシート抵抗の測定結果を示す。
101 基板
102 半導体層
103 酸化物層
104 電極
105 ゲート絶縁層
105a ゲート絶縁層
105b ゲート絶縁層
106 ゲート電極
106a ゲート電極
106b ゲート電極
107 絶縁層
108 絶縁層
111 低抵抗領域
121 低抵抗領域
122 半導体膜
123 酸化物膜
133 酸化物層
150 トランジスタ
160 トランジスタ
170 トランジスタ
171 酸化物層
172 酸化物層
700 記憶素子
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
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
3000 基板
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3100 素子分離絶縁層
3150 絶縁層
3200 トランジスタ
3250 電極
3300 トランジスタ
3350 接続配線
3400 容量素子
4250 メモリセル
4300 トランジスタ
4400 容量素子
4500 配線
4600 配線
8100 警報装置
8101 マイクロコンピュータ
8102 検出部
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (5)
- 半導体層と、
前記半導体層上の第1の酸化物層及び第2の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上の第1の電極と、
前記第2の酸化物層上の第2の電極と、
前記半導体層上、前記第1の電極上、かつ、前記第2の電極上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上のゲート電極と、を有し、
前記第1の電極は前記半導体層の側面と接し、
前記第2の電極は前記半導体層の側面と接し、
前記半導体層は、前記第1の酸化物層と前記第2の酸化物層との間において前記ゲート絶縁層と接する領域を有し、
前記半導体層、前記第1の酸化物層、及び前記第2の酸化物層は、In、Ga、及びZnを含み、
前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層は、Inに対するGaの割合が前記半導体層よりも高い半導体装置。 - 前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層は、Inに対するGaの割合が3倍以上である請求項1に記載の半導体装置。
- 第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上の半導体層と、
前記半導体層上の第2の酸化物層及び第3の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上の第1の電極と、
前記第3の酸化物層上の第2の電極と、
前記半導体層上、前記第1の電極上、かつ、前記第2の電極上の第4の酸化物層と、
前記第4の酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上のゲート電極と、を有し、
前記第1の電極は前記第1の酸化物層の側面と、前記半導体層の側面と、前記第2の酸化物層の側面と接し、
前記第2の電極は前記第1の酸化物層の側面と、前記半導体層の側面と、前記第3の酸化物層の側面と接し、
前記半導体層は、前記第2の酸化物層と前記第3の酸化物層との間において前記第4の酸化物層と接する領域を有し、
前記半導体層、前記第2の酸化物層、及び前記第3の酸化物層は、In、Ga、及びZnを含み、
前記第2の酸化物層及び前記第3の酸化物層は、Inに対するGaの割合が前記半導体層よりも高い半導体装置。 - 前記第1の酸化物層及び前記第4の酸化物層は、In、Ga、及びZnを含み、
前記第1の酸化物層及び前記第4の酸化物層は、Gaの割合が前記半導体層よりも高い請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第2の酸化物層及び前記第3の酸化物層は、Inに対するGaの割合が3倍以上である請求項3または請求項4に記載の半導体装置。
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