JP6499246B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
全般を指し、電気光学装置、発光表示装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置で
ある。
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(単に表示装置とも
表記する)のような半導体電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能
な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸
化物半導体が注目されている。
トランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。
速応答、高速駆動の実現には、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)の向上が望まれる。また、トランジスタの微細化には、チャネル長L
を短くする必要がある。しかしながら、チャネル長Lを短くすると、ソースとチャネル間
の抵抗、ドレインとチャネル間の抵抗、及びコンタクト抵抗を合計した寄生抵抗がオン電
流特性に与える影響が増大する。従って、オン電流の低下の抑制のためには寄生抵抗値の
低減が要求される。
体装置を提供することを課題の一とする。
を生成する不純物を含有する一対の不純物領域を設ける。また、不純物元素は、酸化物半
導体層上のゲート電極層を覆う絶縁層上から酸化物半導体層へと導入する。ゲート電極層
を覆う絶縁層は、該ゲート電極層側面と接する領域においては、その他の領域と比較して
膜厚が大きくなるため、当該領域と重畳する酸化物半導体層へは不純物元素が導入されに
くくなる。従って、上述の不純物導入処理を行うことで、酸化物半導体層において含有さ
れる不純物濃度は、領域毎に濃度差が形成される。より具体的には、例えば以下の作製方
法によって半導体装置を作製する。
、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重畳するゲート電極層を形成し、ゲート絶縁層
及びゲート電極層を覆うように第1の絶縁層を形成し、第1の絶縁層上から不純物元素を
導入して、酸化物半導体層に一対の不純物領域を形成し、第1の絶縁層上に第2の絶縁層
を形成し、第1の絶縁層及び第2の絶縁層を異方性エッチングして、ゲート電極層の側面
に接する側壁絶縁層を形成し、一対の不純物領域と接する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。
形成し、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重畳するゲート電極層を形成し、ゲート
絶縁層及びゲート電極層を覆う第1の絶縁層を形成し、第1の絶縁層上から不純物元素を
導入して、酸化物半導体層に一対の不純物領域を形成し、第1の絶縁層上に第2の絶縁層
を形成し、第1の絶縁層及び第2の絶縁層を異方性エッチングして、ゲート電極層の側面
に接する側壁絶縁層を形成し、酸化物半導体層、側壁絶縁層及びゲート電極層を覆う導電
層を形成し、ゲート電極層と重畳する領域の導電層を除去して、ソース電極層及びドレイ
ン電極層を形成する、半導体装置の作製方法である。
処理を用いることができる。
厚よりも大きいことが好ましい。
領域の間のチャネル形成領域と、を含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層上のゲート電
極層と、ゲート電極層の側面に接し、且つ不純物元素を含有する側壁絶縁層と、一対の不
純物領域の一方において、酸化物半導体層と接するソース電極層と、一対の不純物領域の
他方において、酸化物半導体層と接するドレイン電極層と、を有し、酸化物半導体層にお
いて、ソース電極層又はドレイン電極層と接する領域に含まれる不純物濃度は、側壁絶縁
層と重畳する領域に含まれる不純物濃度よりも高い半導体装置である。
を含有する領域を有する下地絶縁層上に設けられることが好ましい。
チャネル形成領域と比較して低抵抗な領域となり、トランジスタのソース領域又はドレイ
ン領域として機能する。不純物領域を設けることで、トランジスタのソースとドレイン間
の抵抗を低減することができ、且つ、該不純物領域においてソース電極層又はドレイン電
極層と接することで、コンタクト抵抗を低減することができる。
チャネル形成領域に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中にキャリアである電
子を生じさせてしまい、トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向に変動させる要因と
なる。よって、トランジスタの信頼性向上のためには、不純物領域を設けるにあたって、
チャネル形成領域での酸素欠損の発生を可能な限り低減させることが重要である。
絶縁層と重畳する領域)においては、不純物元素を含有しない、又は、ソース電極層及び
ドレイン電極層と接する領域の酸化物半導体層と比較して低濃度の不純物元素を含有する
。これによって、チャネル形成領域への不純物の導入を効果的に抑制することが可能とな
る。
但し、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変
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、以下に示す本
発明の構成において、同一部分又は同様の機能を有する部分には、同一の符号を異なる図
面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を有する部分を
指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
めに付すものであり、数的に限定するものではない。
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態様を、図1乃至図3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
ンジスタを示す。
であり、図1(B)は、図1(A)のX1−Y1における断面図であり、図1(C)は、
図1(A)のV1−W1における断面図である。なお、図1(A)では、煩雑になること
を避けるため、トランジスタ420の構成要素の一部(例えば、絶縁層407等)を省略
して図示している。
、403b及びチャネル形成領域403cを含む酸化物半導体層403と、酸化物半導体
層403上のゲート絶縁層402と、ゲート絶縁層402を介してチャネル形成領域40
3cと重畳するゲート電極層401と、ゲート電極層401の側面に接する側壁絶縁層4
12と、ソース電極層405aと、ドレイン電極層405bと、を有する。酸化物半導体
層403において、チャネル形成領域403cは、不純物領域403aと不純物領域40
3bの間に設けられている。また、ソース電極層405aは、不純物領域403aにおい
て、酸化物半導体層403と電気的に接し、ドレイン電極層405bは、不純物領域40
3bにおいて、酸化物半導体層403と電気的に接する。
半導体層403に酸素欠損を生成する不純物元素を導入された領域である。酸化物半導体
にとって酸素欠損はキャリア生成の要因となる。よって、意図的に酸素欠損を生成された
不純物領域403a及び不純物領域403bは、チャネル形成領域403cと比較して低
抵抗な領域であり、ソース領域又はドレイン領域として機能する。不純物領域403a及
び不純物領域403bを有することで、ソースとドレイン間の抵抗を低減させることがで
きるため、トランジスタ420の電気的特性(例えば、オン電流特性)を向上させること
ができる。
する領域には、側壁絶縁層412と重畳する領域(即ち、チャネル形成領域403cと隣
接する領域)よりも高い濃度で不純物元素を含有する。また、側壁絶縁層412は、不純
物領域403a、403bに含まれる不純物元素と同じ不純物元素を含有する領域を有す
る。
ジスタ420の構成要素としてもよい。
領域は、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む領域(以下、酸素過剰領域とも表記する
)を含むことが好ましい。チャネル形成領域403cと接する下地絶縁層436が酸素過
剰領域を含むことで、チャネル形成領域403cへ酸素を供給することが可能となる。よ
って、チャネル形成領域403cからの酸素の脱離を防止するとともに当該領域の酸素欠
損を補填することが可能となる。
域は、不純物領域403a及び不純物領域403bへの不純物の導入処理において、同時
に不純物が導入されうる。
AAC(C Axis Aligned Crystal)、多結晶、微結晶、非晶質部
を含む。
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 Semicon
ductor)と呼ぶ。酸化物半導体層は、例えばCAAC−OSを有してもよい。CA
AC−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。
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。
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。又は、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。
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膜の領域と、CAAC−OSの領域と
の積層構造を有していてもよい。
のc軸が被形成面の法線ベクトル又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軸及び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層の一例としては、CAAC−OS膜がある。すなわち、酸
化物半導体層403のチャネル形成領域403cは、CAAC−OS膜であることが好ま
しい。
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:Tra
nsmission Electron Microscope)による観察像では、C
AAC−OS膜に含まれる、結晶部と結晶部との境界は明確でない。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。
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い、且つ、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。
C−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、CA
AC−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。
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。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。
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
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。
する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層403を含むトランジス
タ420を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層403を含むトランジ
スタ420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層を含むトランジスタ420
との間に剥離層を設けるとよい。
とができ、酸化シリコン、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、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を含む膜の単層又は積層構造とすること
ができる。但し、下地絶縁層436は、酸化物絶縁層を含む単層又は積層構造として、該
酸化物絶縁層が後に形成される酸化物半導体層403と接する構造とすることが好ましい
。なお、下地絶縁層436は、必ずしも設けなくともよい。
よって、後に形成される酸化物半導体層403のチャネル形成領域403cの酸素欠損を
補填することが可能であるため好ましい。下地絶縁層436が積層構造の場合は、少なく
とも酸化物半導体層403と接する層(好ましくは酸化物絶縁層)において酸素過剰領域
を有することが好ましい。下地絶縁層436に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素
雰囲気下にて下地絶縁層436を成膜すればよい。又は、成膜後の下地絶縁層436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
、酸素過剰領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドー
ピング法、プラズマイマージョンイオン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。
窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することが好ましい。下地絶縁層436
が窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することで、酸化物
半導体層403への不純物の拡散を防止することができる。
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。
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、下地絶縁層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。
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、下地絶縁層436表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
過剰な状態とするために、下地絶縁層436に水素(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(脱水化または脱水素化処理)及び/又は酸素ドー
プ処理を行ってもよい。脱水化または脱水素化処理と、酸素ドープ処理は複数回行っても
よく、両方を繰り返し行ってもよい。
03を形成する(図2(A)参照)。酸化物半導体層403の膜厚は、例えば、1nm乃
至30nm、好ましくは5nm乃至10nmとする。
構造であってもよいし、結晶性であってもよい。酸化物半導体層を非晶質構造とする場合
には、後の作製工程において、酸化物半導体層に熱処理を行うことによって、結晶性酸化
物半導体層としてもよい。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる熱処理の温度は、250
℃以上700℃以下、好ましくは、400℃以上、より好ましくは500℃以上、さらに
好ましくは550℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程における他の熱処理を兼
ねることも可能である。
m Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic La
yer Deposition)法等を適宜用いることができる。
ることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜
を行う場合には、スパッタリング装置の成膜室内に供給する雰囲気ガスとして、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の希ガス(代表的にはアルゴン)
、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。
て成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体層の水素濃度を低減させることができる。
成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ
、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ
分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプは、例えば
、水素分子、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)等の排気能力が高いため、クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した酸
化物半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。
ゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9
%以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化
物半導体層を緻密な膜とすることができる。
体層中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板400を加熱する温度と
しては、150℃以上450℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が200℃以上3
50℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結晶性酸化物半
導体層を形成することができる。
る方法としては、例えば、成膜温度を200℃以上450℃以下として酸化物半導体層の
成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法がある。または、酸化物半導体層を薄
い膜厚で成膜した後、200℃以上700℃以下の熱処理を行い、表面に概略垂直にc軸
配向させてもよい。または、一層目として薄い膜厚で成膜した後、200℃以上700℃
以下の熱処理を行い、二層目の成膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法もある
。
含む。特に、インジウムと亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を
用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それら
に加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(
Sn)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)のいずれか
一種または複数種を有することが好ましい。
Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム
(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホル
ミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ル
テチウム(Lu)のいずれか一種または複数種を有してもよい。
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、I
n−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。
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。
で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、MnおよびCoから選ばれ
た一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2SnO
5(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。
n=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。
要とする電気的特性(電界効果移動度、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、必要とする電気的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃
度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすること
が好ましい。
界効果移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタでも、バルク内欠陥密度を低くすることにより電界効果移動度を上げることがで
きる。
c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C
=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2+
(c−C)2≦r2を満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。
他の酸化物でも同様である。
層403は、複数の酸化物半導体層が積層された構造としてもよい。例えば、酸化物半導
体層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。
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。
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。
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。
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。
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、酸化物半導体層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。
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−O
S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。
水酸基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための熱処理を行うことが好ましい。
熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減
圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。
することができる。例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体層403に含まれ
る水素濃度を、5×1019cm−3以下、好ましくは5×1018cm−3以下とする
ことができる。
スタ420の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。また、脱水化又は脱水素
化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の熱処理と兼ねてもよい。
めの熱処理を、酸化物半導体層を島状に加工する前に行うと、下地絶縁層436に含まれ
る酸素が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。
が含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン
、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.
99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)と
することが好ましい。
から徐冷しながら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。酸素ガス又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。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は
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、酸素ガス又は一酸化二
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、脱水化又は脱水素化処理による不
純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料であ
る酸素を供給することによって、酸化物半導体層403を高純度化及びi型(真性)化す
ることができる。
が同時に脱離して減少してしまうおそれがあるため、脱水化又は脱水素化処理を行った酸
化物半導体層に、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。
ることによって、酸化物半導体層を高純度化、及びi型(真性)化することができる。高
純度化し、i型(真性)化した酸化物半導体を有するトランジスタは、電気特性変動が抑
制されており、電気的に安定である。
に形成されるゲート絶縁層402や絶縁層407などの他の膜を通過して酸化物半導体層
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。露出された酸化物半導体層403へ直接酸素を導入する場合は、上記の方法に加えて
プラズマ処理なども用いることができる。
ガス、CO2ガス、COガス、NO2ガス等を用いることができる。なお、酸素の供給ガ
スに希ガス(例えばAr)を含有させてもよい。
を1×1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよい。
と酸化物半導体層403とが接した状態で熱処理を行うことにより、絶縁層に過剰に含ま
れる酸素を酸化物半導体層403へ拡散させ、酸化物半導体層403へ酸素を供給しても
よい。該熱処理は、トランジスタ420の作製工程における他の熱処理と兼ねることもで
きる。
に限定されない。また、酸化物半導体層への酸素の導入は複数回行ってもよい。また、酸
化物半導体層を複数層の積層構造とする場合には、脱水化又は脱水素化のための熱処理及
び/又は酸素の供給は、各酸化物半導体層に対して別々に行ってもよいし、積層構造を形
成した後の酸化物半導体層403に対して行ってもよい。
好ましい。下地絶縁層436と酸化物半導体層403とを大気に曝露せずに連続して形成
すると、下地絶縁層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。
酸化物半導体層に加工して形成することができる。島状の酸化物半導体層403を形成す
るためのレジストマスクは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、製造コストを低減することがで
きる。
は、1nm以上20nm以下の膜厚で、スパッタリング法、MBE法、CVD法、パルス
レーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて形成することができる。
上記平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁層402として膜厚の薄い絶縁層を用い
る場合、酸化物半導体層403表面の平坦性が良好であることが好ましい。
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。ゲート絶縁層402は、酸化物半導体層40
3と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁層402は、膜中
(バルク中)に少なくとも化学量的組成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。さらに、ゲート絶縁層402は、作製するトランジスタのサイズ
やゲート絶縁層402の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
シリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケ
ート、ハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))、酸化ランタンな
どの材料を用いてもよい。さらに、ゲート絶縁層402は、単層構造としても良いし、積
層構造としても良い。
な状態とするために、ゲート絶縁層402に水素(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(脱水化または脱水素化処理)及び/又は酸素ドープ
処理を行ってもよい。脱水化または脱水素化処理と、酸素ドープ処理は複数回行ってもよ
く、両方を繰り返し行ってもよい。
401を形成する。その後、ゲート電極層401を覆うように、ゲート絶縁層402上に
絶縁層412aを形成する(図2(B)参照)。
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401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401は、単層構造としてもよいし、積層
構造としてもよい。
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。
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)以上、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。
膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等を用いることができる。絶縁層412a
は単層構造又は積層構造とすることができ、膜厚を20nm以上50nm以下とすること
が好ましい。また、絶縁層412aは、LPCVD法、プラズマCVD法等のCVD法を
用いて形成することが好ましい。本実施の形態では、絶縁層412aとしてプラズマCV
D法を用いて酸化シリコン膜を成膜する。プラズマCVD法は、成膜時に膜へゴミなどが
付着、混入しにくい上、比較的早い成膜速度で成膜することができるので、絶縁層412
aの厚膜化が可能であり、生産性に有利である。
厚の大きいゲート電極層401を覆うため、絶縁層412aにおいてゲート電極層401
の側面と隣接する領域100では、その他の領域と比較して膜厚が大きくなる。より具体
的には、図2(B)において、絶縁層412aの膜厚をdとした場合、ゲート電極層40
1側面からの距離がd以下の領域100においては、絶縁層412aの膜厚が最大でゲー
ト電極層401の膜厚分大きくなる。
3へ不純物元素431を導入する。これによって、不純物領域403a及び不純物領域4
03bが自己整合的に形成される(図2(C)参照)。また、不純物領域403aと不純
物領域403bとの間にチャネル形成領域403cが形成される。
体的には、希ガス等の、導入処理時に酸化物半導体層403へ物理的にダメージを与える
ことで酸素欠損を生成する元素や、導入処理後に酸化物半導体層403中の酸素と結合す
ることによって酸素欠損を生成する元素(例えば、リン(P)、砒素(As)、アンチモ
ン(Sb)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、モリブデン(
Mo)、窒素(N)、フッ素(F)、塩素(Cl)、チタン(Ti)、炭素(C)、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。
素欠損を生成するための不純物元素を導入された不純物領域403a、403bは、チャ
ネル形成領域403cと比較して低抵抗な領域となり、トランジスタのソース領域又はド
レイン領域として機能する。不純物領域403a、403bを設けることで、トランジス
タ420のソースとドレイン間の抵抗を低減することができる。
領域よりも大きな膜厚を有するため、酸化物半導体層403において領域100と重畳す
る領域102では、不純物元素431が導入されにくい。一方、絶縁層412aの領域1
00には不純物元素431が含まれる。従って、領域102は、不純物領域403a、4
03bの一部であって、且つ、ゲート電極層401及び領域100のいずれとも重畳しな
い領域(領域104)よりも低濃度に不純物元素を含有する領域となる。又は、不純物元
素の導入条件によっては領域102には不純物元素が導入されずに、所謂オフセット領域
となる場合もある。
412aの領域100と重畳する領域102は、ゲート電極層401及び領域100のい
ずれとも重畳しない領域(領域104)よりも含有する不純物元素の濃度が低い。チャネ
ル形成領域403cに隣接して、不純物濃度が低い、又は不純物元素を含有しない領域を
設けることで、ソースとドレイン間の電界集中を低減させ、ホットキャリア劣化を抑制す
ることができる。よって、トランジスタ420の信頼性を向上させることができる。
ル形成領域403cへの意図しない不純物元素431の混入を抑制することができる。よ
って、チャネル形成領域403cでの酸素欠損の生成を防止し、トランジスタ420の信
頼性を向上させることが可能となる。膜厚差を有する絶縁層412a上から不純物元素4
31を導入する処理は、トランジスタが微細化され、チャネル長が短い場合に特に効果的
である。
畳する下地絶縁層436及び/又はゲート絶縁層402にも不純物元素が含有される場合
がある。同様に、酸化物半導体層403の領域102と重畳するゲート絶縁層402にも
不純物元素が含有される場合がある。従って、トランジスタ420に含まれる下地絶縁層
436及び/又はゲート絶縁層402も不純物元素431を含有し、且つ濃度差を有する
ことがある。例えば、酸化物半導体層403の領域104に濃度プロファイルのピークを
有するように不純物元素431を導入する場合、領域104と重畳する領域の下地絶縁層
436及びゲート絶縁層402にも不純物元素431が導入され、当該領域の下地絶縁層
436及びゲート絶縁層402は、領域102と重畳する領域の下地絶縁層436及びゲ
ート絶縁層402よりも含有する不純物元素の濃度が高いことがある。
厚方向)の濃度プロファイルが、領域102に近づく程浅い位置にピークを有する場合が
ある。なお、不純物元素431を導入後の酸化物半導体層403の各領域に含まれる深さ
方向の不純物濃度プロファイルは、SIMS(Secondary Ion Mass
Spectrometry)などの方法を用いて分析することができる。
2bの膜厚は、少なくとも絶縁層412aの膜厚よりも大きいものとし、200nm以上
500nm以下の膜厚とするのが好ましい。絶縁層412bは、絶縁層412aと同様の
材料及び同様の作製方法を適宜選択して形成することができ、絶縁層412aと同じ材料
を用いて形成することが好ましい。
用いて酸化シリコン膜を成膜する。なお、絶縁層412aと絶縁層412bを同じ材料を
用いて形成した場合、絶縁層412aと絶縁層412bとの界面が不明確(不明瞭)とな
る場合がある。図3(A)では、当該界面が不明確(不明瞭)であることを模式的に点線
で図示している。但し、以降の工程図及びトランジスタの断面図においては、当該界面を
省略して図示するものとする。なお、界面が不明確(不明瞭)とは、高分解能透過型電子
顕微鏡を用いた断面観察(TEM像)において、連続的な境界が確認できない場合を指す
。
て、側壁絶縁層を形成する絶縁層である。不純物の導入処理後に膜厚の大きい絶縁層41
2bを積層させることで、絶縁層412a及び絶縁層412bの積層構造を加工した側壁
絶縁層が、側壁絶縁層として機能できる程度に膜厚や形状を調節することが可能となる。
1の側面に側壁絶縁層412を形成する(図3(B)参照)。側壁絶縁層412は、絶縁
層412aの領域100を含むため、該側壁絶縁層412には不純物元素431が含有さ
れている。
7を形成し、該絶縁層407に開口部を設けた後、開口部を介して酸化物半導体層403
と電気的に接続するソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成する(図3
(C)参照)。
した、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、酸化ガリウム膜、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、酸化バリウム膜等の無機絶縁膜を単層で又は積層構造で用いることがで
きる。または、絶縁層407として、トランジスタ起因の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く、無機絶縁膜と平坦化絶縁膜を積層させてもよい。平坦化絶縁
膜としては、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂等の有機材
料と用いることができる。又は、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。
l、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よい。また、ソース
電極層405a及びドレイン電極層405b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(In2O3)、酸化
スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In2O3−SnO
2)、酸化インジウム酸化亜鉛(In2O3−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。
、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。
不純物領域403a及び不純物領域403bと接する。ソース電極層405a及びドレイ
ン電極層405bが低抵抗領域である不純物領域403a及び不純物領域403bと接す
る構成とすることで、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、のコンタク
ト抵抗を低減することができる。
できる。
て、酸素欠損を生成する不純物元素を含有する一対の不純物領域を設ける際に、酸化物半
導体層403上のゲート電極層401を覆う絶縁層412a上から酸化物半導体層403
へと導入する。ゲート電極層401を覆う絶縁層412aは、該ゲート電極層401側面
と接する領域においては、その他の領域と比較して膜厚が大きくなるため、当該領域と重
畳する酸化物半導体層403へは不純物元素が導入されにくくなる。
を効果的に抑制しつつ、チャネル形成領域を挟む一対の低抵抗領域を形成してソースとド
レイン間の抵抗を低減することができる。また、当該不純物元素を含む領域(不純物領域
)において、ソース電極層及びドレイン電極層と接することで、コンタクト抵抗を低減す
ることができる。よって、トランジスタ420において寄生抵抗を低減することができる
ため、オン特性(例えばオン電流)の良好なトランジスタを提供することが可能となる。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1と異なる構成の半導体装置及びその作製方法について図
4及び図5を用いて説明する。なお、上記実施の形態と同一部分又は同様の機能を有する
部分及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。
また、同じ箇所の詳細な説明は省略する。
であり、図4(B)は図4(A)のX2−Y2における断面図であり、図4(C)は、図
4(A)のV2−W2における断面図である。なお、図4(A)では、煩雑になることを
避けるため、トランジスタ422の構成要素の一部(例えば、絶縁層414等)を省略し
て図示している。
、403bと、不純物領域403aと不純物領域403bの間のチャネル形成領域403
cと、を含む酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403上に設けられたゲート絶縁
層402と、ゲート絶縁層402を介してチャネル形成領域403cと重畳するゲート電
極層401と、ゲート電極層401の側面に接する側壁絶縁層412と、酸化物半導体層
403の上面の一部、ゲート絶縁層402の側面及び側壁絶縁層412に接するソース電
極層405a又はドレイン電極層405bと、を有する。
ソース配線層415a、及びドレイン配線層415bを構成要素に含めてもよい。ソース
配線層415aは、絶縁層414及び絶縁層407に設けられた開口を介してソース電極
層405aと電気的に接続する。また、ドレイン配線層415bは、絶縁層414及び絶
縁層407に設けられた開口を介してドレイン電極層405bと電気的に接続する。
の側面に側壁絶縁層412を形成した後、側壁絶縁層412をマスクとしてゲート絶縁層
402をエッチングすることで、酸化物半導体層403の一部(不純物領域403a及び
不純物領域403b)を露出させる(図5(A)参照)。
うように、導電膜を形成し、該導電膜をフォトリソグラフィ工程を用いたレジストマスク
によって選択的にエッチングして、導電膜405とする。ここで、導電膜405は、ゲー
ト電極層401と重畳する領域を有する。その後、導電膜405上に絶縁層407を形成
する(図5(B)参照)。
bの材料と同様の材料を用いることができる。
覆う絶縁層412a上から一度行えばよく、ゲート電極層401の形成後であればトラン
ジスタの作製工程において、複数回行ってもよい。例えば、導電膜405を形成後にさら
に不純物元素431を導入してもよい。導電膜405を形成後にさらに不純物元素を導入
することで、酸化物半導体層403における不純物元素の濃度差がより大きくなる。
401と重畳する領域の導電膜405を除去することによって、ソース電極層405a及
びドレイン電極層405bを形成する。研磨処理によってゲート電極層401と重畳する
領域の導電膜405を除去することで、導電膜405のチャネル長方向の分断を、レジス
トマスクを用いることなく行うことができるため、トランジスタ422が微細なチャネル
長を有する場合であっても精度よくソース電極層405a及びドレイン電極層405bを
形成することができる(図5(C)参照)。
al Polishing:CMP)処理を好適に用いることができる。本実施の形態で
は、CMP処理によってゲート電極層401と重畳する領域の導電膜405を除去する。
MP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ
研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによ
って、生産性及び表面の平坦性をより向上させることができる。
MP処理を用いたが、他の研磨(研削、切削)処理を用いてもよい。又は、CMP処理等
の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ
処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズ
マ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。研磨処
理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定さ
れず、導電膜405の材料、膜厚、及び表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
端部は、ゲート電極層401の上端部と概略一致している。但し、ソース電極層405a
及びドレイン電極層405bの形状は導電膜405の一部を除去するための研磨処理の条
件によって異なる。例えば、ソース電極層405a又はドレイン電極層405bは、ゲー
ト電極層401の表面より膜厚方向に後退した形状となる場合がある。
ス電極層405a又はドレイン電極層405bに達する開口を形成する。該開口にソース
電極層405aと電気的に接続するソース配線層415a、及びドレイン電極層405b
と電気的に接続するドレイン配線層415bを形成する(図5(D)参照)。
とができる。
する領域(ソース側コンタクト領域)と、ゲート電極層401との距離、及び、ドレイン
電極層405bと酸化物半導体層403が接する領域(ドレイン側コンタクト領域)とゲ
ート電極層401との距離を縮小することができる。よって、ソース側コンタクト領域又
はドレイン側コンタクト領域と、ゲート電極層401との間の抵抗を減少させることがで
き、オン特性をより向上させることができる。
05a又はドレイン電極層405bと、ゲート電極層401との間に寄生チャネルが形成
されることを抑制する機能を有する。
宜組み合わせて用いることができる。
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(記憶装置)の
一例を、図面を用いて説明する。
B)に半導体装置の平面図を、図6(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで
、図6(A)は、図6(B)のC1−C2、及びD1−D2における断面に相当する。
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は、実施の形態2で示すトランジスタ422の構造を適用す
る例である。
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。
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又は2に示すようなトランジスタを
用いる他は、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。
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層108と、ゲート絶縁層108上
に設けられたゲート電極層110と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電
極層やドレイン電極層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層やドレイン電極層と表現することがある
。
り、トランジスタ160を囲むように絶縁層128、130が設けられている。
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162および容量素子164の形成前の処理として、
トランジスタ160を覆う絶縁層にCMP処理を施して、絶縁層128、130を平坦化
すると同時にトランジスタ160のゲート電極層の上面を露出させる。
プゲート型トランジスタである。ここで、トランジスタ162は、チャネル形成領域への
不純物元素の混入を抑制し、酸化物半導体層144を高純度化、及びi型(真性)化した
酸化物半導体を有する。よって、トランジスタ162は、極めて優れたオフ特性を有する
。また、本実施の形態で示すトランジスタ162において、側壁絶縁層146は、電極層
142a又は電極層142bと、ゲート電極層145との間に寄生チャネルが形成される
ことを抑制することができる。
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。
層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1
48が設けられており、電極層142aと、絶縁層150と、導電層148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148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。
て、絶縁層152上には配線156が設けられている。配線156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である。図6(A)には図示しないが、配線
156は、絶縁層152及び絶縁層150などに形成された開口に形成された電極層を介
して電極層142bと電気的に接続される。
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のソース領域又は
ドレイン領域と酸化物半導体層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148は、トラ
ンジスタ160のゲート電極層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。
極層とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ160の
ドレイン電極層とは、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のソース電極層又はドレイン電極層の一方とは、電気的に接続され
、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ162のゲート電極層とは、電気的
に接続されている。そして、トランジスタ160のゲート電極層と、トランジスタ162
のソース電極層又はドレイン電極層の他方は、容量素子164の電極の一方と電気的に接
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。
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
。
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のゲート電極層、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のゲート電極層には、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のゲート電極層に与えられた電荷が保持され
る(保持)。
の電荷は長時間にわたって保持される。
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
電極層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のゲート電極層に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
ート電極層に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の間の電位V0とすることにより、トランジスタ160
のゲート電極層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V0(>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V0(<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。
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、ゲート電極層の状態
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。又は、ゲート電極層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。
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、又は、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。
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、
ゲート絶縁層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。
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。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態3とは異なる記憶装置の構造の一形態について説明する。
ルを複数含む、メモリセルアレイ(メモリセルアレイ3400(1)乃至メモリセルアレ
イ3400(n) nは2以上の整数)を複数層有し、下部にメモリセルアレイ3400
(1)乃至メモリセルアレイ3400(n)を動作させるために必要な論理回路3004
を有する。
400(2)を図示しており、メモリセルアレイ3400(1)又はメモリセルアレイ3
400(2)に含まれる複数のメモリセルのうち、メモリセル3170aと、メモリセル
3170bを代表で示す。メモリセル3170a及びメモリセル3170bとしては、例
えば、上記実施の形態において説明した回路構成と同様の構成とすることもできる。
また、メモリセル3170bに含まれるトランジスタ3171bを代表で示す。トランジ
スタ3171a及びトランジスタ3171bは、酸化物半導体層にチャネル形成領域を有
する。酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成されるトランジスタの構成については、
実施の形態1又は2において説明した構成と同様であるため、説明は省略する。
3501aは、電極層3502aによって、電極層3003aと電気的に接続されている
。トランジスタ3171bのソース電極層又はドレイン電極層と同じ層に形成された電極
層3501cは、電極層3502cによって、電極層3003cと電気的に接続されてい
る。
いたトランジスタ3001を有する。トランジスタ3001は、半導体材料(例えば、シ
リコンなど)を含む基板3000に素子分離絶縁層3106を設け、素子分離絶縁層31
06に囲まれた領域にチャネル形成領域となる領域を形成することによって得られるトラ
ンジスタとすることができる。なお、トランジスタ3001は、絶縁表面上に形成された
多結晶シリコン膜等の半導体膜や、SOI基板のシリコン膜にチャネル形成領域が形成さ
れるトランジスタであってもよい。トランジスタ3001の構成については、公知の構成
を用いることが可能であるため、説明は省略する。
には、配線3100a及び配線3100bが形成されている。配線3100aとトランジ
スタ3001が形成された層との間には、絶縁層3140aが設けられ、配線3100a
と配線3100bとの間には、絶縁層3141aが設けられ、配線3100bとトランジ
スタ3171aが形成された層との間には、絶縁層3142aが設けられている。
た層との間には、配線3100c及び配線3100dが形成されている。配線3100c
とトランジスタ3171aが形成された層との間には、絶縁層3140bが設けられ、配
線3100cと配線3100dとの間には、絶縁層3141bが設けられ、配線3100
dとトランジスタ3171bが形成された層との間には、絶縁層3142bが設けられて
いる。
141b、絶縁層3142bは、層間絶縁層として機能し、その表面は平坦化された構成
とすることができる。
ル間の電気的接続や、論理回路3004とメモリセルとの電気的接続等を行うことができ
る。
ることができる。
電気的に接続することができる。配線3100aは、電極層3503aによって、トラン
ジスタ3171aの電極層3501bと電気的に接続することができる。こうして、配線
3100a及び電極層3303を、トランジスタ3171aのソースまたはドレインと電
気的に接続することができる。また、トランジスタ3171aのソースまたはドレインで
ある電極層3501bは、電極層3502bによって電極層3003bと電気的に接続す
ることができる。電極層3003bは、電極層3503bによって配線3100cと電気
的に接続することができる。
を介して行われる例を示したがこれに限定されない。電極層3303とトランジスタ31
71aとの電気的接続は、配線3100bを介して行われてもよいし、配線3100aと
配線3100bの両方を介して行われてもよい。または、配線3100aも配線3100
bも介さず、他の電極層を用いて行われてもよい。
成された層との間には、配線3100aが形成された配線層と、配線3100bが形成さ
れた配線層との、2つの配線層が設けられた構成を示したがこれに限定されない。トラン
ジスタ3171aが形成された層と、トランジスタ3001が形成された層との間に、1
つの配線層が設けられていてもよいし、3つ以上の配線層が設けられていてもよい。
形成された層との間には、配線3100cが形成された配線層と、配線3100dが形成
された配線層との、2つの配線層が設けられた構成を示したがこれに限定されない。トラ
ンジスタ3171bが形成された層と、トランジスタ3171aが形成された層との間に
、1つの配線層が設けられていてもよいし、3つ以上の配線層が設けられていてもよい。
宜組み合わせて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、上記実施の形態1又は2に開示したトラン
ジスタを少なくとも一部に用いたCPU(Central Processing Un
it)について説明する。
は、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic
unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ11
93、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ
1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I
/F)、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース1189(ROM
I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを
用いる。ROM1199及びROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよ
い。もちろん、図9(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、
実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。
デコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタ
ラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ
1195に入力される。
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアド
レスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、及びレ
ジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイ
ミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号C
LK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各
種回路に供給する。
スタ1196のメモリセルには、上記実施の形態3又は4に開示したメモリセルを用いる
ことができる。
らの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ
1196が有するメモリセルにおいて、論理(値)を反転させる論理素子によるデータの
保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。論理(値)を反転さ
せる論理素子によるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセ
ルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場
合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源
電圧の供給を停止することができる。
電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け
ることにより行うことができる。以下に図9(B)及び図9(C)の回路の説明を行う。
素子に、上記実施の形態1又は2に開示したトランジスタを含む記憶回路の構成の一例を
示す。
有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には、実
施の形態3又は4に記載されているメモリセルを用いることができる。メモリセル群11
43が有する各メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベ
ルの電源電位VDDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリ
セル1142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられて
いる。
トランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極層に与えられる信号Si
gAによりスイッチングが制御される。
を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング
素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、
上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよい
し、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
る各メモリセル1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されているが、
スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されていて
もよい。
チング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、記憶装置
の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモ
リセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。
イッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合
においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具
体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置へ
の情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消
費電力を低減することができる。
rocessor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmabl
e Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
宜組み合わせて用いることができる。
MRAM)と、酸化物半導体を用いたメモリの比較表を表1に示す。
リは、表1に示したように、スピントロニクスデバイスと比べて、駆動方式、書き込み原
理、材料などが大きく異なっている。
るメモリは、表1に示したように、スピントロニクスデバイスに比べて、耐熱性、3D化
(3層以上の積層構造化)、磁界耐性など多くの点で有利である。なお、表1にあるオー
バーヘッドの電力とは、プロセッサ内のメモリ部などに書き込む電力など、所謂オーバー
ヘッドに消費される電力のことである。
モリを利用することで、CPUの省電力化が実現可能となる。
宜組み合わせて用いることができる。
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、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型
或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Digital
Versatile Disc)などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生す
る画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレ
オ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話
、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機
器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装
置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器
洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵
庫、DNA保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げ
られる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用
ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや
、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範
疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と
電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)
、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付
自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコ
プター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。
これらの電子機器の具体例を図10に示す。
筐体9001に表示部9003が組み込まれており、表示部9003により映像を表示す
ることが可能である。なお、4本の脚部9002により筐体9001を支持した構成を示
している。また、電力供給のための電源コード9005を筐体9001に有している。
電子機器に高い信頼性を付与することができる。
表示された表示ボタン9004を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力するこ
とができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面
操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、イメージセ
ンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部9003にタッチ入力機能を持たせるこ
とができる。
直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大
きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに
表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
着するための固定部3022と、スピーカ、操作ボタン3024、外部メモリスロット3
025等が設けられている。実施の形態1又は2のトランジスタ、または実施の形態3又
は4に示したメモリを本体3021に内蔵されているメモリやCPUなどに適用すること
により、より省電力化された携帯音楽プレイヤー(PDA)とすることができる。
せ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリー
での会話も可能である。
9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス92
06等を含む。コンピュータは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置をその表
示部9203に用いることにより作製される。実施の形態5に示したCPUを利用すれば
、省電力化されたコンピュータとすることが可能となる。
は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、表示部9631a、表示部
9631b、表示モード切り替えスイッチ9034、電源スイッチ9035、省電力モー
ド切り替えスイッチ9036、留め具9033、操作スイッチ9038、を有する。
などにメモリとしてSRAMまたはDRAMが使用されている。例えば、実施の形態3又
は4に説明した半導体装置をメモリとして使用することができる。先の実施の形態で説明
した半導体装置をメモリ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。
示された操作キー9638にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部
9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分
の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部
9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示
部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631b
を表示画面として用いることができる。
をタッチパネルの領域9632bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード
表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで
表示部9631bにキーボードボタン表示することができる。
ッチ入力することもできる。
り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイ
ッチ9036は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の
光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサ
だけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内
蔵させてもよい。
ているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示
の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネル
としてもよい。
33、充放電制御回路9634、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有
する。なお、図11(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリー9635
、DCDCコンバータ9636を有する構成について示している。
することができる。従って、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、耐
久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻など
を表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入
力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有するこ
とができる。
表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐
体9630片面又は両面に設けることができ、バッテリー9635の充電を効率的に行う
構成とすることができる。なおバッテリー9635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。
)にブロック図を示し説明する。図11(C)には、太陽電池9633、バッテリー96
35、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、
表示部9631について示しており、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636
、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3が、図11(B)に示す充放電制御回
路9634に対応する箇所となる。
太陽電池で発電した電力は、バッテリー9635を充電するための電圧となるようDCD
Cコンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽
電池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ96
37で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部96
31での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリー96
35の充電を行う構成とすればよい。
電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段によるバッ
テリー9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受
信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成
としてもよい。
組み込まれており、表示部8002により映像を表示し、スピーカ部8003から音声を
出力することが可能である。実施の形態1又は2に示すトランジスタを用いて表示部80
02に用いることが可能である。
置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Devic
e)、PDP(Plasma Display Panel)などの、半導体表示装置を
用いることができる。
置8000は、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
介して有線又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)又は双方向(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。
てもよい。テレビジョン装置8000は、実施の形態3乃至5のいずれかに示すメモリや
CPUを用いることが可能である。
ーは、実施の形態5のCPUを用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機8200
は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図12(A)において
、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、CPU8
203は室外機8204に設けられていてもよい。或いは、室内機8200と室外機82
04の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。実施の形態5に示したCPUは
、酸化物半導体を用いたCPUであるため、耐熱性に優れており、信頼性の高いエアコン
ディショナーを実現できる。
る電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室
用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図12(A)では、C
PU8304が、筐体8301の内部に設けられている。実施の形態5に示したCPUを
電気冷凍冷蔵庫8300のCPU8304に用いることによって省電力化が図れる。
0には、二次電池9701が搭載されている(図12(C))。二次電池9701の電力
は、制御回路9702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回
路9702は、図示しないROM、RAM、CPU等を有する処理装置9704によって
制御される。実施の形態5に示したCPUを電気自動車9700のCPUに用いることに
よって省電力化が図れる。
組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報
(加速、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負
荷情報など)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路9
702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エ
ネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合
は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
宜組み合わせて用いることができる。
形態2で示したトランジスタ422と同様の構成を有するトランジスタを作製した。
ス流量50sccm)で、圧力0.6Pa、電源電力(電源出力)200Wとし3分間逆
スパッタリングを行い、表面を平坦化させた。その後、大気開放せずに連続的に、下地絶
縁層として膜厚1000nmの酸化シリコン膜を、スパッタリング法によって成膜した。
酸化シリコン膜の成膜条件は、酸素雰囲気下(流量50sccm)で、圧力0.4Pa、
電源電力(電源出力)1.5kWとし、シリコン基板とターゲットとの間の距離を60m
m、基板温度100℃とした。
MP研磨パッドとしてポリウレタン系研磨布を用い、スラリーとしてはNP8020(ニ
ッタ・ハース株式会社製)の原液(シリカ粒径60nm〜80nm)を用い、スラリー温
度を室温とし、研磨圧0.01MPa、基板を固定している側のスピンドル回転数は60
rpm、研磨布が固定されているテーブル回転数は56rpmとして、2分間処理した。
]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。
入条件は、加速電圧を50kV、ドーズ量を2.0×1016ions/cm2、チルト
角を7°、ツイスト角を72°とした。
ma:誘導結合型プラズマ)エッチング法により、エッチングし、島状に加工した。エッ
チング条件は、エッチングガスとして三塩化ホウ素と塩素の混合ガスを用い(BCl3:
Cl2=60sccm:20sccm)、電源電力450W、バイアス電力100W、圧
力1.9Paとした。
コン膜を膜厚20nmで成膜した。
mのタングステン膜の積層を成膜し、エッチング法によって加工してゲート電極層を形成
した。窒化タンタル膜の成膜条件は、アルゴン及び窒素(Ar:N2=50sccm:1
0sccm)雰囲気下、圧力0.6Pa、電源電力1kWとした。また、タングステン膜
の成膜条件は、アルゴン雰囲気下(流量100sccm)、圧力2.0Pa、電源電力4
kWとし、基板を加熱するために、加熱したアルゴンガスを流量10sccmで流した。
、エッチングガスとして塩素、四フッ化メタン及び酸素の混合ガス(Cl2:CF4:O
2=45sccm:55sccm:55sccm)を用い、電源電力3kW、バイアス電
力110W、圧力0.67Pa、基板温度40℃としてタングステン膜をエッチングした
。その後、第2エッチング条件として、エッチングガスとして塩素ガス(Cl2=100
sccm)を用い、電源電力2kW、バイアス電力50Wとして窒化タンタル膜をエッチ
ングした。
って酸化窒化シリコン膜を膜厚50nmで成膜した。
導体層に、リン(P)イオンを注入して、不純物領域及びチャネル形成領域を自己整合的
に形成した。リン(P)イオンの注入条件は加速電圧70kV、ドーズ量を3.0×10
15ions/cm2、チルト角を7°、ツイスト角を72°とした。
膜した。
窒化シリコン膜をエッチングしてゲート電極層の側面に側壁絶縁層を形成した。CMP処
理の条件は、CMP研磨パッドとしてポリウレタン系研磨布を用い、スラリーとしてはN
P8020(ニッタ・ハース株式会社製)の原液(シリカ粒径60nm〜80nm)を用
い、スラリー温度を室温とし、研磨圧0.08MPa、基板を固定している側のスピンド
ル回転数は51rpm、研磨布が固定されているテーブル回転数は50rpmとして、0
.8分間処理した。
件は、エッチングガスとして三フッ化メタンとヘリウムとメタンの混合ガスを用い(CH
F3:He:CH4=22.5sccm:127.5sccm:5sccm)、電源電力
475W、バイアス電力300W、圧力3.5Paとした。
nmで形成した。タングステン膜の成膜条件は、アルゴン雰囲気下(流量80sccm)
、圧力0.8Pa、電源電力1kWとし、基板を加熱するために、加熱したアルゴンガス
を流量10sccmで流した。
タングステン膜のエッチング条件は、エッチングガスとして塩素、四フッ化メタン及び酸
素の混合ガス(Cl2:CF4:O2=45sccm:55sccm:50sccm)を
用い、電源電力3000W、バイアス電力110W、圧力0.67Pa、基板温度40℃
とした。
化シリコン膜を積層させた。酸化アルミニウム膜はスパッタリング法で成膜し、成膜条件
は、アルゴン及び酸素(Ar:O2=25sccm:25sccm)で、圧力0.4Pa
、電源電力(電源出力)2.5kWとし、基板とターゲットとの間の距離を60mm、基
板温度250℃とした。また、酸化窒化シリコン膜はCVD法によって成膜した。
極層及びドレイン電極層を形成した。CMP処理の条件は、CMP研磨パッドとしてポリ
ウレタン系研磨布を用い、スラリーとしてはNP8020(ニッタ・ハース株式会社製)
の原液(シリカ粒径60nm〜80nm)を用い、スラリー温度を室温とし、研磨圧0.
08MPa、基板を固定している側のスピンドル回転数は51rpm、研磨布が固定され
ているテーブル回転数は50rpmとして、2分間処理した。
コン膜を形成した。
る開口を形成し、該開口にスパッタリング法により膜厚50nmのチタン膜、膜厚300
nmのアルミニウム膜、及び膜厚50nmのチタン膜を形成し、エッチングにより加工し
て、配線層を形成した。チタン膜の成膜条件は、アルゴン雰囲気下(Ar=20sccm
)で、圧力0.1Pa、電源電力1kWとした。また、アルミニウム膜の成膜条件は、ア
ルゴン雰囲気下(Ar=50sccm)で、圧力0.4Pa、電源電力1kWとした。ま
た、エッチング条件は、エッチングガスとして三塩化ホウ素及び塩素の混合ガスを用い(
BCl3:Cl2=60sccm:20sccm)、電源電力450W、バイアス電力1
00W、圧力1.9Paとした。
0℃で1時間の熱処理を行った。
。本実施例ではトランジスタA1として、チャネル長(L)が0.1μm、チャネル幅(
W)が10μmのトランジスタを作製し、トランジスタA2としてチャネル長(L)が0
.35μm、チャネル幅(W)が10μmのトランジスタを作製し、トランジスタA3と
して、チャネル長(L)が9.8μm、チャネル幅(W)が10μmのトランジスタを作
製した。
い比較例トランジスタB(トランジスタB1、B2、B3)を作製した。比較例トランジ
スタBにおいては、ゲート絶縁層を形成後、膜厚460nmの酸化窒化シリコン膜をCV
D法によって成膜し、該酸化窒化シリコン膜を用いて側壁絶縁層を形成した。その他の作
製方法は、トランジスタAと同様の工程を行った。本実施例では比較例トランジスタB1
として、チャネル長(L)が0.1μm、チャネル幅(W)が10μmのトランジスタを
作製し、比較例トランジスタB2としてチャネル長(L)が0.35μm、チャネル幅(
W)が10μmのトランジスタを作製し、比較例トランジスタB3として、チャネル長(
L)が9.8μm、チャネル幅(W)が10μmのトランジスタを作製した。
方向における不純物元素の注入量の計算結果を示す。なお、計算には、TRIM(Tra
nsport of Ion in Matter)と呼ばれるソフトを用いた。TRI
Mはモンテカルロ法によってイオン注入過程の計算を行うためのソフトである。
ける不純物元素の濃度プロファイルである。また、図15(B)は、ゲート電極層の側面
近傍であって、ゲート絶縁層上に設けられた第1の絶縁層の膜厚が130nmの領域にお
ける不純物元素の濃度プロファイルである。また、図15(C)は、図15(B)よりも
ゲート電極層の側面に近く、ゲート絶縁層上に設けられた第1の絶縁層の膜厚が150n
mの領域(ゲート電極層の膜厚分大きくなった領域)における不純物元素の濃度プロファ
イルである。
導体層に含有される不純物濃度に濃度差が形成されることが確認される。本実施例におい
て酸化物半導体層に形成される不純物領域は、チャネル形成領域へ近づく程低濃度の不純
物元素を含有し、その深さ方向の濃度プロファイルは、チャネル形成領域へ近づく程浅い
位置にピークを有している。また、ゲート電極層の側面近傍の第1の絶縁層には不純物元
素が導入されることが確認される。本実施例において、第1の絶縁層に含有される不純物
濃度の最大濃度は、酸化物半導体層に含有される不純物濃度の最大濃度と同等の値であっ
た。
/μmであり、ソース電極層又はドレイン電極層と、酸化物半導体層とのコンタクト抵抗
は、チャネル幅1μmあたり6.3×103Ωであった。一方、比較例トランジスタBの
ソースとドレイン間の抵抗を測定したところ、1.2×1014Ω/μmであり、ソース
電極層又はドレイン電極層と、酸化物半導体層とのコンタクト抵抗は、チャネル幅1μm
あたり1.6×106Ωであった。従って、トランジスタAでは、不純物領域を有さない
比較例トランジスタBよりも大幅に寄生抵抗値が低減されたトランジスタであることが確
認された。
0.1μm、0.35μm又は、1μm、ゲート電圧(Vg)を2.7V、ドレイン電圧
(Vd)を1V、移動度を20cm2/Vsと仮定して、寄生抵抗に対するオン電流の低
下率を算出したグラフを図示する。図16において、寄生抵抗値(REXT)は、ソース
とドレイン間の抵抗(RS/D)と、電極と半導体層とのコンタクト抵抗(RC)の合計
を2倍して得られた値である。また、オン電流(Ion)の低下率は、下記数式(1)に
よって得られる。
される寄生抵抗値は、チャネル長(L)が0.1μmの場合、2.0kΩ/μm以下、チ
ャネル長(L)が0.35μmの場合、7.0kΩ/μm以下、チャネル長(L)が1μ
mの場合、21kΩ/μm以下となる。
満たすため、本実施例のトランジスタは寄生抵抗値の低減されたトランジスタであること
が示された。
、比較例トランジスタB2の電気特性の評価結果であり、図13(C)は、比較例トラン
ジスタB3の電気特性の評価結果である。図13ではそれぞれドレイン電圧(Vd)が1
V、または0.1Vにおけるゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)、及びドレイン
電圧(Vd)が0.1Vにおける電界効果移動度を示す。
、トランジスタA2の電気特性の評価結果であり、図14(C)は、トランジスタA3の
電気特性の評価結果である。図14ではそれぞれドレイン電圧(Vd)が1V、または0
.1Vにおけるゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)、及びドレイン電圧(Vd)
が0.1Vにおける電界効果移動度を示す。
ン電流の中央値(n数=13)は、トランジスタB1において、63μAであり、トラン
ジスタB2において、42μAであり、トランジスタB3において、4.7μAであった
。一方、トランジスタAにおいて、ドレイン電圧を1V、ゲート電圧を3Vとした場合の
オン電流の中央値(n数=13)は、トランジスタA1において、420μAであり、ト
ランジスタA2において、120μAであり、トランジスタA3において、5.6μAと
高い値が得られた。
値(n数=13)は、トランジスタB1において、2.6cm2/Vsであり、トランジ
スタB2において、3.5cm2/Vsであり、トランジスタB3において、20cm2
/Vsであった。一方、ドレイン電圧が0.1Vにおいて、トランジスタAの電界効果移
動度の中央値(n数=13)は、トランジスタA1において、11cm2/Vsであり、
トランジスタA2において、11cm2/Vsであり、トランジスタA3において、26
cm2/Vsと高い値が得られた。
とが示された。
102 領域
104 領域
106 素子分離絶縁層
108 ゲート絶縁層
110 ゲート電極層
116 チャネル形成領域
120 不純物領域
124 金属間化合物領域
128 絶縁層
130 絶縁層
142a 電極層
142b 電極層
144 酸化物半導体層
145 ゲート電極層
146 側壁絶縁層
148 導電層
150 絶縁層
152 絶縁層
156 配線
160 トランジスタ
162 トランジスタ
164 容量素子
185 基板
400 基板
401 ゲート電極層
402 ゲート絶縁層
403 酸化物半導体層
403a 不純物領域
403b 不純物領域
403c チャネル形成領域
405 導電膜
405a ソース電極層
405b ドレイン電極層
407 絶縁層
412 側壁絶縁層
412a 絶縁層
412b 絶縁層
414 絶縁層
415a ソース配線層
415b ドレイン配線層
420 トランジスタ
422 トランジスタ
431 不純物元素
436 下地絶縁層
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
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 トランジスタ
3003a 電極層
3003b 電極層
3003c 電極層
3004 論理回路
3021 本体
3022 固定部
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部メモリスロット
3100a 配線
3100b 配線
3100c 配線
3100d 配線
3106 素子分離絶縁層
3140a 絶縁層
3140b 絶縁層
3141a 絶縁層
3141b 絶縁層
3142a 絶縁層
3142b 絶縁層
3170a メモリセル
3170b メモリセル
3171a トランジスタ
3171b トランジスタ
3303 電極層
3400 メモリセルアレイ
3501a 電極層
3501b 電極層
3501c 電極層
3502a 電極層
3502b 電極層
3502c 電極層
3503a 電極層
3503b 電極層
3505 電極層
8000 テレビジョン装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
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
9000 テーブル
9001 筐体
9002 脚部
9003 表示部
9004 表示ボタン
9005 電源コード
9033 留め具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9201 本体
9202 筐体
9203 表示部
9204 キーボード
9205 外部接続ポート
9206 ポインティングデバイス
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (1)
- 酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の、ゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上の、ゲート電極層と、
前記ゲート電極層の側面に接する側壁絶縁層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続された、ソース電極層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続された、ドレイン電極層と、を有し、
前記酸化物半導体層は、
第1の領域と、
チャネル形成領域と、
第2の領域と、
前記第1の領域と前記チャネル形成領域との間に第3の領域と、
前記第2の領域と前記チャネル形成領域との間に第4の領域と、を有し、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層は、前記側壁絶縁層、前記ゲート絶縁層の側面、及び前記酸化物半導体層の上面の一部に接し、
前記側壁絶縁層、前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域、及び前記第4の領域は、元素を有し、
前記元素は、希ガス、リン、砒素、アンチモン、ホウ素、アルミニウム、タングステン、モリブデン、窒素、フッ素、塩素、チタン、炭素、又は亜鉛であり、
前記第1の領域の前記元素の濃度は、前記第3の領域の前記元素の濃度よりも高く、
前記第2の領域の前記元素の濃度は、前記第4の領域の前記元素の濃度よりも高い半導体装置。
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