JP7237822B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、半導体装置、および半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device. Alternatively, one aspect of the present invention relates to semiconductor wafers, modules, and electronic devices.
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置(液晶表示装置、発光表示装置など)、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。 Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor element such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are examples of semiconductor devices. A display device (such as a liquid crystal display device or a light-emitting display device), a projection device, a lighting device, an electro-optical device, a power storage device, a memory device, a semiconductor circuit, an imaging device, an electronic device, or the like can be said to include a semiconductor device in some cases.
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. One embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter.
近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウエ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およびメモリ)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。 In recent years, semiconductor devices have been developed, and LSIs, CPUs, and memories are mainly used. A CPU is an aggregate of semiconductor elements having semiconductor integrated circuits (at least transistors and memories) separated from a semiconductor wafer and having electrodes as connection terminals formed thereon.
LSIやCPUやメモリなどの半導体回路(ICチップ)は、回路基板、例えばプリン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。 2. Description of the Related Art Semiconductor circuits (IC chips) such as LSIs, CPUs, and memories are mounted on circuit boards, such as printed wiring boards, and used as one of the components of various electronic devices.
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当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。 Also, a technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface is attracting attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices). Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。 Further, it is known that a transistor including an oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conducting state. For example, a low-power-consumption CPU and the like that utilize the low leakage current characteristic of a transistor including an oxide semiconductor have been disclosed (see Patent Document 1).
また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタが提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている(特許文献2参照)。 As a transistor including an oxide semiconductor, a self-aligned transistor has been proposed. As the self-aligned transistor, a metal film is formed over the source region and the drain region, and heat treatment is performed on the metal film to increase the resistance of the metal film and reduce the resistance of the source region and the drain region. A method for making it possible is disclosed (see Patent Document 2).
また、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法として、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成したのち熱処理を行い、その後、当該金属膜を通過してドーパントを導入することで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている(特許文献3参照)。 Further, as a method for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor, a metal film is formed over a source region and a drain region, heat treatment is performed, and then a dopant is introduced through the metal film. A method for reducing the resistance of the drain region is disclosed (see Patent Document 3).
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。 In recent years, as electronic devices have become smaller and lighter, there has been an increasing demand for integrated circuits in which transistors and the like are densely integrated. In addition, there is a demand for improvement in productivity of semiconductor devices including integrated circuits.
特許文献2においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸化物半導体膜中から金属膜が酸素を引き抜く作用が低い。 In
また、特許文献2においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されているが、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形成領域の高純度化(水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水・脱水素化)が行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があった。なお、ノーマリーオンのトランジスタ特性とは、ゲートに電位を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。一方でノーマリーオフのトランジスタ特性とは、ゲートに電位を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。 Moreover, although
上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。 In view of the above problem, one embodiment of the present invention provides a semiconductor device having favorable electrical characteristics by stably reducing the resistance of a source region and a drain region of a transistor and highly purifying a channel formation region. One of the tasks is to
または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。 Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with favorable electrical characteristics. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high productivity.
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of holding data for a long time. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device in which data can be written at high speed. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a high degree of freedom in design. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can consume less power. An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 The description of these problems does not preclude the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily solve all of these problems. Problems other than these are self-evident from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract problems other than these from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. is.
本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の導電体と、第1の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第2の絶縁体と、酸化物、第2の絶縁体、及び導電体上に配置した金属原子を有する層と、を有し、酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域と、を有し、第1の領域は、第1の絶縁体と重畳し、第2の領域は、金属原子を有する層と重畳し、かつ、金属化合物を有し、第3の領域は、第2の絶縁体と重畳する領域を有し、第2の領域は、第1の領域及び第3の領域よりも酸素濃度が低く、第3の領域は、第1の領域の酸素濃度と、第2の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有する半導体装置である。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor including an oxide, a first insulator over the oxide, a conductor over the first insulator, and the first insulator. and a second insulator disposed on the side surface of the conductor, and a layer having an oxide, the second insulator, and metal atoms disposed on the conductor, wherein the oxide is the second insulator. a first region, a second region, and a third region located between the first region and the second region, the first region overlapping the first insulator; The second region overlaps with the layer having metal atoms and has a metal compound, the third region has a region that overlaps with the second insulator, and the second region overlaps the first and the third region, and the third region has a portion with an oxygen concentration between the oxygen concentration of the first region and the oxygen concentration of the second region. be.
また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の導電体と、第1の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第2の絶縁体と、を有し、酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域と、を有し、第1の領域は、第1の絶縁体と重畳し、第2の領域は、金属化合物を有し、第3の領域は、第2の絶縁体と重畳する領域を有し、第2の領域は、第1の領域及び第3の領域よりも酸素濃度が低く、第3の領域は、第1の領域の酸素濃度と、第2の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有する半導体装置である。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor including an oxide, a first insulator over the oxide, a conductor over the first insulator, and a first insulator. and a second insulator disposed on the side of the conductor, wherein the oxide comprises a first region, a second region, and the first region and the second region; a third region located therebetween, the first region overlapping the first insulator, the second region comprising a metal compound, the third region overlapping the second insulator; The second region has a lower oxygen concentration than the first region and the third region, and the third region has the oxygen concentration of the first region and the second region. The semiconductor device has a portion having an oxygen concentration between that of the region.
また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の導電体と、第1の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第2の絶縁体と、酸化物、第2の絶縁体、及び導電体上に配置した金属原子を有する層と、金属原子を有する層上に配置した第3の絶縁体と、第3の絶縁体上に配置した第4の絶縁体と、を有し、第4の絶縁体は、第2の絶縁体よりも、炭素が少なく、第3の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域と、を有し、第1の領域は、第1の絶縁体と重畳し、第2の領域は、金属原子を有する層と重畳し、かつ、金属化合物を有し、第3の領域は、第2の絶縁体と重畳する領域を有し、第2の領域は、第1の領域及び第3の領域よりも低抵抗であり、第1の領域は、第3の領域よりも高抵抗である。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor including an oxide, a first insulator over the oxide, a conductor over the first insulator, and a first insulator. a second insulator arranged on a side surface of the insulator and a side surface of the conductor; a layer containing metal atoms arranged over the oxide, the second insulator, and the conductor; a third insulator disposed on the third insulator; and a fourth insulator disposed on the third insulator, the fourth insulator having less carbon than the second insulator; The insulator has an excess oxygen region, and the oxide has a first region, a second region, and a third region located between the first and second regions. the first region overlaps the first insulator, the second region overlaps the layer having metal atoms and has a metal compound, and the third region overlaps the second insulator The second region has a lower resistance than the first region and the third region, and the first region has a higher resistance than the third region.
また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の導電体と、第1の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第2の絶縁体と、酸化物、第2の絶縁体、及び導電体上に配置した第3の絶縁体と、第3の絶縁体上に配置した第4の絶縁体と、を有し、第4の絶縁体は、第2の絶縁体よりも、炭素が少なく、第3の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域と、を有し、第1の領域は、第1の絶縁体と重畳し、第2の領域は、金属化合物を有し、第3の領域は、第2の絶縁体と重畳する領域を有し、第2の領域は、第1の領域及び第3の領域よりも低抵抗であり、第1の領域は、第3の領域よりも高抵抗である。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor including an oxide, a first insulator over the oxide, a conductor over the first insulator, and a first insulator. a second insulator disposed on a side surface of the insulator and a side surface of the conductor; a third insulator disposed on the oxide, the second insulator, and the conductor; and a disposed fourth insulator, the fourth insulator having less carbon than the second insulator, the third insulator having excess oxygen regions, and the oxide comprising: a first region, a second region, and a third region located between the first region and the second region, the first region overlapping the first insulator; , the second region has a metal compound, the third region has a region overlapping the second insulator, the second region lower than the first region and the third region resistance, and the first region has a higher resistance than the third region.
また、上記において、酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有する。 In the above, the oxide includes In, element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素Mの値よりもInの値の方が大きい。 In the above, the oxide has a larger In value than the element M in atomic number ratio.
また、上記において、金属化合物は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する。 In the above, the metal compound contains at least one of aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten.
また、上記において、第2の領域は、窒素を有する。 Also, in the above, the second region contains nitrogen.
また、上記において、第1の領域は、第2の領域よりも水素濃度が低い。 Further, in the above, the first region has a lower hydrogen concentration than the second region.
また、上記において、第1の領域は、第2の領域及び第3の領域よりも水素濃度が低い。 Further, in the above, the first region has a lower hydrogen concentration than the second region and the third region.
また、上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型である。 Further, in the above, the transistor is a normally-off type.
また、上記において、金属化合物は、第2の領域と混合する部分を有する。 Moreover, in the above, the metal compound has a portion that mixes with the second region.
また、上記において、金属化合物は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する。 In the above, the metal compound contains at least one of aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten.
また、上記において、金属化合物は、アルミニウム及びチタンを有する。 Also, in the above, the metal compound includes aluminum and titanium.
また、上記において、金属化合物は、窒素を有する。 In addition, in the above, the metal compound contains nitrogen.
また、上記において、金属化合物は、窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有する。 Moreover, in the above, the metal compound contains either one or both of nitrogen and oxygen.
また、上記において、金属化合物は、0.5nm以上5nm未満である。 In the above, the metal compound has a thickness of 0.5 nm or more and less than 5 nm.
また、上記において、第2の絶縁体が含む炭素、および第4の絶縁体が含む炭素は、X線光電子分光法により測定される。 Further, in the above, the carbon contained in the second insulator and the carbon contained in the fourth insulator are measured by X-ray photoelectron spectroscopy.
本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第2の絶縁体および第3の絶縁体と、第2の絶縁体上の導電体と、第3の絶縁体上の第4の絶縁体と、第2の絶縁体、導電体、第3の絶縁体、および第4の絶縁体を介して、酸化物上に設けられた第5の絶縁体と、第5の絶縁体上に設けられた第6の絶縁体と、を有し、酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域と、を有し、第1の領域は、第2の絶縁体と重畳する領域を有し、第3の領域は、第3の絶縁体および第4の絶縁体と重畳する領域を有し、第2の領域は、第1の領域および第3の領域よりも酸素濃度が低く、第3の領域は、第1の領域の酸素濃度と、第2の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有し、第3の絶縁体は、第2の絶縁体および導電体の側面と、に接する領域を有し、第4の絶縁体は、第3の絶縁体を介して、第2の絶縁体および前記導電体の側面と向かい合う領域を有する、半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor, wherein the transistor includes a first insulator, an oxide over the first insulator, a second insulator over the oxide, and a second insulator. 3 insulators, a conductor on the second insulator, a fourth insulator on the third insulator, the second insulator, the conductor, the third insulator, and the fourth insulator a fifth insulator provided over the oxide with an insulator interposed therebetween, and a sixth insulator provided over the fifth insulator, the oxide being in contact with the first region; , a second region and a third region located between the first region and the second region, the first region having a region overlapping the second insulator; The third region has a region overlapping with the third insulator and the fourth insulator, the second region has a lower oxygen concentration than the first region and the third region, and the third region has a lower oxygen concentration than the first region and the third region. The region has a portion with an oxygen concentration between the oxygen concentration of the first region and the oxygen concentration of the second region, and the third insulator flanks the second insulator and the conductor. , and the fourth insulator has a region facing the side surfaces of the second insulator and the conductor with the third insulator interposed therebetween.
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第2の絶縁体、第1の膜、および第3の絶縁体と、第2の絶縁体上の導電体と、第3の絶縁体上の第4の絶縁体と、第2の絶縁体、導電体、第3の絶縁体、および第4の絶縁体を介して、酸化物上に設けられた第5の絶縁体と、第5の絶縁体上に設けられた第6の絶縁体と、を有し、酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域と、を有し、第1の領域は、第2の絶縁体と重畳する領域を有し、第3の領域は、第3の絶縁体および第4の絶縁体と重畳する領域を有し、第2の領域は、第1の領域および第3の領域よりも酸素濃度が低く、第3の領域は、第1の領域の酸素濃度と、第2の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有し、第1の膜は、第2の領域と接して設けられ、第3の絶縁体は、第2の絶縁体および導電体の側面と、に接する領域を有し、第4の絶縁体は、第3の絶縁体を介して、第2の絶縁体および導電体の側面と向かい合う領域を有する、半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor including a first insulator, an oxide over the first insulator, and a second insulator over the oxide. , a first film, a third insulator, a conductor over the second insulator, a fourth insulator over the third insulator, the second insulator, the conductor, the third and a fourth insulator, a fifth insulator provided over the oxide, and a sixth insulator provided over the fifth insulator; The article has a first region, a second region, and a third region located between the first region and the second region, the first region being a second insulator. and the third region has a region that overlaps with a third insulator and a fourth insulator, and the second region has a region that overlaps with the first region and the third region. The oxygen concentration is low, the third region has a portion with an oxygen concentration between the oxygen concentration of the first region and the oxygen concentration of the second region, and the first film has the oxygen concentration of the second region The third insulator has a region in contact with the side surfaces of the second insulator and the conductor, and the fourth insulator is provided in contact with the second insulator via the third insulator. a semiconductor device having a region facing side surfaces of an insulator and a conductor.
また、上記において、第3の絶縁体は、第1の絶縁体の上面と接する領域を有していてもよい。 In the above, the third insulator may have a region in contact with the upper surface of the first insulator.
また、上記において、酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有していてもよい。 In the above, the oxide may contain In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素Mの値よりもInの値の方が大きくてもよい。 In the above, the oxide may have a larger In value than the element M in terms of atomic number ratio.
また、上記において、第2の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有していてもよい。 In the above, the second region may contain at least one of aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten.
また、上記において、第2の領域は、さらに窒素を有していてもよい。 Moreover, in the above, the second region may further contain nitrogen.
また、上記において、第1の領域は、記第2の領域よりも水素濃度が低くてもよい。 Further, in the above, the first region may have a lower hydrogen concentration than the second region.
また、上記において、第1の領域は、第2の領域および第3の領域よりも水素濃度が低くてもよい。 Further, in the above, the first region may have a lower hydrogen concentration than the second region and the third region.
また、上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型であってもよい。 Further, in the above, the transistor may be of a normally-off type.
また、上記において、第1の膜は、第2の領域と混合する部分を有していてもよい。 Moreover, in the above, the first film may have a portion that is mixed with the second region.
また、上記において、第1の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有していてもよい。 In the above, the first film may contain at least one of aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten.
また、上記において、第1の膜は、アルミニウムおよびチタンを有していてもよい。 Further, in the above, the first film may contain aluminum and titanium.
また、上記において、第1の膜は、さらに窒素および酸素のいずれか一方または双方を有していてもよい。 Moreover, in the above, the first film may further contain either one or both of nitrogen and oxygen.
また、上記において、第1の膜は、0.5nm以上5nm未満であってもよい。 In the above, the first film may have a thickness of 0.5 nm or more and less than 5 nm.
また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置の作製方法であって、トランジスタは、第1の領域、第2の領域、ならびに第1の領域および第2の領域の間に位置する第3の領域を含む酸化物と、酸化物上の第1の絶縁体および第2の絶縁体と、第1の絶縁体上の導電体と、第2の領域と重畳して第2の絶縁体上に設けられ、かつ、第1の絶縁体および導電体の側面に接する第3の絶縁体と、酸化物、第1の絶縁体、導電体、第2の絶縁体、および第3の絶縁体上の第4の絶縁体と、第4の絶縁体上の第5の絶縁体と、を有し、酸化物、第1の絶縁体、導電体、第2の絶縁体、および第3の絶縁体を覆い、かつ第2の領域に接するように金属を含む第1の膜を形成し、少なくとも、酸化物および第1の膜に対して、窒素を含む雰囲気で第1の加熱処理を行うことで、第2の領域に含まれる酸素が第1の膜に引き抜かれる、半導体装置の作製方法である。 Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a transistor, wherein the transistor includes a first region, a second region, and a region between the first region and the second region. a first insulator and a second insulator over the oxide; a conductor over the first insulator; a conductor over the first insulator; a third insulator provided over the insulator and in contact with side surfaces of the first insulator and the conductor; a fourth insulator-on-insulator and a fifth insulator-on-fourth insulator, comprising an oxide, a first insulator, a conductor, a second insulator, and a third insulator; forming a first film containing a metal so as to cover the insulator and in contact with the second region; and subjecting at least the oxide and the first film to a first heat treatment in an atmosphere containing nitrogen. This is a method for manufacturing a semiconductor device, in which oxygen contained in the second region is extracted into the first film by performing the process.
また、上記において、第1の膜は、アルゴン、窒素、および窒素より選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成されてもよい。 In the above, the first film may be formed by a sputtering method using one or more gases selected from argon, nitrogen, and nitrogen.
また、上記において、第1の加熱処理後に、第1の膜を除去してもよい。 Further, in the above, the first film may be removed after the first heat treatment.
また、上記において、第1の加熱処理の後に、さらに第2の加熱処理を行ってもよい。 Further, in the above, the second heat treatment may be performed after the first heat treatment.
また、上記において、第1の膜の除去後に、第4の絶縁体および第5の絶縁体を形成してもよい。 Further, in the above, the fourth insulator and the fifth insulator may be formed after removing the first film.
本発明の他の一態様は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、トランジスタは、第1の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第2の絶縁体と、第2の絶縁体上の第1の導電体と、第1の導電体上の第3の絶縁体と、第2の絶縁体、第1の導電体、及び第3の絶縁体に接する、第4の絶縁体と、第4の絶縁体に接する、第5の絶縁体と、を有し、酸化物は、第2の絶縁体と重なる第1の領域と、第4の絶縁体と重なる第2の領域と、第2の領域に接する第3の領域と、を有し、第3の領域は、第1の領域及び第2の領域よりも酸素濃度が低く、第2の領域は、第1の領域よりも酸素濃度が低く、配線は、第5の絶縁体と接し、且つ第3の領域と電気的に接続される、半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including an oxide in a channel formation region, the semiconductor device including a transistor and a wiring, the transistor including an oxide over a first insulator and an oxide over a first insulator. a second insulator on the top, a first conductor on the second insulator, a third insulator on the first conductor, the second insulator, the first conductor, and a fourth insulator in contact with the third insulator; and a fifth insulator in contact with the fourth insulator, wherein the oxide and the first region overlap with the second insulator; , a second region overlapping the fourth insulator and a third region contacting the second region, the third region having a higher oxygen concentration than the first region and the second region The second region has a lower oxygen concentration than the first region, and the wiring is in contact with the fifth insulator and electrically connected to the third region.
また、本発明の他の一態様は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、トランジスタは、第1の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第2の絶縁体および第1の膜と、第2の絶縁体上の第1の導電体と、第1の導電体上の第3の絶縁体と、第2の絶縁体、第1の導電体、及び第3の絶縁体に接する、第4の絶縁体と、第4の絶縁体に接する、第5の絶縁体と、を有し、酸化物は、第2の絶縁体と重なる第1の領域と、第4の絶縁体と重なる第2の領域と、第2の領域に接する第3の領域と、を有し、第1の膜は、第3の領域と接して設けられ、第3の領域は、第1の領域及び第2の領域よりも酸素濃度が低く、第2の領域は、第1の領域よりも酸素濃度が低く、配線は、第5の絶縁体と接し、且つ第3の領域と電気的に接続される、ことを特徴とする半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including an oxide in a channel formation region, the semiconductor device including a transistor and a wiring, the transistor including an oxide over a first insulator; a second insulator and a first film on oxide; a first conductor on the second insulator; a third insulator on the first conductor; a second insulator; a fourth insulator in contact with the first conductor and the third insulator; and a fifth insulator in contact with the fourth insulator, wherein the oxide is the second insulator a first region overlapping with the fourth insulator; a second region overlapping with the fourth insulator; and a third region in contact with the second region, wherein the first film is in contact with the third region wherein the third region has a lower oxygen concentration than the first region and the second region, the second region has a lower oxygen concentration than the first region, and the wiring is a fifth insulator and electrically connected to the third region.
また、上記において、酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を含む、半導体装置である。 In the above, the oxide is a semiconductor device containing In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素Mの値よりもInの値の方が大きい、半導体装置である。 In the above, the oxide is a semiconductor device in which the value of In is greater than the value of the element M in terms of atomic number ratio.
また、上記において、第3の領域は、第2の領域より、キャリア密度が高く、第2の領域は、第1の領域より、キャリア密度が高い、半導体装置である。 In the semiconductor device described above, the third region has a higher carrier density than the second region, and the second region has a higher carrier density than the first region.
また、上記において、第3の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、半導体装置である。 Further, in the above, the third region is the semiconductor device containing at least one of aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten.
また、上記において、第3の領域は、さらに窒素を有する、半導体装置である。 Further, in the above, the third region is a semiconductor device further containing nitrogen.
また、上記において、第1の領域は、第2の領域よりも水素濃度が低い、半導体装置である。 Further, in the above, the first region is a semiconductor device having a lower hydrogen concentration than the second region.
また、上記において、第1の領域は、第2の領域及び第3の領域よりも水素濃度が低い、半導体装置である。 Further, in the above, the first region is a semiconductor device having a lower hydrogen concentration than the second region and the third region.
また、上記において、第5の絶縁体は、金属酸化物を含む、半導体装置である。 Further, in the above, the fifth insulator is a semiconductor device containing a metal oxide.
また、上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型である、ことが好ましい。 Further, in the above, the transistor is preferably of a normally-off type.
また、上記において、第1の膜は、第3の領域と混合する部分を有する、ことが好ましい。 Moreover, in the above, it is preferable that the first film has a portion that is mixed with the third region.
また、上記において、第1の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことが好ましい。 In the above, the first film preferably contains at least one of aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten.
また、上記において、第1の膜は、アルミニウム及びチタンを有してもよい。 Further, in the above, the first film may contain aluminum and titanium.
また、上記において、第1の膜は、さらに窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有していることが好ましい。 Moreover, in the above, the first film preferably further contains either one or both of nitrogen and oxygen.
また、上記において、第1の膜は、0.5nm以上5nm未満である、ことが好ましい。 Moreover, in the above, the first film preferably has a thickness of 0.5 nm or more and less than 5 nm.
また、本発明の他の一態様は、基板上に第1の絶縁体を形成し、第1の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、酸化物層の上に、第1の絶縁膜、第1の導電膜および第2の絶縁膜を順に成膜し、第1の絶縁膜、第1の導電膜および第2の絶縁膜を加工して、第2の絶縁体、第1の導電体、第3の絶縁体を形成し、第1の絶縁体、酸化物層、第2の絶縁体、第1の導電体、第3の絶縁体を覆って、第3の絶縁膜および第4の絶縁膜を順に成膜し、第3の絶縁膜および第4の絶縁膜を加工することで、第2の絶縁体、第1の導電体および第3の絶縁体に接する、第4の絶縁体と、第4の絶縁体に接する第5の絶縁体と、を形成し、第1の絶縁体、酸化物層および第5の絶縁体に接する、金属を含む第1の膜を形成し、窒素を含む雰囲気で加熱処理を行い、第1の膜を除去し、第1の絶縁体、酸化物層および第5の絶縁体上に第6の絶縁体を形成し、第6の絶縁体に開口を形成し、開口を埋めるように第2の導電体を形成する、半導体装置の作製方法である。 In another embodiment of the present invention, a first insulator is formed over a substrate, an oxide layer is formed over the first insulator, and a first insulator is formed over the oxide layer. A film, a first conductive film, and a second insulating film are formed in this order, and the first insulating film, the first conductive film, and the second insulating film are processed to form a second insulator and a first insulating film. forming a conductor and a third insulator; covering the first insulator, the oxide layer, the second insulator, the first conductor, and the third insulator; 4 insulating films are formed in order, and the third insulating film and the fourth insulating film are processed to form a fourth insulating film in contact with the second insulator, the first conductor, and the third insulator. forming an insulator and a fifth insulator in contact with the fourth insulator, and forming a first film containing a metal in contact with the first insulator, the oxide layer, and the fifth insulator; , heat treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen, the first film is removed, a sixth insulator is formed over the first insulator, the oxide layer, and the fifth insulator; and forming a second conductor to fill the opening.
また、上記において、第1の膜は、アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成されることが好ましい。 Further, in the above, the first film is preferably formed by a sputtering method using one or more gases selected from argon, nitrogen, and oxygen.
また、上記において、加熱処理を行うことで、酸化物層の酸化物層と、第1の膜と、が接する領域において、領域に含まれる酸素が第1の膜に引き抜かれることが好ましい。 Further, in the above, it is preferable that oxygen contained in a region where the oxide layer of the oxide layer is in contact with the first film is extracted into the first film by performing the heat treatment.
また、上記において、加熱処理の後に、少なくとも酸化物、第1の絶縁体、第3の絶縁体、第4の絶縁体および第5の絶縁体を覆う第2の膜を形成してもよい。 In the above, after the heat treatment, a second film covering at least the oxide, the first insulator, the third insulator, the fourth insulator, and the fifth insulator may be formed.
また、上記において、開口は、第5の絶縁体の一部、酸化物層の上面、および酸化物層の側面の少なくとも一部が露出するように形成されることが好ましい。 Further, in the above, the opening is preferably formed so that part of the fifth insulator, the top surface of the oxide layer, and at least part of the side surface of the oxide layer are exposed.
また、上記において、第3の絶縁膜および第4の絶縁膜の加工は、ドライエッチング法を用いた異方性エッチングにより行うことが好ましい。 Further, in the above, the third insulating film and the fourth insulating film are preferably processed by anisotropic etching using a dry etching method.
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。 Alternatively, a semiconductor device capable of holding data for a long time can be provided. Alternatively, a semiconductor device in which information can be written at high speed can be provided. Alternatively, a semiconductor device with a high degree of freedom in design can be provided. Alternatively, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device can be provided.
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not preclude the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not need to have all of these effects. Effects other than these are self-evident from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract effects other than these from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. is.
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなく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。したがって、本発明は、以下の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。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Those skilled in the art will readily appreciate, however, that the embodiments can be embodied in many different forms and that various changes in form and detail can be made therein without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。また、図面において、同一部分または同様な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場合がある。また、同様の機能を指す場合には、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。 Also, in the drawings, sizes, layer thicknesses, or regions may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, layers, resist masks, and the like may be unintentionally reduced due to processing such as etching, but are sometimes omitted for ease of understanding. In addition, in the drawings, the same reference numerals may be used in common for the same parts or parts having similar functions, and repeated description thereof may be omitted. Moreover, when referring to similar functions, the hatch patterns may be the same and no particular reference numerals may be attached.
また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。 In particular, in top views (also referred to as “plan views”) and perspective views, description of some components may be omitted in order to facilitate understanding of the invention. Also, description of some hidden lines may be omitted.
また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 In this specification and the like, ordinal numbers such as first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of stacking. Therefore, for example, "first" can be appropriately replaced with "second" or "third". Also, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one aspect of the present invention.
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In this specification and the like, terms such as “above” and “below” are used for convenience in order to describe the positional relationship between configurations with reference to the drawings. In addition, the positional relationship between the configurations changes appropriately according to the direction in which each configuration is drawn. Therefore, it is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased according to the situation.
例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 For example, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, X and Y function This specification and the like disclose the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are directly connected. Therefore, it is assumed that the connection relationships other than the connection relationships shown in the drawings or the text are not limited to the predetermined connection relationships, for example, the connection relationships shown in the drawings or the text.
ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are objects (for example, devices, elements, circuits, wiring, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 An example of the case where X and Y are directly connected is an element (for example, switch, transistor, capacitive element, inductor, resistive element, diode, display element) that enables electrical connection between X and Y. element, light-emitting element, load, etc.) is not connected between X and Y, and an element that enables electrical connection between X and Y (e.g., switch, transistor, capacitive element, inductor , resistance element, diode, display element, light emitting element, load, etc.).
XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 An example of the case where X and Y are electrically connected is an element that enables electrical connection between X and Y (for example, switch, transistor, capacitive element, inductor, resistive element, diode, display elements, light emitting elements, loads, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of being controlled to be turned on and off. In other words, the switch has a function of controlling whether it is in a conducting state (on state) or a non-conducting state (off state) to allow current to flow. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.
XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit that enables functional connection between X and Y (eg, a logic circuit (inverter, NAND circuit, NOR circuit, etc.), a signal conversion Circuits (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (booster circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes the potential level of a signal, etc.), voltage source, current source, switching Circuits, amplifier circuits (circuits that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifiers, differential amplifier circuits, source follower circuits, buffer circuits, etc.), signal generation circuits, memory circuits, control circuits, etc.) One or more connections can be made between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, when a signal output from X is transmitted to Y, X and Y are considered to be functionally connected. do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネルが形成される領域を有しており、チャネルが形成される領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネルが形成される領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. It has a region in which a channel is formed between the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode) and the source (source terminal, source region, or source electrode), and through the region in which the channel is formed, A current can flow between the source and the drain. Note that in this specification and the like, a region where a channel is formed means a region where current mainly flows.
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、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、本明細書等においては、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場合がある。 Also, the functions of the source and the drain may be interchanged when using transistors of different polarities or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms "source" and "drain" can be used interchangeably in some cases.
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion of the semiconductor in which current flows when the transistor is on) overlaps with a gate electrode in a top view of a transistor, or a region where a channel is formed. The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in Note that the channel length does not always have the same value in all regions of one transistor. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.
チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネルが形成される領域の長さを言う。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, in a top view of a transistor, a region in which a semiconductor (or a portion of the semiconductor in which current flows when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a region in which a channel is formed. Refers to the length of the region in which the channel is formed in the vertical direction with respect to the channel length direction. Note that the channel width does not always have the same value in all regions of one transistor. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルが形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter also referred to as the “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor (hereinafter referred to as the “apparent channel width”). (also referred to as "channel width") and may differ. For example, when the gate electrode covers the side surface of the semiconductor, the effective channel width becomes larger than the apparent channel width, and its influence cannot be ignored. For example, in a fine transistor in which a gate electrode covers the side surface of a semiconductor, the proportion of the channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 In such a case, it may be difficult to estimate the effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from design values, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width if the shape of the semiconductor is not accurately known.
そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, the apparent channel width is sometimes referred to as "surrounded channel width (SCW)". In addition, in this specification, simply referring to the channel width may refer to the enclosing channel width or the apparent channel width. Alternatively, in this specification, simply referring to the channel width may refer to the effective channel width. The values of the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosing channel width, etc. can be determined by analyzing cross-sectional TEM images or the like.
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のDOS(Density of States)が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。 Note that impurities in a semiconductor refer to, for example, substances other than the main components that constitute the semiconductor. For example, an element whose concentration is less than 0.1 atomic percent can be said to be an impurity. When impurities are contained, for example, the DOS (Density of States) of the semiconductor may increase, the crystallinity may decrease, and the like. When the semiconductor is an oxide semiconductor, impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example,
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。 Note that in this specification and the like, a silicon oxynitride film contains more oxygen than nitrogen as its composition. For example, oxygen is preferably 55 atomic % or more and 65 atomic % or less, nitrogen is 1 atomic % or more and 20 atomic % or less, silicon is 25 atomic % or more and 35 atomic % or less, and hydrogen is 0.1 atomic % or more and 10 atomic % or less. It refers to what is included in the concentration range. A silicon nitride oxide film contains more nitrogen than oxygen in its composition. For example, preferably nitrogen is 55 atomic % or more and 65 atomic % or less, oxygen is 1 atomic % or more and 20 atomic % or less, silicon is 25 atomic % or more and 35 atomic % or less, and hydrogen is 0.1 atomic % or more and 10 atomic % or less. It refers to what is included in the concentration range.
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In this specification and the like, the terms “film” and “layer” can be used interchangeably. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive film." Or, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。 In this specification and the like, the term “insulator” can be replaced with an insulating film or an insulating layer. Also, the term “conductor” can be replaced with a conductive film or a conductive layer. Also, the term "semiconductor" can be interchanged with a semiconductor film or a semiconductor layer.
また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、nチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧(「Vth」ともいう。)は、明示されている場合を除き、0Vよりも大きいものとする。 In addition, transistors described in this specification and the like are field-effect transistors unless otherwise specified. In addition, transistors described in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, its threshold voltage (also referred to as "Vth") is assumed to be higher than 0 V unless otherwise specified.
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が-10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、-5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が-30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 In this specification and the like, "parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10° or more and 10° or less. Therefore, the case of −5° or more and 5° or less is also included. Also, "substantially parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30° or more and 30° or less. "Perpendicular" means that two straight lines are arranged at an angle of 80° or more and 100° or less. Therefore, the case of 85° or more and 95° or less is also included. In addition, "substantially perpendicular" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60° or more and 120° or less.
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 Also, in this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is expressed as a hexagonal system.
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。 In this specification, a barrier film is a film having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, and when the barrier film has conductivity, it is called a conductive barrier film. There is
本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、OS FETあるいはOSトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。 In this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in broad terms. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors or simply OSs), and the like. For example, when a metal oxide is used for an active layer of a transistor, the metal oxide is sometimes called an oxide semiconductor. In other words, an OS FET or an OS transistor can also be referred to as a transistor including an oxide or an oxide semiconductor.
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅1μmあたりの電流が、室温において1×10-20A以下、85℃において1×10-18A以下、または125℃において1×10-16A以下であることをいう。In this specification and the like, the term “normally off” means that a current per 1 μm of channel width flowing through a transistor when no voltage is applied to the gate or a ground potential is applied to the gate is 1×10 −20 at room temperature. A or less, 1×10 −18 A or less at 85° C., or 1×10 −16 A or less at 125° C.
(実施の形態1)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Aを有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 1)
An example of a semiconductor device including the
<半導体装置の構成例>
図1(A)、図1(B)、図1(C)、および図1(D)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200A、およびトランジスタ200A周辺の上面図および断面図である。<Structure example of semiconductor device>
1A, 1B, 1C, and 1D are a top view and a cross-sectional view of a
図1(A)は、トランジスタ200Aを有する半導体装置の上面図である。また、図1(B)、図1(C)、および図1(D)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図1(B)は、図1(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Aのチャネル長方向の断面図でもある。また、図1(C)は、図1(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Aのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図1(D)は、図1(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Aのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 1A is a top view of a semiconductor device including a
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200Aと、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284と、を有する。また、トランジスタ200Aと電気的に接続し、配線として機能する導電体203と、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、および導電体240b)と、を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
なお、導電体203は、絶縁体212の開口の内壁に接して導電体203の第1の導電体が形成され、さらに内側に導電体203の第2の導電体が形成されている。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体203の第1の導電体および導電体203の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。 Note that a first conductor of the
また、導電体240は、絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体284の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体284の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体240が2層の積層構造である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240は、単層、または3層以上の積層構造でもよい。 The
[トランジスタ200A]
図1に示すように、トランジスタ200Aは、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された金属酸化物252と、金属酸化物252の上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、絶縁体270上に配置された絶縁体271と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面と接して配置された絶縁体275と、酸化物230上、および絶縁体275上に配置された層242と、層242上に配置された絶縁体273と、絶縁体273上に配置された絶縁体274と、を有する。[
As shown in FIG. 1,
なお、トランジスタ200Aでは、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ200Aでは、導電体260aおよび導電体260bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。 Note that although the
また、トランジスタ200Aは、チャネルが形成される領域(以下、チャネル形成領域ともいう。)を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。 In the
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200Aは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200Aに用いることができる。 Since the
例えば、酸化物230として、In-M-Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物230として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。 For example, as the
ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。 Here, the oxide semiconductor forms a metal compound with low resistance by adding metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten in addition to the elements constituting the oxide semiconductor. become Note that it is preferable to use aluminum, titanium, tantalum, tungsten, or the like.
酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。 In order to add a metal element to an oxide semiconductor, for example, a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element is preferably provided over the oxide semiconductor. Further, when the film is provided, part of oxygen in the oxide semiconductor located at or near the interface between the film and the oxide semiconductor is absorbed by the film or the like to form oxygen vacancies. The vicinity of the interface may have a low resistance.
また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, after a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is provided over the oxide semiconductor, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen. By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element is converted into an oxide semiconductor by the metal element as a component of the film, or as a component of the oxide semiconductor. A certain metal element diffuses into the film, the oxide semiconductor and the film form a metal compound, and the resistance can be reduced. The metal element added to the oxide semiconductor forms a metal compound with the oxide semiconductor and the metal element, so that the metal element is in a relatively stable state; therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided.
また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜と、酸化物半導体との界面に、化合物層(以下、異層ともいう。)が形成されていてもよい。なお、化合物層(異層)とは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物半導体の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。当該合金化した層は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 A compound layer (hereinafter also referred to as a different layer) may be formed at the interface between the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element, and the oxide semiconductor. Note that the compound layer (different layer) is a layer having a metal compound containing a component of a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element, and a component of an oxide semiconductor. For example, as the compound layer, a layer in which the metal element of the oxide semiconductor and the added metal element are alloyed may be formed. The alloyed layer is in a relatively stable state and can provide a highly reliable semiconductor device.
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。 In addition, when hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor and enters oxygen vacancies in the low-resistance region, the hydrogen is in a relatively stable state. Further, hydrogen in the oxygen vacancies present in the oxide semiconductor escapes from the oxygen vacancies by heat treatment at 250° C. or higher, diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor, and oxygen vacancies existing in the low-resistance region. It is known that it enters into the inside and becomes a relatively stable state. Therefore, by heat treatment, the resistance of the region where the resistance of the oxide semiconductor is reduced or the region where the metal compound is formed is further reduced, and the oxide semiconductor which is not reduced in resistance is purified (impurities such as water and hydrogen). reduction) and tends to increase the resistance.
また、酸化物半導体は、水素、窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。 In addition, the oxide semiconductor has an increased carrier density when an impurity element such as hydrogen or nitrogen is present. Hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen that bonds to a metal atom to become water, which may cause oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancies, the carrier density increases. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. That is, the resistance of an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced.
従って、酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。 Therefore, by selectively adding a metal element and an impurity element such as hydrogen or nitrogen to an oxide semiconductor, a high-resistance region and a low-resistance region can be provided in the oxide semiconductor. In other words, by selectively reducing the resistance of the
ここで、図1(B)において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含む領域239の拡大図を図2に示す。 Here, FIG. 2 shows an enlarged view of a
図2に示すように、酸化物230は、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。 As shown in FIG. 2, the
ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231は、酸素濃度が低く、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域232は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い、かつ、チャネル形成領域として機能する領域234よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。 A region 231 functioning as a source region or a drain region has a low oxygen concentration and a low resistance. A
なお、領域231は、金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域232、および領域234よりも高いことが好ましい。 Note that the concentration of at least one of the metal element and the impurity element such as hydrogen and nitrogen is preferably higher in the region 231 than in the
例えば、領域231は、酸化物230の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。 For example, in addition to the
領域231を形成するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属元素を有する膜として、層242を設ければよい。なお、層242として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いることができる。その際、層242と、酸化物230との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、層242の成分と、酸化物230の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物230中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。 In order to form the region 231 , for example, a
酸化物230に、金属元素が添加されることで、酸化物230中に、金属化合物が形成され、領域231を低抵抗化することができる。なお、当該金属化合物は、必ずしも、酸化物230中に形成されていなくともよい。例えば、層242に、金属化合物が形成されていてもよい。また、例えば、酸化物230の表面、層242の表面、または層242と酸化物230との界面に形成された化合物層に設けられていてもよい。 By adding a metal element to the
従って、領域231は、層242の低抵抗領域、または、層242と酸化物230との間に形成された化合物層の低抵抗化領域も含む場合がある。つまり、本明細書では、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域が、領域231とする。 Thus, region 231 may also include a low resistance region of
領域232は、絶縁体275と重畳する領域を有する。領域232は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域234よりも高いことが好ましい。例えば、酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜である層242を設けることで、層242中の成分と、酸化物半導体の成分とが、金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物230に含まれる水素を引き寄せる場合がある。従って、領域231の近傍である領域232の水素の濃度が高くなる場合がある。 Region 232 has a region that overlaps
なお、領域232a、および領域232bのいずれか一方または双方は、導電体260と重畳する領域を有する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体260と、領域232aおよび領域232bとを、オーバーラップさせることが可能となる。 Note that one or both of the
また、図2では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は層242、層242と酸化物230との間に形成された化合物層、酸化物230a、および酸化物230cにも、形成されていてもよい。また、図2では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232が酸化物230bの表面近傍では導電体260側に張り出し、酸化物230aの下面近傍では、導電体240a側または導電体240b側に後退する形状になる場合がある。 Also, in FIG. 2, the
また、酸化物230において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素の濃度は、領域間の段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。 Also, in the
酸化物230を、選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等がある。 In order to selectively reduce the resistance of the
領域231は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。 In the region 231, by increasing the content of the metal element that increases conductivity, the element that forms oxygen vacancies, or the element that is captured by oxygen vacancies, carrier density can be increased and resistance can be reduced. can.
領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、層242を成膜するとよい。層242としては、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを用いることができる。層242は、少なくとも、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、絶縁体271、および絶縁体275を介して、酸化物230上に設けることが好ましい。 To reduce the resistance of region 231 , for example,
酸化物230と層242とが接することにより、層242の成分と、酸化物230の成分とが、金属化合物を形成し、領域231となり、低抵抗化する。また、酸化物230と層242との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が層242に吸収され、酸化物230に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域231を形成する場合がある。 By contacting the
また、酸化物230と、層242とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、層242から、層242の成分である金属元素が酸化物230へ、または酸化物230の成分である金属元素が層242へと、拡散し、酸化物230と、層242とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、その際、酸化物230の金属元素と、層242の金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の金属元素と、層242の金属元素とが、合金化することで、金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen while the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
一方、酸化物230の導電体260、および絶縁体275と重畳する領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体275により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素原子が、上述した層242へ吸収されることが抑制される。 On the other hand, addition of the metal element is suppressed by the
また、層242に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。 In addition, oxygen in the region 231 of the
ここで、層242が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。また、層242は、後の工程で、酸化物230から吸収した水素とともに除去してもよい。 Here, if the
なお、層242は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、層242を絶縁化し、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。例えば、層242は、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。その場合、層242は、層間膜として機能する場合がある。 Note that the
また、例えば、層242に、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、層242の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、層242は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。 Further, for example, when a conductive region remains in the
層242を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。当該構造とする場合、層242は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。例えば、層242は、0.5nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の膜厚で設けるとよい。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物230と、層242とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物230中の酸素が層242に拡散しやすくなる。 By leaving the
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor including an oxide semiconductor, if impurities and oxygen vacancies are present in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, electrical characteristics are likely to vary, and reliability may be degraded. In addition, when oxygen vacancies are included in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, the transistor tends to have normally-on characteristics. Therefore, oxygen vacancies in the
そこで、図2に示すように、絶縁体250、酸化物230bの領域232、および酸化物230cに接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体275を設けることが好ましい。つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。 Therefore, as shown in FIG. 2, oxygen in contact with the
また、絶縁体275に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体275に近接する絶縁体273として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体273の成膜時に酸化物230への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(Vapor Deposition SP)(登録商標)と呼ぶことができる。 In order to provide the excess oxygen region in the
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。 During film formation by the sputtering method, ions and sputtered particles are present between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power supply and given a potential E0. A potential E1 such as a ground potential is applied to the substrate. However, the substrate may be electrically floating. A region having potential E2 exists between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2>E1>E0.
プラズマ内のイオンが、電位差E2-E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体275に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2-E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体275内部まで到達する。イオンが絶縁体275に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体275に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体275に過剰酸素領域が形成される。 Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, thereby ejecting sputtered particles from the target. The sputtered particles adhere to the film formation surface and accumulate to form a film. In addition, some ions recoil by the target, pass through the film formed as recoil ions, and may be taken into the
絶縁体275に過剰な酸素を導入することで、絶縁体275中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体275の過剰な酸素は、酸化物230の領域234に供給され、酸化物230の酸素欠損を補償することができる。 By introducing excess oxygen into the
なお、絶縁体275は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域を形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物230は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物230上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成しにくい傾向がある。従って、過剰酸素領域を有する絶縁体275を、酸化物230の領域234の周辺に設けることで、酸化物230の領域234へ、絶縁体275の過剰酸素を効果的に供給することができる。 Note that silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having holes is preferably used for the
また、絶縁体273は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物230と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物230中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物230と、酸化アルミニウムとの間に層242が設けられている場合、層242中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層242は、酸化物230中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物230中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体273と、酸化物230とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体273から酸化物230、絶縁体224、または絶縁体222に酸素を供給できる場合がある。 Aluminum oxide is preferably used for the
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。 By combining the above structure or the above steps, the resistance of the
つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、および絶縁体275をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200Aを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200Aのチャネル長は、導電体260の幅、および絶縁体275の成膜膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200Aの微細化が可能となる。 That is, when the low-resistance region is formed in the
以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 As described above, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。 Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device. In addition, since a transistor including an oxide semiconductor for a channel formation region has extremely low leakage current (off-state current) in a non-conducting state, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in electrical characteristics is suppressed, stable electrical characteristics are obtained, and reliability is improved.
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Aを有する半導体装置の詳細な構成について説明する。 A detailed structure of a semiconductor device including the
導電体203は、図1(A)、および図1(C)に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体205に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体203は、絶縁体212に埋め込まれて設けることが好ましい。 As shown in FIGS. 1A and 1C, the
導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、導電体203の上に接して設けるとよい。また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。
ここで、導電体260は、第1のゲート(トップゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体205は、第2のゲート(ボトムゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電体205に印加する電位を、導電体260に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200Aのしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体205に負の電位を印加することにより、トランジスタ200Aのしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体205に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 Here, the
また、導電体203上に導電体205を設けることで、第1のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体260と、導電体203との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体203と導電体260の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられることで、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減し、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることができる。 By providing the
また、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ200Aのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200Aの信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体203の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200Aのチャネル長方向に延伸されてもよい。 In addition, by reducing the parasitic capacitance between the
なお、導電体205は、図1(A)に示すように、酸化物230、および導電体260と重なるように配置する。また、導電体205は、酸化物230における領域234よりも、大きく設けるとよい。特に、図1(C)に示すように、導電体205は、酸化物230の領域234のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。 Note that the
上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。 With the above structure, when a potential is applied to the
つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S-channel)構造とよぶ。 In other words, the electric field of the
また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して第1の導電体が形成され、さらに内側に第2の導電体が形成されている。ここで、導電体205の第1の導電体および導電体205の第2の導電体の上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200Aでは、導電体205の第1の導電体および導電体205の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 The
ここで、導電体205、または導電体203の第1の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。Here, the
導電体205、または導電体203の第1の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205、または導電体203の第2の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体205、または導電体203の第1の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、基板側(絶縁体210よりも下方)からトランジスタ200A側に拡散するのを抑制することができる。 Since the
また、導電体205の第2の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205の第2の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the second conductor of the
また、導電体203の第2の導電体は、配線として機能するため、導電体205の第2の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体203の第2の導電体は積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 In addition, since the second conductor of the
特に、導電体203に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200Aの電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。 In particular, it is preferable to use copper for the
なお、導電体205、絶縁体214、および絶縁体216は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体203の一部が第2のゲート電極として機能することができる。 Note that the
絶縁体210、絶縁体214、および絶縁体282は、水または水素などの不純物が、基板側または絶縁体284側からトランジスタ200Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体210、絶縁体214、および絶縁体282は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。The
例えば、絶縁体210、および絶縁体282として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体210および絶縁体214よりも基板側からトランジスタ200A側に拡散することを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体210および絶縁体214よりも基板側に、拡散することを抑制することができる。または、水素、水などの不純物が、絶縁体282よりも絶縁体284側からトランジスタ200A側に拡散することを抑制することができる。 For example, it is preferable to use aluminum oxide or the like for the
また、導電体203の上に導電体205を積層して設ける構成にすることにより、導電体203と導電体205の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体203の第2の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。 In addition, the
また、層間膜として機能する絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体284は、絶縁体210、または絶縁体214よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 The
例えば、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体284として、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、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。For example,
絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200Aの信頼性を向上させることができる。 Here, the
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、昇温脱離ガス分光法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm3、または3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having the excess oxygen region. The oxide that desorbs oxygen by heating means that the desorption amount of oxygen converted to oxygen atoms is 1.0×10 18 atoms in thermal desorption spectroscopy (TDS) analysis. /cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19 atoms/cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms/cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 atoms/cm 3 or more is. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100° C. or higher and 700° C. or lower, or 100° C. or higher and 400° C. or lower.
また、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。 In addition, when the
絶縁体222が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体224が有する過剰酸素領域の酸素は、絶縁体220側へ拡散することなく、効率よく酸化物230へ供給することができる。また、導電体205が、絶縁体224が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。 Since the
絶縁体222としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh-k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh-k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。As the
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200Aの周辺部から酸化物230への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 In particular, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which is an insulating material and has a function of suppressing the diffusion of impurities and oxygen (the oxygen is less permeable), is preferably used. As the insulator containing oxide of one or both of aluminum and hafnium, aluminum oxide, hafnium oxide, oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used. When the
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
また、絶縁体220または絶縁体224は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、high-k材料の絶縁体と組み合わせることで、ゲート絶縁体は、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 Also,
なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Note that the
酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。 Note that the
また、酸化物230aおよび酸化物230cの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物230bの伝導帯下端のエネルギー準位より高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物230aおよび酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。 In addition, the energy levels of the conduction band bottoms of the
ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, the energy level at the bottom of the conduction band changes smoothly at the junction of the
具体的には、酸化物230aと酸化物230b、酸化物230bと酸化物230cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする。)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物230bがIn-Ga-Zn酸化物の場合、酸化物230aおよび酸化物230cとして、In-Ga-Zn酸化物、Ga-Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ200Aは高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of carriers is the
また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有する。なお、領域231の少なくとも一部は、絶縁体273と近接する領域を有する。また、領域232は、少なくとも、絶縁体275と重畳する領域を有する。
なお、トランジスタ200Aをオンさせると、領域231a、または領域231bは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域234の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。領域231と、領域234の間に領域232を有することで、トランジスタ200Aにおいて、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流(オフ電流)を小さくすることができる。 Note that when the
トランジスタ200Aにおいて、領域232を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域231と、チャネルが形成される領域234との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域232を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、第1のゲート電極(導電体260)とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域232を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。 By providing the region 232 in the
つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 In other words, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
酸化物230は、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。例えば、領域234となる金属酸化物としては、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 A metal oxide that functions as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used as the
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。 A transistor including an oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conducting state; therefore, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.
絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、TDS分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018molecules/cm3以上、好ましくは1.0×1019molecules/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019molecules/cm3、または3.0×1020molecules/cm3である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。 Specifically, silicon oxide having excess oxygen, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and vacancies Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable against heat.
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the
また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、金属酸化物252を設けてもよい。従って、金属酸化物252は、絶縁体250からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物252を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。 In addition, a
なお、金属酸化物252は、第1のゲート電極の一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物230として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物252として用いることができる。その場合、導電体260をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物252の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 Note that the
また、金属酸化物252は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物252は、比誘電率が高いhigh-k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。
トランジスタ200Aにおいて、金属酸化物252を単層で示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、第1のゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁体の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。 Although the
金属酸化物252を有することで、第1のゲート電極として機能する場合は、導電体260からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ200Aのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁体として機能する場合は、絶縁体250と、金属酸化物252との物理的な厚みにより、導電体260と、酸化物230との間の距離を保つことで、導電体260と酸化物230との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体250、および金属酸化物252との積層構造を設けることで、導電体260と酸化物230との間の物理的な距離、および導電体260から酸化物230へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。 When the
具体的には、金属酸化物252として、酸化物230に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物252として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 Specifically, the
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物252は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat history in the subsequent steps. Note that the
第1のゲート電極として機能する導電体260は、導電体260a、および導電体260a上の導電体260bを有する。導電体260aは、導電体205の第1の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。A
導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250、および金属酸化物252が有する過剰酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 Since the
また、導電体260は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体260bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 Further, since the
また、図1(C)に示すように、導電体205が、酸化物230のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体260は、当該領域において、絶縁体250を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物230の側面の外側において、導電体205と、絶縁体250と、導電体260とは、積層構造を形成することが好ましい。 Further, as shown in FIG. 1C, when the
上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。 With the above structure, when a potential is applied to the
つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。 In other words, the electric field of the
また、導電体260bの上に、バリア膜として機能する絶縁体270を配置してもよい。絶縁体270は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体270よりも上方からの酸素で導電体260が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体270よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体260および絶縁体250を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。 Further, an
また、絶縁体270上に、ハードマスクとして機能する絶縁体271を配置することが好ましい。絶縁体271を設けることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が概略垂直、具体的には、導電体260の側面と基板表面のなす角を、75°以上100°以下、好ましくは80°以上95°以下とすることができる。導電体260をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体275を所望の形状に形成することができる。 An
なお、絶縁体271に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体270は設けなくともよい。 Note that the
バッファ層として機能する絶縁体275は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。 The
例えば、絶縁体275として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 For example, the
また、絶縁体275は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体275として、酸化物230c、および絶縁体250と接して設けることで、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体275中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体273は、少なくとも酸化物230の領域231上、および絶縁体275上に設けられる。絶縁体273をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体275へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物230中に酸素を供給することができる。また、絶縁体273を、酸化物230の領域231上に設けることで、酸化物230中の水素を、絶縁体273へと引き抜くことができる。 An
例えば、絶縁体273として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less.
また、絶縁体273の上に、絶縁体274を設ける。絶縁体274は、バリア性を有し、水素濃度が低減された膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体274としては、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコンなどを用いるとよい。バリア性を有する絶縁体273と、バリア性を有する絶縁体274を設けることで、層間膜など、他の構造体から不純物がトランジスタ200Aへ拡散することを抑制することができる。 An
また、絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体280の上に絶縁体210と同様の絶縁体282を設けてもよい。絶縁体282をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体280の不純物を低減することができる。また、絶縁体282上に絶縁体280と同様の絶縁体284を設けてもよい。 An
また、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体284の上面と、同一平面上としてもよい。 In addition, the
導電体240aは、トランジスタ200Aのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域231aと接しており、導電体240bはトランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域231bと接している。よって、導電体240aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体240bはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273の開口の内壁に接して導電体240bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 Note that the
ここで、図1(D)に示すように、導電体240a、および導電体240bは、酸化物230の側面と重畳することが好ましい。特に、導電体240a、および導電体240bは、酸化物230のチャネル幅方向と交わる側面において、A5側の側面、およびA6側の側面の双方または一方と重畳することが好ましい。また、導電体240a、および導電体240bが、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と重畳する構成にしてもよい。このように、導電体240a、および導電体240bが、酸化物230(特に、ソース領域またはドレイン領域となる領域231)の側面と重畳する構成とすることで、導電体240a、および導電体240bとトランジスタ200Aのコンタクト部の投影面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体240a、および導電体240bとトランジスタ200Aの接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。 Here, the
導電体240aおよび導電体240bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体240aおよび導電体240bは積層構造としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the
ここで、例えば、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物230が露出する場合がある。その場合、導電体240の酸化物230と接する導電体(以下、導電体240の第1の導電体ともいう。)に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、低抵抗化していない酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物230に酸素欠損が形成され、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230が、低抵抗化する。従って、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when forming openings in
また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273と接する導電体には、導電体205の第1の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体280より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。 In the case where the
また、図示しないが、導電体240aの上面、および導電体240bの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体203などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。 Further, although not illustrated, a conductor functioning as a wiring may be arranged in contact with the upper surface of the
<半導体装置の構成材料>
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。<Semiconductor Device Constituent Materials>
Constituent materials that can be used for the semiconductor device are described below.
<<基板>>
本発明の一態様に係るトランジスタを形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。<<Substrate>>
As a substrate for forming a transistor according to one embodiment of the present invention, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used, for example. Examples of insulator substrates include glass substrates, quartz substrates, sapphire substrates, stabilized zirconia substrates (yttria stabilized zirconia substrates, etc.), and resin substrates. Examples of semiconductor substrates include semiconductor substrates such as silicon and germanium, and compound semiconductor substrates made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, and gallium oxide. Further, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the semiconductor substrate, such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of conductive substrates include graphite substrates, metal substrates, alloy substrates, and conductive resin substrates. Alternatively, there are a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, and the like. Furthermore, there are substrates in which an insulator substrate is provided with a conductor or a semiconductor, a substrate in which a semiconductor substrate is provided with a conductor or an insulator, a substrate in which a conductor substrate is provided with a semiconductor or an insulator, and the like. Alternatively, these substrates provided with elements may be used. Elements provided on the substrate include a capacitor element, a resistance element, a switch element, a light emitting element, a memory element, and the like.
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is also a method in which a transistor is manufactured over a non-flexible substrate, separated, and transferred to a flexible substrate. In that case, a peeling layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Also, the substrate may have stretchability. The substrate may also have the property of returning to its original shape when bending or pulling is ceased. Alternatively, it may have the property of not returning to its original shape. The substrate has a region with a thickness of, for example, 5 μm or more and 700 μm or less, preferably 10 μm or more and 500 μm or less, more preferably 15 μm or more and 300 μm or less. By thinning the substrate, the weight of a semiconductor device having a transistor can be reduced. In addition, by making the substrate thin, even when glass or the like is used, it may have stretchability, or may have the property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, it is possible to mitigate the impact applied to the semiconductor device on the substrate due to dropping or the like. That is, a durable semiconductor device can be provided.
可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が1×10-3/K以下、5×10-5/K以下、または1×10-5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。As the flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fiber thereof can be used. Also, as the substrate, a sheet, film, foil, or the like in which fibers are woven may be used. A flexible substrate preferably has a lower coefficient of linear expansion because deformation due to the environment is suppressed. As the flexible substrate, for example, a material having a coefficient of linear expansion of 1×10 −3 /K or less, 5×10 −5 /K or less, or 1×10 −5 /K or less may be used. . Examples of resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, and acrylic. In particular, aramid has a low coefficient of linear expansion, so it is suitable as a flexible substrate.
<<絶縁体>>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。<<insulator>>
As insulators, there are insulating oxides, nitrides, oxynitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxynitrides, metal nitride oxides, and the like.
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high-k材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。 For example, as transistors are miniaturized and highly integrated, thinning of gate insulators may cause problems such as leakage current. By using a high-k material for the insulator that functions as the gate insulator, it is possible to reduce the voltage during transistor operation while maintaining the physical film thickness. On the other hand, by using a material with a low dielectric constant for the insulator functioning as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, the material should be selected according to the function of the insulator.
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。 Insulators with a high relative dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides containing aluminum and hafnium, oxynitrides containing aluminum and hafnium, oxides containing silicon and hafnium, and silicon and hafnium. oxynitride or nitride with silicon and hafnium.
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。 Insulators with a low relative dielectric constant include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and an empty silicon oxide. Examples include silicon oxide or resin with pores.
また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are also thermally stable. Therefore, for example, by combining with a resin, it is possible to obtain a laminated structure that is thermally stable and has a low dielectric constant. Examples of resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, and the like. Further, for example, silicon oxide and silicon oxynitride can be combined with an insulator having a high dielectric constant to form a thermally stable stacked structure having a high dielectric constant.
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。 In addition, when a transistor including an oxide semiconductor is surrounded by an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, electrical characteristics of the transistor can be stabilized.
水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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などの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。 Examples of insulators having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. Insulators including lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in single layers or stacks. Specifically, as an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or A metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
例えば、絶縁体273、絶縁体282として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, the
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Hafnium oxide has a lower barrier property than aluminum oxide, but the barrier property can be improved by increasing the film thickness. Therefore, by adjusting the film thickness of hafnium oxide, the appropriate amounts of hydrogen and nitrogen to be added can be adjusted.
例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体224および絶縁体250は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物230と接する構造とすることで、酸化物230が有する酸素欠損を補償することができる。 For example,
また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体222において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。 Alternatively, for example, an
例えば、絶縁体220には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 For example, the
上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。 With the laminated structure described above, the on-current can be improved without weakening the influence of the electric field from the gate electrode. In addition, by maintaining the distance between the gate electrode and the region where the channel is formed by the physical thickness of the gate insulator, the leakage current between the gate electrode and the channel formation region can be suppressed. .
絶縁体212、絶縁体216、絶縁体271、絶縁体275、絶縁体280および絶縁体284は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体271、絶縁体275、絶縁体280および絶縁体284は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体271、絶縁体275、絶縁体280および絶縁体284は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。 The
絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270、絶縁体273、絶縁体284、および絶縁体282としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270、絶縁体273、絶縁体284、および絶縁体282としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。 As the
<<導電体>>
導電体としては、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、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料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。<<Conductor>>
The conductor is a metal selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, etc. A material containing one or more elements can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity, typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。 Alternatively, a plurality of conductive layers formed using any of the above materials may be stacked and used. For example, a laminated structure in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing oxygen are combined may be used. Alternatively, a laminated structure may be employed in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing nitrogen are combined. Alternatively, a laminated structure may be employed in which the material containing the metal element described above, the conductive material containing oxygen, and the conductive material containing nitrogen are combined.
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。 Note that in the case where an oxide is used for a channel formation region of a transistor, a stacked-layer structure in which the above-described material containing the metal element and a conductive material containing oxygen are combined is used for a conductor functioning as a gate electrode. is preferred. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing the conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material is easily supplied to the channel formation region.
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。 In particular, a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed is preferably used as a conductor functioning as a gate electrode. Alternatively, a conductive material containing the metal element and nitrogen described above may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. Further, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon were added. Indium tin oxide may also be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, hydrogen contained in the metal oxide in which the channel is formed can be captured in some cases. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed from an outer insulator or the like.
導電体260、導電体203、導電体205、および導電体240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、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料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。
<<金属酸化物>>
酸化物230として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。<<metal oxide>>
A metal oxide that functions as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used as the
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The metal oxide preferably contains at least indium or zinc. Indium and zinc are particularly preferred. In addition to these, aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is preferably contained. Further, one or more selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. may be contained.
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn-M-Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Consider here the case where the metal oxide is an In--M--Zn oxide with indium, the element M and zinc. Note that the element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, as the element M, there are cases where a plurality of the above elements may be combined.
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 In this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides. Metal oxides containing nitrogen may also be referred to as metal oxynitrides.
[金属酸化物の構成]
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud-Aligned Composite)-OSの構成について説明する。[Structure of Metal Oxide]
A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite)-OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention is described below.
なお、本明細書等において、CAAC(c-axis aligned crystal)、およびCAC(Cloud-Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。 In this specification and the like, it may be referred to as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (cloud-aligned composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or material configuration.
CAC-OSまたはCAC-metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC-OSまたはCAC-metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(または正孔)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC-OSまたはCAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OSまたはCAC-metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material, an insulating function in a part of the material, and a semiconductor function in the whole material. Note that when CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the active layer of a transistor, the conductive function is to flow electrons (or holes) that serve as carriers, and the insulating function is to serve as carriers. It is a function that does not flow electrons. A switching function (on/off function) can be imparted to the CAC-OS or CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to act complementarily. By separating each function in CAC-OS or CAC-metal oxide, both functions can be maximized.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 CAC-OS or CAC-metal oxide also has a conductive region and an insulating region. The conductive regions have the above-described conductive function, and the insulating regions have the above-described insulating function. In some materials, the conductive region and the insulating region are separated at the nanoparticle level. Also, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed to be connected like a cloud with its periphery blurred.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less. There is
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC-OSまたはCAC-metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。 Also, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different bandgaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from an insulating region and a component having a narrow gap resulting from a conductive region. In the case of this configuration, when the carriers flow, the carriers mainly flow in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts complementarily on the component having a wide gap, and carriers also flow into the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the above CAC-OS or CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current drivability, that is, large on-current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.
すなわち、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite or a metal matrix composite.
[金属酸化物の構造]
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。[Structure of Metal Oxide]
Oxide semiconductors (metal oxides) are classified into single-crystal oxide semiconductors and non-single-crystal oxide semiconductors. Non-single-crystal oxide semiconductors include, for example, CAAC-OS (c-axis aligned crystalline oxide semiconductor), polycrystalline oxide semiconductors, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductors), pseudo-amorphous oxide semiconductors (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor), amorphous oxide semiconductor, and the like.
CAAC-OSは、c軸配向性を有し、かつa-b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 CAAC-OS has a c-axis orientation and a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction. The strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region with a uniform lattice arrangement and another region with a uniform lattice arrangement in a region where a plurality of nanocrystals are connected.
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC-OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC-OSが、a-b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. Also, the distortion may have a lattice arrangement of pentagons, heptagons, and the like. In CAAC-OS, it is difficult to confirm clear crystal grain boundaries (also called grain boundaries) even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the distortion of the lattice arrangement suppresses the formation of grain boundaries. This is because the CAAC-OS can tolerate strain due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. It's for.
また、CAAC-OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as an In layer) and a layer containing the element M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as a (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is substituted with indium, the layer can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. In addition, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (In, M) layer.
CAAC-OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC-OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC-OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC-OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC-OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。 CAAC-OS is a highly crystalline metal oxide. On the other hand, in CAAC-OS, since it is difficult to confirm a clear crystal grain boundary, it can be said that the decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur. In addition, since the crystallinity of a metal oxide may be degraded by contamination with impurities, generation of defects, or the like, CAAC-OS can be said to be a metal oxide with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, metal oxides with CAAC-OS have stable physical properties. Therefore, a metal oxide containing CAAC-OS is heat resistant and highly reliable.
nc-OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc-OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc-OSは、分析方法によっては、a-like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodic atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). Also, nc-OS shows no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, an nc-OS may be indistinguishable from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
a-like OSは、nc-OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。a-like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、a-like OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べて、結晶性が低い。 An a-like OS is a metal oxide having a structure between an nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. An a-like OS has void or low density regions. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.
酸化物半導体(金属酸化物)は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a-like OS、nc-OS、CAAC-OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors (metal oxides) have various structures, each of which has different characteristics. An oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.
[金属酸化物を有するトランジスタ]
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。[Transistor with Metal Oxide]
Next, the case where the above metal oxide is used for a channel formation region of a transistor will be described.
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 Note that by using the above metal oxide for a channel formation region of a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. Further, a highly reliable transistor can be realized.
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が8×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10-9/cm3以上とすればよい。A metal oxide with low carrier density is preferably used for a transistor. In order to lower the carrier density of the metal oxide film, the impurity concentration in the metal oxide film should be lowered to lower the defect level density. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. For example, the metal oxide has a carrier density of less than 8×10 11 /cm 3 , preferably less than 1×10 11 /cm 3 , more preferably less than 1×10 10 /cm 3 , and a carrier density of 1×10 −9 /
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, since a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic metal oxide film has a low defect level density, the trap level density may also be low.
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave like a fixed charge. Therefore, a transistor including a metal oxide with a high trap level density in a channel formation region may have unstable electrical characteristics.
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the metal oxide. Moreover, in order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to also reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon, and the like.
[不純物]
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。[impurities]
Here, the effect of each impurity in the metal oxide will be described.
金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。If the metal oxide contains silicon or carbon, which is one of the
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。Further, if the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, it may form a defect level and generate carriers. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is used for a channel formation region tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metals or alkaline earth metals in the metal oxide. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is set to 1×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 16 atoms/cm 3 or less.
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、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。In addition, when nitrogen is contained in the metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density increases, and the metal oxide tends to be n-type. As a result, a transistor using a metal oxide containing nitrogen for a channel formation region tends to have normally-on characteristics. Therefore, nitrogen in the channel formation region in the metal oxide is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the metal oxide is less than 5×10 19 atoms/cm 3 in SIMS, preferably 5×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less, and further preferably 1×10 18 atoms/
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。In addition, since hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, oxygen vacancies may be formed. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons, which are carriers, are generated in some cases. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing hydrogen is used for a channel formation region tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in the metal oxide, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1×10 20 atoms/cm 3 , preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 , more preferably less than 5×10 18 atoms/cm Less than 3 , more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 .
不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using a metal oxide in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be imparted.
<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200Aを有する半導体装置について、作製方法を図3乃至図13を用いて説明する。また、図3乃至図13において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(D)は、(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。<Method for manufacturing a semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the
まず、基板(図示しない。)を準備し、当該基板上に絶縁体210を成膜する。絶縁体210の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法、または原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。 First, a substrate (not shown) is prepared, and an
なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。 The CVD method can be classified into a plasma enhanced CVD (PECVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD) method using heat, a photo CVD (Photo CVD) method using light, and the like. . Further, the method can be classified into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method depending on the raw material gas used.
プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 The plasma CVD method can obtain high quality films at relatively low temperatures. Moreover, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film formation method capable of reducing plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitive elements, etc.) included in a semiconductor device may be charged up by receiving charges from plasma. At this time, the accumulated charges may destroy wiring, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device. On the other hand, a thermal CVD method that does not use plasma does not cause such plasma damage, so that the yield of semiconductor devices can be increased. Moreover, since the thermal CVD method does not cause plasma damage during film formation, a film with few defects can be obtained.
また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ALD法は、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ALD法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。 The ALD method is also a film forming method capable of reducing plasma damage to the object to be processed. In addition, since the ALD method does not cause plasma damage during film formation, a film with few defects can be obtained. Some precursors used in the ALD method contain impurities such as carbon. Therefore, a film formed by the ALD method may contain more impurities such as carbon than films formed by other film formation methods. Note that quantification of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。 The CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of the object to be processed, unlike film forming methods in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, it is a film forming method which is not easily affected by the shape of the object to be processed and which has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and is therefore suitable for coating the surface of an opening with a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively slow film formation rate, it may be preferable to use it in combination with another film formation method, such as the CVD method, which has a high film formation rate.
CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。 In the CVD method and the ALD method, the composition of the film obtained can be controlled by the flow rate ratio of the raw material gases. For example, in the CVD method and the ALD method, it is possible to form a film of any composition depending on the flow rate ratio of source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, it is possible to form a film whose composition is continuously changed by changing the flow rate ratio of the source gases while forming the film. When forming a film while changing the flow rate ratio of the raw material gases, the time required for film formation is reduced compared to film formation using multiple film formation chambers, as the time required for transportation and pressure adjustment is not required. can do. Therefore, productivity of semiconductor devices can be improved in some cases.
本実施の形態では、絶縁体210として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体210は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。 In this embodiment, the
次に絶縁体210上に絶縁体212を成膜する。絶縁体212の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体212として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Next, an
次に、絶縁体212に、絶縁体210に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体210は、絶縁体212をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、開口を形成する絶縁体212に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体210は、エッチングストッパ膜として機能する絶縁膜として、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。 Next, an opening is formed in the
開口の形成後に、導電体203の第1の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体203の第1の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 After forming the opening, a conductive film to be the first conductor of the
本実施の形態では、導電体203の第1の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。導電体203の第1の導電体としてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体203の第2の導電体で銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体203の第1の導電体から外に拡散するのを抑制することができる。 In this embodiment mode, as the conductive film serving as the first conductor of the
次に、導電体203の第1の導電体となる導電膜上に、導電体203の第2の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体203の第2の導電体となる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。 Next, a conductive film to be the second conductor of the
次に、CMP(化学的機械研磨)処理を行うことで、導電体203の第1の導電体となる導電膜、および導電体203の第2の導電体となる導電膜の一部を除去し、絶縁体212を露出する。その結果、開口部のみに、導電体203の第1の導電体となる導電膜、および導電体203の第2の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体203の第1の導電体および導電体203の第2の導電体を含む導電体203を形成することができる(図3参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体212の一部が除去される場合がある。 Next, by performing CMP (chemical mechanical polishing) treatment, part of the conductive film to be the first conductor of the
次に、絶縁体212、および導電体203上に絶縁体214を成膜する。絶縁体214の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体214として、CVD法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体214として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体203の第2の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。 Next, an
次に、絶縁体214上に絶縁体216を成膜する。絶縁体216の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体216として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Next, an
次に、絶縁体214および絶縁体216に、導電体203に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。 Next, an opening reaching the
開口の形成後に、導電体205の第1の導電体となる導電膜を成膜する。導電体205の第1の導電体となる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体205の第1の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 After the opening is formed, a conductive film to be the first conductor of the
本実施の形態では、導電体205の第1の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。 In this embodiment mode, tantalum nitride is deposited by a sputtering method as the conductive film to be the first conductor of the
次に、導電体205の第1の導電体となる導電膜上に、導電体205の第2の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be the second conductor of the
本実施の形態では、導電体205の第2の導電体となる導電膜として、CVD法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にCVD法によってタングステンを成膜する。 In this embodiment mode, as the conductive film serving as the second conductor of the
次に、CMP処理を行うことで、導電体205の第1の導電体となる導電膜、および導電体205の第2の導電体となる導電膜の一部を除去し、絶縁体216を露出する。その結果、開口部のみに、導電体205の第1の導電体となる導電膜、および導電体205の第2の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体205の第1の導電体および導電体205の第2の導電体を含む導電体205を形成することができる(図3参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体216の一部が除去される場合がある。 Next, by performing CMP treatment, part of the conductive film serving as the first conductor of the
次に、絶縁体216、および導電体205上に絶縁体220を成膜する。絶縁体220の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体220として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Next, an
次に、絶縁体220上に絶縁体222を成膜する。絶縁体222として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体222が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ200Aの周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体222を通じてトランジスタ200Aの内側へ拡散することが抑制され、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。 Next, an
絶縁体222の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 The
次に、絶縁体222上に絶縁体224を成膜する。絶縁体224の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる(図3参照。)。本実施の形態では、絶縁体224として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Next, an
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、もしくは10%以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 Subsequently, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere, an inert gas atmosphere, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state. Alternatively, heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, and then heat treatment is performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to compensate for desorbed oxygen. may
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体224成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。当該加熱処理により、絶縁体224に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。 In this embodiment mode, heat treatment is performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after the
また、加熱処理は、絶縁体220成膜後、および絶縁体222の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体220成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。 Alternatively, the heat treatment can be performed after the
ここで、絶縁体224に過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にRF(Radio Frequency)を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にRFを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体224内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体224に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。 Here, in order to form an excess oxygen region in the
次に、絶縁体224上に、酸化物230aとなる酸化膜230Aと、酸化物230bとなる酸化膜230Bを順に成膜する(図4参照。)。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜230A、および酸化膜230B上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜230Aと酸化膜230Bとの界面近傍を清浄に保つことができる。 Next, an
酸化膜230A、および酸化膜230Bの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 The
例えば、酸化膜230A、および酸化膜230Bをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のIn-M-Zn酸化物ターゲットを用いることができる。 For example, when the
特に、酸化膜230Aの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体224に供給される場合がある。したがって、酸化膜230Aのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。 In particular, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the
また、酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を1%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。 In the case of forming the
本実施の形態では、酸化膜230Aとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜230Bとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物230に求める特性に合わせて形成するとよい。 In this embodiment, the
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜230A、および酸化膜230B中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。 Next, heat treatment may be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. Impurities such as hydrogen and water in the
次に、酸化膜230A、および酸化膜230Bを島状に加工して、酸化物230a、および酸化物230bを形成する(図5参照。)。 Next, the
ここで、酸化物230a、および酸化物230bは、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、酸化物230a、および酸化物230bの側面は、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物230a、および酸化物230bの側面が、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ200Aを設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角は大きいほど好ましい。 Here, the
また、酸化物230a、および酸化物230bの側面と、酸化物230bの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。 In addition, curved surfaces are provided between the side surfaces of the
なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。 Note that processing of the oxide film may be performed using a lithography method. A dry etching method or a wet etching method can be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing.
リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultraviolet)光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。 In the lithographic method, first, a resist is exposed through a mask. The exposed regions are then removed or left behind using a developer to form a resist mask. Next, a conductor, a semiconductor, an insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching treatment through the resist mask. For example, a resist mask may be formed by exposing a resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like. Alternatively, a liquid immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled between the substrate and the projection lens for exposure. Also, an electron beam or an ion beam may be used instead of the light described above. When an electron beam or an ion beam is used, direct drawing is performed on the resist, so the mask for resist exposure is not necessary. Note that the resist mask can be removed by performing dry etching treatment such as ashing, performing wet etching treatment, performing wet etching treatment after dry etching treatment, performing dry etching treatment after wet etching treatment, or the like. .
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、酸化膜230B上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。酸化膜230A、および酸化膜230Bのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。当該酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。 A hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask. When a hard mask is used, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed on the
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置などを用いることができる。 As a dry etching device, a capacitively coupled plasma (CCP) etching device having parallel plate electrodes can be used. A capacitively coupled plasma etching apparatus having parallel plate electrodes may be configured to apply a high frequency power supply to one of the parallel plate electrodes. Alternatively, a plurality of different high-frequency power sources may be applied to one of the parallel plate electrodes. Alternatively, a high-frequency power source of the same frequency may be applied to each parallel plate type electrode. Alternatively, a configuration in which high-frequency power sources with different frequencies are applied to the parallel plate electrodes may be used. Alternatively, a dry etching apparatus having a high density plasma source can be used. For example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus can be used as a dry etching apparatus having a high-density plasma source.
また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物230a、および酸化物230bなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。 Further, by performing the above-described dry etching or the like, impurities caused by an etching gas or the like may adhere to or diffuse onto or inside the
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。 Cleaning is performed to remove the above impurities. As a cleaning method, there are wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, or the like, and the above cleaning may be performed in combination as appropriate.
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。 Wet cleaning may be performed using an aqueous solution obtained by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed. In this embodiment, ultrasonic cleaning is performed using pure water or carbonated water.
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。 Subsequently, heat treatment may be performed. As the conditions for the heat treatment, the conditions for the heat treatment described above can be used.
次に、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの上に、酸化物230cとなる酸化膜230Cを成膜する(図6参照。)。 Next, an
酸化膜230Cの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。酸化物230cに求める特性に合わせて、酸化膜230A、または酸化膜230Bと同様の成膜方法を用いて、酸化膜230Cを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜230Cとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。 The
続いて、酸化膜230C上に、絶縁膜250A、金属酸化膜252A、導電膜260A、導電膜260B、絶縁膜270A、および絶縁膜271Aを順に成膜する(図6参照。)。 Subsequently, an insulating
まず、絶縁膜250Aを成膜する。絶縁膜250Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁膜250Aとして、CVD法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜250Aを成膜する際の成膜温度は、350℃以上450℃未満、特に400℃前後とすることが好ましい。絶縁膜250Aを、400℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。 First, an insulating
なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜250Aを曝すことで、絶縁膜250Aへ酸素を導入することができる。 Note that oxygen can be introduced into the insulating
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜250Aの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。 Alternatively, heat treatment may be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. By the heat treatment, the moisture concentration and the hydrogen concentration of the insulating
続いて、金属酸化膜252A、導電膜260A、および導電膜260Bを成膜する。金属酸化膜252Aとして、スパッタリング法により、In-Ga-Zn酸化物を形成する。金属酸化膜252Aの形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で金属酸化膜252Aを形成することで、絶縁膜250A中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜250Aに添加された過剰酸素は、酸化物230に酸素を供給することで、酸化物230中の酸素欠損を補償することができる。 Subsequently, a
ここで、金属酸化膜252Aを成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、金属酸化膜252Aを成膜しながら、絶縁膜250A、および絶縁体224に酸素を導入することができる。また、金属酸化膜252Aに、バリア性を有するアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることで、絶縁膜250Aに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。 Here, as a means for forming the
また、導電膜260A、および導電膜260Bは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。例えば、導電膜260Aとして、窒化チタンを成膜し、導電膜260Bとして、タングステンを成膜するとよい。 The
例えば、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、金属酸化膜252Aとして、In-Ga-Zn酸化物に代表される酸化物半導体を用いた場合、金属酸化膜252Aは、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、酸化物導電体(OC:Oxide Conductor)として機能する。そこで、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素(特に窒素)が金属酸化膜252Aに拡散し、金属酸化膜252Aが低抵抗化する。また、導電膜260Aの成膜時のダメージ(例えば、スパッタリングダメージなど)により、金属酸化膜252Aが低抵抗化する。従って、金属酸化膜252Aのキャリア密度が高くなり、金属酸化膜252Aの導電性が高くなる。 For example, as the
また、導電膜260Bとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。 Further, by stacking a low-resistance metal film as the
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、金属酸化膜252Aから、絶縁膜250Aに過剰酸素が添加され、絶縁膜250Aに過剰酸素領域を容易に形成することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. Note that the heat treatment may not be performed in some cases. By this heat treatment, excess oxygen is added to the insulating
絶縁膜270Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁膜270Aは、バリア膜として機能するため、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体260の酸化を抑制することができる。また、導電体260および絶縁体250を介して、水または水素などの不純物が酸化物230に混入することを抑制することができる。本実施の形態では、絶縁膜270Aとして、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜する。 The insulating
絶縁膜271Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。ここで、絶縁膜271Aの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜275Aの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体275を形成する際、導電体260の上に絶縁体271を、容易に残存させることができる。本実施の形態では、絶縁膜271Aとして、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 The insulating
次に、絶縁膜271Aを、エッチングし、絶縁体271を形成する。ここで、絶縁体271は、ハードマスクとして機能する。絶縁体271を設けることで、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260aの側面、導電体260bの側面、および絶縁体270の側面を、基板の上面に対し、概略垂直に形成することができる。 Next, the
次に、絶縁体271をマスクとして、酸化膜230C、絶縁膜250A、金属酸化膜252A、導電膜260A、導電膜260B、および絶縁膜270Aを、エッチングし、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260(導電体260a、および導電体260b)、および絶縁体270を形成する(図7参照。)。 Next, using the
また、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、および絶縁体271は、少なくとも一部が、導電体205および酸化物230と重なるように形成する。 At least part of the
また、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面は、同一面内であることが好ましい。 Moreover, the side surface of the
また、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、および絶縁体270の側面と、酸化物230の上面のなす角が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、および絶縁体270の側面と、酸化物230の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、および絶縁体270の側面と、酸化物230の上面のなす角は大きいほど好ましい。 Also, the same plane shared by the side of
なお、上記加工後も、当該ハードマスク(絶縁体271)は除去せずに後工程を進めてもよい。 Note that post-processes may be performed without removing the hard mask (insulator 271) after the above processing.
次に、酸化物230、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、および絶縁体271を覆って、絶縁膜275Aを成膜する(図8参照。)。 Next, an insulating
絶縁膜275Aは、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。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、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁膜275Aに用いると、後の工程で絶縁体275中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。 The insulating
次に、絶縁膜275Aに異方性のエッチング処理を行い、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、および絶縁体270の側面に、絶縁体275を形成する(図9参照。)。なお、当該工程において、絶縁体224を島状に加工してもよい。その場合、絶縁体222をエッチングストッパ膜として用いることができる。 Next, an anisotropic etching treatment is performed on the insulating
なお、図示しないが、絶縁体224の側面にも絶縁体275が残存していてもよい。その場合、後の工程で成膜する層間膜などの被膜性を高めることができる。また、絶縁体224の側面に接して絶縁体275の残存した構造体が形成されていることで、絶縁体224にも過剰酸素領域を設けることができる。 Although not shown, the
続いて、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、および絶縁体275を介して、絶縁体224、および酸化物230上に膜242Aを成膜する(図10参照。)。なお、膜242Aは、0.5nm以上5nm以下、好ましくは、1nm以上3nm以下の膜厚にするとよい。膜242Aは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜242Aは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜242Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Subsequently, a
続いて、加熱処理を行う(図11参照。)。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜242Aから、膜242Aの成分である金属元素が酸化物230へ、または酸化物230の成分である金属元素が膜242Aへと、拡散し、酸化物230と、膜242Aが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物230と膜242Aとが、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Subsequently, heat treatment is performed (see FIG. 11). The heat treatment in the nitrogen-containing atmosphere causes the metal element that is a component of the
ここで、膜242Aの金属元素、および酸化物230の金属元素により、金属化合物を形成することで、層242とする。また、膜242Aと、酸化物230との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、膜242Aの成分と、酸化物230の成分とを含む金属化合物を有する層とする。なお、本明細書において、層242は、化合物層を含める場合がある。例えば、化合物層として、酸化物230の金属元素と、膜242Aの金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。合金化することで、金属元素は比較的安定な状態となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Here, the
加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。 The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state.
また、酸化物230と層242との界面近傍における酸素が層242に吸収される場合がある。その結果、酸化物230と層242との界面近傍が、低抵抗化する(図11参照。)。一方、層242は、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。 Oxygen near the interface between
その際、酸化物230の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物230に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、高抵抗化した層242は、層間膜として用いてもよい。 At that time, part of the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。 Alternatively, after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower.
また、層242に、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。層242を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, when a region having conductivity remains in the
上記層242の形成工程、または加熱処理において、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が、層242に吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、n型となり、低抵抗化される。 In the formation step of the
なお、層242は除去してもよい。例えば、除去する方法として、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。層242を除去することで、層242に吸収された酸化物230中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ200A中の不純物である水素を低減することができる。 Note that
続いて、絶縁体275、酸化物230上に絶縁体273を成膜する(図12参照。)。 Subsequently, an
また、絶縁体273は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体273として、酸化アルミニウムを用いるとよい。 Further, the
また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体273を成膜しながら、絶縁体275に酸素を導入することができる。特に、絶縁体275として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いると、絶縁体275に、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化シリコンと比較して、酸化物230は、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。また、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、例えば、絶縁体273として、スパッタリング法を用いた酸化膜を成膜した場合、絶縁体275に選択的に過剰酸素領域を形成することができる。また、このとき、酸化物230には過剰酸素領域が形成されにくいため、上述の酸化物230における低抵抗化領域が高抵抗化するのを抑制することができる。また、酸化物230、および絶縁体275から水素、および水を吸収することで、酸化物230、および絶縁体275の水素濃度を低減することができる。 In addition, film formation is performed in an oxygen gas atmosphere using a sputtering apparatus, so that oxygen can be introduced into the
上述のようにして過剰酸素領域が形成された絶縁体275は、当該過剰酸素領域から酸化物230の領域234へ、酸素を効果的に供給することができる。 The
上記構成とすることで、酸化物230の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。 With the above structure, each region of the
したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 Therefore, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体273へ吸収され、酸化物230中の水素を低減することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. By the heat treatment, hydrogen trapped in oxygen vacancies formed in the region 231 of the
次に、絶縁体273の上に、絶縁体274を成膜する(図12参照。)。絶縁体274の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。なお、絶縁体274は、成膜ガスに水素ガスを用いないことが好ましい。水素ガスを用いないことで、水素濃度が低減された絶縁膜を成膜することができる。例えば、絶縁体274として、CVD法により、シラン(SiH4)と窒素(N2)ガスを用いて、窒化シリコンを成膜するとよい。Next, an
次に、絶縁体274の上に、絶縁体280を成膜する(図12参照。)。絶縁体280の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体280として、酸化窒化シリコンを用いるとよい。 Next, an
次に、絶縁体280の一部を除去する。絶縁体280は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体280は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体280は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、CMP処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、CMP処理を用いる。ただし、絶縁体280の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。 Next, a portion of
続いて、絶縁体280上に、絶縁体282を形成する。絶縁体282は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。当該構造とすることで、水素が絶縁体282よりも下層の構造に混入することを抑制することができる。また、絶縁体280中の水素、または水が、絶縁体282へと吸収されるため、絶縁体280中の不純物濃度を低減することができる。 Subsequently, an
続いて、絶縁体282上に、絶縁体284を形成する(図12参照。)。例えば、絶縁体284として、CVD法により、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を形成する。絶縁体284は、絶縁体282よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Subsequently, an
次に、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に、酸化物230に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体240a、および導電体240bが酸化物230の側面に接して設けられるように、酸化物230に達する開口において、酸化物230の側面が露出するように、当該開口を形成する。 Openings are then formed in
次に、導電体240の第1の導電体となる導電膜、および導電体240の第2の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be the first conductor of the
ここで、例えば、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に開口を形成する際に、領域231の低抵抗化した領域を除去する場合がある。その場合、導電体240の第1の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接するため、当該接した領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230と導電体240の接触領域を低抵抗化することができる。導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240との十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when forming openings in the
次に、CMP処理を行うことで、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体284を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240a、および導電体240bを形成することができる(図13参照。)。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the
以上により、トランジスタ200Aを有する半導体装置を作製することができる。図3乃至図13に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200Aを作製することができる。 Through the above steps, a semiconductor device including the
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.
<半導体装置の変形例>
以下では、図14乃至図17を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ200Aを有する半導体装置の一例について説明する。<Modified Example of Semiconductor Device>
Examples of a semiconductor device including a
ここで、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(D)は、(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。各図(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 Here, (A) in each figure shows a top view. In addition, (B) of each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed-dotted line A1-A2 in (A). (C) of each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed line A3-A4 in (A). (D) of each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed-dotted line A5-A6 in (A). In the top view of each figure (A), some elements are omitted for clarity of illustration.
なお、図14乃至図17に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 Note that in the semiconductor devices shown in FIGS. 14 to 17, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices shown in <Structure Example of Semiconductor Device> are denoted by the same reference numerals.
以下、半導体装置の構成についてそれぞれ図14乃至図17を用いて説明する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。 Structures of semiconductor devices are described below with reference to FIGS. Note that in this item as well, the materials described in detail in <Structure Example of Semiconductor Device> can be used as constituent materials of the semiconductor device.
[半導体装置の変形例1]
図14に示す半導体装置では、酸化物230の側面と、基板と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図14(B)に示すように、テーパー角度(θ)は、45°以上80°以下、好ましくは、50°以上70°以下とすればよい。酸化物230がテーパー構造を有することで、絶縁体275に対して、異方性のエッチング処理を行った際に、酸化物230の側面を露出することができる。[
In the semiconductor device shown in FIG. 14, the side surface of
従って、酸化物230の側面においても、膜242Aと接することになり、金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物230の側面にも領域231を形成することができる。また、酸化物230がテーパー構造を有することで、酸化物230よりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。 Accordingly, the side surfaces of the
[半導体装置の変形例2]
図15に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置とは、層242の絶縁化した領域を除去したことが異なる。具体的には、図15に示すように、層242は酸化物230上のみ残存させてもよい。または、酸化物230中に金属化合物が形成されている場合、層242は除去してもよい。従って、領域231が、酸化物230のみに形成されていてもよい。[
The semiconductor device shown in FIG. 15 differs from the semiconductor device shown in <Structure Example of Semiconductor Device> in that the insulating region of the
なお、層242が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、層242へと吸収される。そこで、層242を除去することで、酸化物230から吸収した水素も除去することができる。従って、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。 Note that when the
[半導体装置の変形例3]
図16に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置とは、導電体240の形状が異なる。つまり、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置は、層間膜として機能する絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284と接して導電体240を設ける構造である。一方、図16に示す半導体装置は、絶縁体273、および絶縁体274に開口を設け、導電体240を形成する。つまり、導電体240は、層間膜と接しない構造である。従って、層間膜として機能する絶縁体の不純物が、導電体240を介して、トランジスタ200Aへと拡散することを抑制することができる。従って、導電体240上にはバリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。[
The semiconductor device shown in FIG. 16 differs from the semiconductor device shown in <Structure Example of Semiconductor Device> in the shape of the
[半導体装置の変形例4]
図17に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置とは、導電体240と層間膜として機能する絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284との間に、バリア層として機能する絶縁体276(絶縁体276a、および絶縁体276b)を設けたことが異なる。なお、本構造とする場合、絶縁体276、および絶縁体282は、酸素、水素、および水に対し、バリア性を有することが好ましい。[
The semiconductor device shown in FIG. 17 differs from the semiconductor device shown in <Structure Example of Semiconductor Device> in that barriers are provided between the
具体的には、図17に示すように、導電体240と、絶縁体280、およびバリア性を有する絶縁体282との間に絶縁体276を設けるとよい。特に、絶縁体276は、バリア性を有する絶縁体282と接して設けられることが好ましい。絶縁体276と、絶縁体282とが接して設けられることで、絶縁体276が絶縁体284まで延在し、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。 Specifically, as shown in FIG. 17, an
つまり、絶縁体276を設けることで、絶縁体280が有する不純物が、導電体240を介して、トランジスタ200Aへと拡散し、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。また、絶縁体276を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。 In other words, provision of the
絶縁体276には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 A metal oxide can be used for the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態2)
以下では、実施の形態1で示したトランジスタ200Aを有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200Bを有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 2)
An example of a semiconductor device including a
なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、機能、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、機能、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。 Note that in the semiconductor device described in this embodiment, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices described in the previous embodiments are denoted by the same reference numerals. Therefore, differences from the semiconductor device shown in the previous embodiment will be mainly described, and repeated descriptions will be omitted. Further, if there is no particular description of materials, functions, manufacturing methods, and the like of structures denoted by the same reference numerals, the materials, functions, manufacturing methods, and the like of the structures refer to the contents described in the above embodiments. be able to.
<半導体装置の構成例>
図18(A)、図18(B)、図18(C)、および図18(D)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200B、およびトランジスタ200B周辺の上面図および断面図である。<Structure example of semiconductor device>
FIGS. 18A, 18B, 18C, and 18D are a top view and a cross-sectional view of a
図18(A)は、トランジスタ200Bを有する半導体装置の上面図である。また、図18(B)、図18(C)、および図18(D)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図18(B)は、図18(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Bのチャネル長方向の断面図でもある。また、図18(C)は、図18(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Bのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図18(D)は、図18(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Bのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図18(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 18A is a top view of a semiconductor device including a
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200Bと、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284と、を有する。また、トランジスタ200Bと電気的に接続し、配線として機能する導電体203と、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、および導電体240b)と、を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
導電体240は、絶縁体275、絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体284の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体284の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体240が2層の積層構造である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240は、単層、または3層以上の積層構造でもよい。 The
[トランジスタ200B]
図18に示すトランジスタ200Bは、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面と接して配置された絶縁体272と、酸化物230上、および絶縁体272上に配置された層242と、層242上に配置された絶縁体275と、絶縁体275上に配置された絶縁体273と、絶縁体273上に配置された絶縁体274と、を有している点が、実施の形態1で示したトランジスタ200Aと異なる。[
The
また、トランジスタ200Bは、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体を用いることが好ましい。 In the
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200Bは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200Bに用いることができる。 Since the
ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。 Here, the oxide semiconductor forms a metal compound with low resistance by adding metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten in addition to the elements constituting the oxide semiconductor. become Note that it is preferable to use aluminum, titanium, tantalum, tungsten, or the like.
酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。 In order to add a metal element to an oxide semiconductor, for example, a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element is preferably provided over the oxide semiconductor. Further, when the film is provided, part of oxygen in the oxide semiconductor located at or near the interface between the film and the oxide semiconductor is absorbed by the film or the like to form oxygen vacancies. The vicinity of the interface may have a low resistance.
また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, after a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is provided over the oxide semiconductor, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen. By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element is converted into an oxide semiconductor by the metal element as a component of the film, or as a component of the oxide semiconductor. A certain metal element diffuses into the film, the oxide semiconductor and the film form a metal compound, and the resistance can be reduced. The metal element added to the oxide semiconductor forms a metal compound with the oxide semiconductor and the metal element, so that the metal element is in a relatively stable state; therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided.
また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜と、酸化物半導体との界面に、化合物層(異層)が形成されていてもよい。なお、化合物層(異層)とは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物半導体の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。当該合金化した層は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 A compound layer (different layer) may be formed at the interface between the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element, and the oxide semiconductor. Note that the compound layer (different layer) is a layer having a metal compound containing a component of a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element, and a component of an oxide semiconductor. For example, as the compound layer, a layer in which the metal element of the oxide semiconductor and the added metal element are alloyed may be formed. The alloyed layer is in a relatively stable state and can provide a highly reliable semiconductor device.
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。 In addition, when hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor and enters oxygen vacancies in the low-resistance region, the hydrogen is in a relatively stable state. Further, hydrogen in the oxygen vacancies present in the oxide semiconductor escapes from the oxygen vacancies by heat treatment at 250° C. or higher, diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor, and oxygen vacancies existing in the low-resistance region. It is known that it enters into the inside and becomes a relatively stable state. Therefore, by heat treatment, the resistance of the region where the resistance of the oxide semiconductor is reduced or the region where the metal compound is formed is further reduced, and the oxide semiconductor which is not reduced in resistance is purified (impurities such as water and hydrogen). reduction) and tends to increase the resistance.
また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。 In addition, the oxide semiconductor has an increased carrier density when an impurity element such as hydrogen or nitrogen is present. Hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen that bonds to a metal atom to become water, which may cause oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancies, the carrier density increases. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. That is, the resistance of an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced.
従って、酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。 Therefore, by selectively adding a metal element and an impurity element such as hydrogen and nitrogen to an oxide semiconductor, a high-resistance region and a low-resistance region can be provided in the oxide semiconductor. In other words, by selectively reducing the resistance of the
ここで、図18(B)において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含む領域239の拡大図を図19に示す。 Here, FIG. 19 shows an enlarged view of a
図19に示すように、酸化物230は、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。 As shown in FIG. 19, the
領域232は、絶縁体272と重畳する領域を有する。 Region 232 has a region that overlaps
領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、層242を成膜するとよい。層242としては、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを用いることができる。層242は、少なくとも、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、絶縁体271、および絶縁体272を介して、酸化物230上に設けることが好ましい。 To reduce the resistance of region 231 , for example,
酸化物230と層242とが接することにより、層242の成分と、酸化物230の成分とが、金属化合物を形成し、領域231となり、低抵抗化する。また、酸化物230と層242との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が層242に吸収され、酸化物230に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域231を形成する場合がある。 By contacting the
また、酸化物230と、層242とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、層242から、層242の成分である金属元素が酸化物230へ、または酸化物230の成分である金属元素が層242へと、拡散し、酸化物230と、層242とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、その際、酸化物230の金属元素と、層242の金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の金属元素と、層242の金属元素とが、合金化することで、金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen while the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
一方、酸化物230の導電体260、および絶縁体272と重畳する領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体272により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素原子が、上述した層242へ吸収されることが抑制される。 On the other hand, addition of a metal element to regions (
また、層242に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。 In addition, oxygen in the region 231 of the
ここで、層242が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。また、層242は、後の工程で、酸化物230から吸収した水素とともに除去してもよい。 Here, if the
なお、層242は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、層242を絶縁化し、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。例えば、層242は、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。その場合、層242は、層間膜として機能する場合がある。 Note that the
また、例えば、層242に、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、層242の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、層242は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。 Further, for example, when a conductive region remains in the
層242を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。当該構造とする場合、層242は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。例えば、層242は、0.5nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の膜厚で設けるとよい。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物230と、層242とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物230中の酸素が層242に拡散しやすくなる。 By leaving the
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor including an oxide semiconductor, if impurities and oxygen vacancies are present in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, electrical characteristics are likely to vary, and reliability may be degraded. In addition, when oxygen vacancies are included in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, the transistor tends to have normally-on characteristics. Therefore, oxygen vacancies in the
そこで、図19に示すように、酸化物230と近接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体275を設けることが好ましい。絶縁体275が有する過剰酸素は、層242を通過し、酸化物230へと拡散し、酸化物230の酸素欠損を低減することができる。 Therefore, as shown in FIG. 19, an
つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。一方、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損も、絶縁体275から供給された酸素により補償される。しかしながら、酸化物230、および層242に形成された低抵抗領域は、金属化合物が形成されているため、安定である。従って、金属化合物が形成されていない領域234よりも、低い抵抗を維持することができる。 That is, excess oxygen in the
また、絶縁体275に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体275に接する絶縁体273として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。 In order to provide the excess oxygen region in the
絶縁体275に過剰な酸素を導入することで、絶縁体275中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体275の過剰な酸素は、酸化物230に供給され、酸化物230の酸素欠損を補償することができる。 By introducing excess oxygen into the
また、絶縁体273は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物230と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物230中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物230と、酸化アルミニウムとの間に層242、および絶縁体275が設けられている場合、層242、および絶縁体275中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層242は、酸化物230中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物230中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体273と、酸化物230とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体273から酸化物230、絶縁体224、または絶縁体222に酸素を供給できる場合がある。 Aluminum oxide is preferably used for the
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。 By combining the above structure or the above steps, the resistance of the
つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、および絶縁体272をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200Bを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200Bのチャネル長は、導電体260の幅、および絶縁体272の膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200Bの微細化が可能となる。 That is, when the low-resistance region is formed in the
以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 As described above, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。 Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device. In addition, since a transistor including an oxide semiconductor for a channel formation region has extremely low leakage current (off-state current) in a non-conducting state, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in electrical characteristics is suppressed, stable electrical characteristics are obtained, and reliability is improved.
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Bを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態1で示したトランジスタ200Aを有する半導体装置と異なる点について説明する。 A structure of the semiconductor device including the
領域232は、少なくとも、絶縁体272と重畳する領域を有する。 Region 232 has at least a
また、絶縁体270上に、ハードマスクとして機能する絶縁体271を配置することが好ましい。絶縁体271を設けることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が概略垂直、具体的には、導電体260の側面と基板表面のなす角を、75°以上100°以下、好ましくは80°以上95°以下とすることができる。導電体260をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体272を所望の形状に形成することができる。 An
バッファ層として機能する絶縁体272は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。なお、絶縁体272は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いてもよい。その場合、絶縁体272はバリア層としての機能も有する。 The
例えば、絶縁体272として、ALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。絶縁体272は、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体272として、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体272の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。 For example, the
絶縁体272を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面を覆うことができる。従って、絶縁体250、および金属酸化物252の端部などから酸化物230に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。そのため、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200Bの信頼性を向上させることができる。つまり、絶縁体272は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。 By providing the
酸化物230、絶縁体272、および絶縁体271上に絶縁体275を設ける。過剰酸素領域を有する絶縁体275は、酸化物230に近接して設ける。 An
例えば、絶縁体275として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 For example, the
また、絶縁体275は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体275として、酸化物230c、および絶縁体250と接して設けることで、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体275中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体272、および絶縁体275を設けることで、導電体260の酸化を抑制しながら、絶縁体275が有する過剰酸素を酸化物230へ供給することが可能となる。つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234の酸素欠損が低減するため、酸化物230の領域234は、より高抵抗化する。一方、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損も、同様に、絶縁体275から供給された酸素により補償される。 By providing the
しかしながら、酸化物230、および層242に形成された低抵抗領域は、金属化合物が形成されているため、安定である。従って、金属化合物が形成されていない領域234よりも、低い抵抗を維持することができる。 However,
絶縁体273は、少なくとも酸化物230の領域231上、および絶縁体275上に設けられる。絶縁体273をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体275へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物230中に酸素を供給することができる。また、絶縁体273を、酸化物230の領域231上に設けることで、酸化物230中の水素を、絶縁体273へと引き抜くことができる。 An
例えば、絶縁体273として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less.
また、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。 In openings formed in the
なお、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275の開口の内壁に接して導電体240bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 Note that the
ここで、例えば、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物230が露出する場合がある。その場合、導電体240の酸化物230と接する導電体(以下、導電体240の第1の導電体ともいう。)に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、低抵抗化していない酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物230に酸素欠損が形成され、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230が、低抵抗化する。従って、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when openings are formed in the
また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275と接する導電体には、導電体205の第1の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体280より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。 In the case where the
<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200Bを有する半導体装置について、作製方法を図20乃至図25を用いて説明する。また、図20乃至図25において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(D)は、(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。<Method for manufacturing a semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the
図18に示す半導体装置の作製方法は、絶縁体271を形成するまでは、図1に示す半導体装置の作製方法と同様である。よって、図3乃至図7に係る半導体装置の作製方法を参酌することができる。 A method for manufacturing the semiconductor device illustrated in FIG. 18 is the same as the method for manufacturing the semiconductor device illustrated in FIG. 1 until the
なお、絶縁膜271Aの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜272Aの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体272を形成する際、導電体260の上に絶縁体271を、容易に残存させることができる。本実施の形態では、絶縁膜271Aとして、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Note that the insulating
絶縁体271を形成した後、酸化物230、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、および絶縁体271を覆って、絶縁膜272Aを成膜する(図20参照。)。 After the
絶縁膜272Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。 The insulating
絶縁膜272Aは、被覆性に優れたALD法により成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、導電体260などにより形成された段差部においても、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、および絶縁体270の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜272Aを形成することができる。また、ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。 The insulating
一方、絶縁膜272Aとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体260が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体260が絶縁膜272Aの上方からの酸素で酸化するのを抑制することができる。これにより、導電体260の抵抗値が上がることを抑制することができる。 On the other hand, as the insulating
絶縁膜272Aとして、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜272Aの膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体260の酸化を抑制しながら、絶縁体275が有する過剰酸素を酸化物230、および絶縁体250へ供給することが可能となる。 When aluminum oxide is provided as the insulating
次に、絶縁膜272Aに異方性のエッチング処理を行い、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、および絶縁体270の側面に、絶縁体272を形成する(図21参照)。 Next, an anisotropic etching treatment is performed on the insulating
上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体272を自己整合的に形成することができる。 As the anisotropic etching treatment, dry etching treatment is preferably performed. As a result, the
なお、当該工程において、絶縁体224を島状に加工してもよい。その場合、絶縁体222をエッチングストッパ膜として用いることができる。 Note that in this step, the
続いて、酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、および絶縁体272を介して、絶縁体224、および酸化物230上に膜242Aを成膜する(図22参照。)。膜242Aの材料、成膜方法等は、実施の形態1の膜242Aを参酌することができる。 Subsequently, a
続いて、加熱処理を行う(図23参照。)。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜242Aから、膜242Aの成分である金属元素が酸化物230へ、または酸化物230の成分である金属元素が膜242Aへと、拡散し、酸化物230と、膜242Aが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物230と膜242Aとが、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Subsequently, heat treatment is performed (see FIG. 23). The heat treatment in the nitrogen-containing atmosphere causes the metal element that is a component of the
ここで、膜242Aの金属元素、および酸化物230の金属元素により、金属化合物を形成することで、層242とする。また、膜242Aと、酸化物230との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、膜242Aの成分と、酸化物230の成分とを含む金属化合物を有する層とする。なお、本明細書において、層242は、化合物層を含める場合がある。例えば、化合物層として、酸化物230の金属元素と、膜242Aの金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。合金化することで、金属元素は比較的安定な状態となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Here, the
加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。 The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state.
また、酸化物230と層242との界面近傍における酸素が層242に吸収される場合がある。その結果、酸化物230と層242との界面近傍が、低抵抗化する(図23参照。)。一方、層242は、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。 Oxygen near the interface between
その際、酸化物230の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物230に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、高抵抗化した層242は、層間膜として用いてもよい。 At that time, part of the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。 Alternatively, after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower.
また、層242に、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。層242を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, when a region having conductivity remains in the
上記層242の形成工程、または加熱処理において、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が、層242に吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、n型となり、低抵抗化される。 In the formation step of the
なお、層242は除去してもよい。例えば、除去する方法として、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。層242を除去することで、層242に吸収された酸化物230中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ200B中の不純物である水素を低減することができる。 Note that
続いて、層242上に、絶縁体275を成膜する(図24参照。)。絶縁体275の材料は、実施の形態1の絶縁膜275Aを参酌することができる。 Subsequently, an
なお、図示しないが、絶縁体224の側面にも絶縁体275が残存していてもよい。その場合、後の工程で成膜する層間膜などの被膜性を高めることができる。また、絶縁体224の側面に接して絶縁体275の残存した構造体が形成されていることで、絶縁体224にも過剰酸素領域を設けることができる。 Although not shown, the
続いて、絶縁体275上に絶縁体273を成膜する(図24参照。)。絶縁体273の材料、成膜方法等は、実施の形態1の絶縁体273を参酌することができる。 Subsequently, an
また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体273を成膜しながら、絶縁体275に酸素を導入することができる。特に、絶縁体275として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いると、絶縁体275に、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。また、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、例えば、絶縁体273として、スパッタリング法を用いた酸化膜を成膜した場合、絶縁体275に選択的に過剰酸素領域を形成することができる。また、絶縁体275から水素、および水を吸収することで、絶縁体275の水素濃度を低減することができる。 In addition, film formation is performed in an oxygen gas atmosphere using a sputtering apparatus, so that oxygen can be introduced into the
上述のようにして過剰酸素領域が形成された絶縁体275は、当該過剰酸素領域から酸化物230へ、酸素を効果的に供給することができる。つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234の酸素欠損が低減するため、酸化物230の領域234は、より高抵抗化する。一方、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損も、同様に、絶縁体275から供給された酸素により補償される。 The
しかしながら、酸化物230、および層242に形成された低抵抗領域は、金属化合物が形成されているため、安定である。従って、金属化合物が形成されていない領域234よりも、低い抵抗を維持することができる。 However,
上記構成とすることで、酸化物230の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。 With the above structure, each region of the
したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 Therefore, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体273へ吸収され、酸化物230中の水素を低減することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. By the heat treatment, hydrogen trapped in oxygen vacancies formed in the region 231 of the
次に、絶縁体273の上に、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284を順に形成する(図24参照。)。なお、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284の材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態1の絶縁体274、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284を参酌することができる。 Next, an
次に、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275に、酸化物230に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体240a、および導電体240bが酸化物230の側面に接して設けられるように、酸化物230に達する開口において、酸化物230の側面が露出するように、当該開口を形成する。 Openings are then formed in
次に、導電体240の第1の導電体となる導電膜、および導電体240の第2の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be the first conductor of the
ここで、例えば、絶縁体284、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273、および絶縁体275に開口を形成する際に、領域231の低抵抗化した領域を除去する場合がある。その場合、導電体240の第1の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接するため、当該接した領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230と導電体240の接触領域を低抵抗化することができる。導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240との十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when openings are formed in the
次に、CMP処理を行うことで、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体284を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240a、および導電体240bを形成することができる(図25参照。)。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the
以上により、トランジスタ200Bを有する半導体装置を作製することができる。図20乃至図25に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200Bを作製することができる。 Through the above steps, a semiconductor device including the
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.
<半導体装置の変形例>
以下では、図26乃至図29を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ200Bを有する半導体装置の一例について説明する。<Modified Example of Semiconductor Device>
Examples of a semiconductor device including a
ここで、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(D)は、(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。各図(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 Here, (A) in each figure shows a top view. In addition, (B) of each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed-dotted line A1-A2 in (A). (C) of each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed line A3-A4 in (A). (D) of each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed-dotted line A5-A6 in (A). In the top view of each figure (A), some elements are omitted for clarity of illustration.
なお、図26乃至図29に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 Note that in the semiconductor devices shown in FIGS. 26 to 29, structures having the same functions as structures forming the semiconductor devices shown in <Structure Example of Semiconductor Device> are denoted by the same reference numerals.
以下、半導体装置の構成についてそれぞれ図26乃至図29を用いて説明する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については、先の実施の形態、および<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。 Structures of semiconductor devices are described below with reference to FIGS. Note that in this item as well, the materials described in detail in the above embodiments and <Structure Example of Semiconductor Device> can be used as constituent materials of the semiconductor device.
[半導体装置の変形例1]
図26に示す半導体装置では、酸化物230の側面と、基板と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図26(B)に示すように、テーパー角度(θ)は、45°以上80°以下、好ましくは、50°以上70°以下とすればよい。酸化物230がテーパー構造を有することで、絶縁体272に対して、異方性のエッチング処理を行った際に、酸化物230の側面を露出することができる。[
In the semiconductor device shown in FIG. 26, the side surface of
従って、酸化物230の側面においても、膜242Aと接することになり、金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物230の側面にも領域231を形成することができる。また、酸化物230がテーパー構造を有することで、酸化物230よりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。 Accordingly, the side surfaces of the
[半導体装置の変形例2]
図27に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置とは、層242の絶縁化した領域を除去したことが異なる。具体的には、図27に示すように、層242は酸化物230上のみ残存させてもよい。または、酸化物230中に金属化合物が形成されている場合、層242は除去してもよい。従って、領域231が、酸化物230のみに形成されていてもよい。[
The semiconductor device shown in FIG. 27 differs from the semiconductor device shown in <Structure Example of Semiconductor Device> in that the insulating region of the
なお、層242が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、層242へと吸収される。そこで、層242を除去することで、酸化物230から吸収した水素も除去することができる。従って、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。 Note that when the
[半導体装置の変形例3]
図28に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置とは、導電体240の形状が異なる。つまり、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置は、層間膜として機能する絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284と接して導電体240を設ける構造である。一方、図28に示す半導体装置は、絶縁体275、絶縁体273、および絶縁体274に開口を設け、導電体240を形成する。つまり、導電体240は、層間膜と接しない構造である。従って、層間膜として機能する絶縁体の不純物が、導電体240を介して、トランジスタ200Bへと拡散することを抑制することができる。従って、導電体240上にはバリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。[
The semiconductor device shown in FIG. 28 differs from the semiconductor device shown in <Structure Example of Semiconductor Device> in the shape of the
[半導体装置の変形例4]
図29に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置とは、導電体240と層間膜として機能する絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体284との間に、バリア層として機能する絶縁体276(絶縁体276a、および絶縁体276b)を設けたことが異なる。なお、本構造とする場合、絶縁体276、および絶縁体282は、酸素、水素、および水に対し、バリア性を有することが好ましい。[
The semiconductor device shown in FIG. 29 differs from the semiconductor device shown in <Structure Example of Semiconductor Device> in that barriers are provided between the
具体的には、図29に示すように、導電体240と、絶縁体280、およびバリア性を有する絶縁体282との間に絶縁体276を設けるとよい。特に、絶縁体276は、バリア性を有する絶縁体282と接して設けられることが好ましい。絶縁体276と、絶縁体282とが接して設けられることで、絶縁体276が絶縁体284まで延在し、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。 Specifically, as shown in FIG. 29, an
つまり、絶縁体276を設けることで、絶縁体280が有する不純物が、導電体240を介して、トランジスタ200Bへと拡散し、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。また、絶縁体276を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。 In other words, provision of the
絶縁体276には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 A metal oxide can be used for the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態3)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Cを有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 3)
An example of a semiconductor device including the
なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。 Note that in the semiconductor device described in this embodiment, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices described in the previous embodiments are denoted by the same reference numerals. Therefore, differences from the semiconductor device shown in the previous embodiment will be mainly described, and repeated descriptions will be omitted. Further, when there is no particular description of materials, manufacturing methods, and the like of structures denoted by the same reference numerals, the descriptions in the above embodiments can be referred to for the materials, manufacturing methods, and the like of the structures.
<半導体装置の構成例>
図30(A)乃至図30(D)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200C、およびトランジスタ200C周辺の上面図および断面図である。<Structure example of semiconductor device>
30A to 30D are a top view and a cross-sectional view of a
図30(A)は、トランジスタ200Cを有する半導体装置の上面図である。また、図30(B)、図30(C)、および図30(D)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図30(B)は、図30(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのチャネル長方向の断面図でもある。また、図30(C)は、図30(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図30(D)は、図30(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図30(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 30A is a top view of a semiconductor device having a
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200Cと、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、および絶縁体282と、を有する。また、トランジスタ200Cと電気的に接続し、配線として機能する導電体203と、プラグとして機能する導電体240と、を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
なお、導電体203は、絶縁体212の開口の内壁に接して導電体203の第1の導電体203aが形成され、さらに内側に導電体203の第2の導電体203bが形成されている。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200Cでは、導電体203の第1の導電体203aおよび導電体203の第2の導電体203bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。 A
また、導電体240は、絶縁体280、および絶縁体282の開口の内壁に接して導電体240の第1の導電体が形成され、さらに内側に導電体240の第2の導電体が形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体282の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200Cでは、導電体240の第1の導電体および導電体240の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。 In the
[トランジスタ200C]
図30に示すように、トランジスタ200Cは、基板(図示しない。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体271と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に接し、かつ酸化物230bの上面の一部と接して配置された絶縁体272と、絶縁体272を介して導電体260の側面に配置された絶縁体273と、を有する。[
As shown in FIG. 30, the
また、トランジスタ200Cは、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体を用いることが好ましい。 In the
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200Cは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200Cに用いることができる。 Since the
ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が当該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。 Here, the oxide semiconductor forms a metal compound with low resistance by adding metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten in addition to the elements constituting the oxide semiconductor. become Note that it is preferable to use aluminum, titanium, tantalum, tungsten, or the like. In order to add a metal element to an oxide semiconductor, for example, a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element is preferably provided over the oxide semiconductor. In addition, when the film is provided, part of oxygen in the oxide semiconductor located at or near the interface between the film and the oxide semiconductor is absorbed by the film or the like, forming oxygen vacancies and causing oxidation. In some cases, the vicinity of the interface of the material semiconductor becomes low in resistance.
また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物半導体と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物半導体と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, after a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is provided over the oxide semiconductor, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen. By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal element can be diffused from the metal film into the oxide semiconductor, and the metal element can be added to the oxide semiconductor. Note that at that time, the oxide semiconductor and the metal element may be alloyed. By alloying the oxide semiconductor and the metal element, the metal element added to the oxide semiconductor is in a relatively stable state; therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided.
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。したがって、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。 In addition, when hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor and enters oxygen vacancies in the low-resistance region, the hydrogen is in a relatively stable state. Further, hydrogen in the oxygen vacancies present in the oxide semiconductor escapes from the oxygen vacancies by heat treatment at 250° C. or higher, diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor, and oxygen vacancies existing in the low-resistance region. It is known that it enters into the inside and becomes a relatively stable state. Therefore, by heat treatment, the resistance of the region where the resistance of the oxide semiconductor is reduced or the region where the metal compound is formed is further reduced, and the oxide semiconductor which is not reduced in resistance is purified (impurities such as water and hydrogen). reduction) and tends to increase the resistance.
また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。 In addition, the oxide semiconductor has an increased carrier density when an impurity element such as hydrogen or nitrogen is present. Hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen that bonds to a metal atom to become water, which may cause oxygen vacancies. Hydrogen entering the oxygen vacancies increases the carrier density. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. That is, the resistance of an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced.
したがって、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。 Therefore, by selectively adding a metal element and an impurity element such as hydrogen and nitrogen to an oxide semiconductor, a high-resistance region and a low-resistance region can be provided in the oxide semiconductor. In other words, by selectively reducing the resistance of the
ここで、図30(B)において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含む領域239の拡大図を図31に示す。 Here, FIG. 31 shows an enlarged view of a
図31に示すように、酸化物230は、トランジスタ200Cのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。 As shown in FIG. 31, the
例えば、領域231は、酸化物230の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。酸化物230に、金属元素が添加されることで、領域231を低抵抗化することができる。なお、領域231は、酸化物230中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した領域を有してもよい。 For example, in addition to the
領域232は、絶縁体272と重畳する領域を有する。領域232は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域234よりも高いことが好ましい。領域232を形成するためには、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設ければよい。これにより、当該膜中の金属元素が酸化物半導体に添加され、酸化物半導体中に金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物230に含まれる水素を引き寄せる場合がある。これにより、領域231の近傍である領域232の水素の濃度が高くなる場合がある。 Region 232 has a region that overlaps
なお、領域232a、および領域232bのいずれか一方または双方は、導電体260と重畳する領域を有する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体260と、領域232aおよび領域232bとを、オーバーラップさせることが可能となる。 Note that one or both of the
また、図30および図31では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は、酸化物230aまたは酸化物230cに形成されていてもよい。また、図30および図31では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232が、酸化物230bの表面近傍では導電体260側に張り出し、酸化物230bの下面近傍では、導電体240a側または導電体240b側に後退する形状になる場合がある。 Also, although
また、酸化物230において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域間の段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。 Also, in the
酸化物230を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。 In order to selectively reduce the resistance of the
したがって、領域231は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。 Therefore, in the region 231, the carrier density is increased and the resistance is reduced by increasing the content of the metal element that increases conductivity, the element that forms oxygen vacancies, or the element that is captured by oxygen vacancies. be able to.
領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、少なくとも、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体271、絶縁体272、および絶縁体273を介して、酸化物230b上に設けることが好ましい。 In order to reduce the resistance of the region 231 , for example, a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element may be formed in contact with the region 231 of the
酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けることで、酸化物230の領域231へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域231に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域231と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が当該膜に吸収され、領域231に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図31において、酸化物230の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図31の範囲に限定されない。例えば、酸化物230と導電体240との界面近傍の領域、または領域231における、酸化物230の上面から酸化物230の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域(または範囲)が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。 By providing a metal film, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element in contact with the region 231 of the
また、領域231と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物230の領域231へ、金属元素が拡散し、領域231に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物230の領域231と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の領域231と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen while the region 231 is in contact with the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element. By the heat treatment, the metal element can be diffused from the metal film into the region 231 of the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
一方、酸化物230の導電体260、および絶縁体272と重畳する領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体272により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。 On the other hand, addition of a metal element to regions (
また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。 In addition, oxygen in the region 231 of the
ここで、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。したがって、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、後の工程で、酸化物230から吸収した水素とともに除去してもよい。 Here, if a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element has the property of absorbing hydrogen, the hydrogen in the
なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。 Note that the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element does not necessarily have to be removed. For example, when a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is oxidized by oxygen absorbed from the
また、例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, for example, when a conductive region remains in a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize the film. , becomes an insulator and has a high resistance. By leaving a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element as an insulator, it can function as an interlayer film.
したがって、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、0.5nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、0.5nm以上5nm以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると0.7nm以上8nm以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。 Therefore, the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element is preferably provided with a thickness of 0.5 nm or more and 5 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less. For example, when aluminum with a thickness of 0.5 nm or more and 5 nm or less is oxidized by heat treatment, aluminum oxide with a thickness of 0.7 nm or more and 8 nm or less may be obtained.
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor including an oxide semiconductor, if impurities and oxygen vacancies are present in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, electrical characteristics are likely to fluctuate, and reliability may be degraded. In addition, when oxygen vacancies are included in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, the transistor tends to have normally-on characteristics. Therefore, oxygen vacancies in the
そこで、図30および図31に示すように、酸化物230の領域231の上に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体273を設けることが好ましい。つまり、絶縁体273が有する過剰酸素が、絶縁体272、絶縁体280、および、酸化物230の領域231および領域232を通じて、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。 Therefore, as shown in FIGS. 30 and 31, an
なお、絶縁体273の下に配置された絶縁体272は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。したがって、例えば、絶縁体273から供給された酸素により、絶縁体272中に過剰酸素領域が形成される場合がある。当該過剰酸素領域を有する絶縁体272を、図30および図31に示すように、酸化物230の領域234の周辺に設けることで、酸化物230の領域234へ、絶縁体272の過剰酸素を効果的に供給することができる。 Note that silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having holes is preferably used for the
また、酸素供給源となる絶縁体273は、スパッタリング法によって成膜した酸化物を用いることが好ましい。スパッタリング法を用いて成膜した酸化物は、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を形成することができる。酸化物としては、特に、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。 For the
酸化物の成膜にスパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくい。そのため、絶縁体273となる絶縁体の成膜時に、絶縁体272および酸化物230への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。 In the case of using a sputtering method for forming an oxide film, for example, the film is preferably formed using a facing target type sputtering apparatus. Since the facing target type sputtering apparatus can form a film without exposing the film formation surface to the high electric field region between the opposing targets, the film formation surface is less likely to be damaged by plasma. Therefore, damage to the
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。 During film formation by the sputtering method, ions and sputtered particles are present between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power supply and given a potential E0. A potential E1 such as a ground potential is applied to the substrate. However, the substrate may be electrically floating. A region having potential E2 exists between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2>E1>E0.
プラズマ内のイオンが、電位差E2-E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体272に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2-E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体272内部まで到達する。イオンが絶縁体272に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体272に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体272に過剰酸素領域が形成される。 Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, thereby ejecting sputtered particles from the target. The sputtered particles adhere to the film formation surface and accumulate to form a film. In addition, some ions may recoil by the target, pass through the film formed as recoil ions, and be taken into the
絶縁体272に過剰な酸素を導入することで、絶縁体272中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体272中の過剰な酸素は、絶縁体272と接する酸化物230へ供給される。当該酸素が、酸化物230の領域234へと供給されることで、酸化物230の酸素欠損を補償することができる。 By introducing excess oxygen into the
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。 By combining the above structure or the above steps, the resistance of the
つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、絶縁体272、または絶縁体273をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200Cを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性ばらつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200Cのチャネル長は、導電体260の幅、および絶縁体272の成膜膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200Cの微細化が可能となる。 That is, when the low-resistance region is formed in the
以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 As described above, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。 Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device. In addition, since a transistor including an oxide semiconductor for a channel formation region has extremely low leakage current (off-state current) in a non-conducting state, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in electrical characteristics is suppressed, stable electrical characteristics are obtained, and reliability is improved.
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Cを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態1で示したトランジスタ200Aを有する半導体装置と異なる点について説明する。 A structure of the semiconductor device including the
導電体205は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して第1の導電体205aが形成され、さらに内側に第2の導電体205bが形成されている。ここで、第1の導電体205aおよび第2の導電体205bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200Cでは、第1の導電体205aおよび第2の導電体205bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。 The
ここで、導電体205または導電体203の第1の導電体(導電体205aまたは導電体203a)は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。Here, the first conductor (the
導電体205または導電体203の第1の導電体(導電体205aまたは導電体203a)が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205または導電体203の第2の導電体(導電体205bまたは導電体203b)が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体205または導電体203の第1の導電体(導電体205aまたは導電体203a)としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、基板側(絶縁体210よりも下方)からトランジスタ200C側に拡散するのを抑制することができる。 Since the first conductor (the
また、導電体205の第2の導電体205bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205の第2の導電体205bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the
また、導電体203の第2の導電体203bは、配線として機能するため、導電体205の第2の導電体205bより導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体203の第2の導電体203bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 In addition, since the
特に、導電体203に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200Cの電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。 In particular, it is preferable to use copper for the
なお、導電体205、絶縁体214、および絶縁体216は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体203の一部が第2のゲート電極として機能することができる。 Note that the
絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、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物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200Cの信頼性を向上させることができる。 Here, as the
また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有する。なお、領域232は、少なくとも、絶縁体272と重畳する領域を有する。
絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、TDS分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018molecules/cm3以上、好ましくは1.0×1019molecules/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019molecules/cm3、または3.0×1020molecules/cm3である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。 Specifically, silicon oxide having excess oxygen, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and vacancies Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable against heat.
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230cを通じて、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 An insulator from which oxygen is released by heating is provided as the
また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、絶縁体250と導電体260との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体250からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。 Further, a metal oxide may be provided between the
なお、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いhigh-k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 Note that the metal oxide may function as part of the gate insulator. Therefore, when silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the
また、当該金属酸化物は、第1のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物230として用いることができる酸化物半導体を、当該金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体260をスパッタリング法で成膜することで、当該金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体(OC電極)とすることができる。 The metal oxide may also function as part of the first gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the
当該金属酸化物を有することで、導電体260からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ200Cのオン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体250と、当該金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体260と、酸化物230との間の距離を保つことで、導電体260と酸化物230との間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体250、および当該金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体260と酸化物230との間の物理的な距離、および導電体260から酸化物230へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。 By including the metal oxide, the on-state current of the
具体的には、当該金属酸化物として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、酸化物230に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、当該金属酸化物として用いることができる。 Specifically, the metal oxide includes one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, and the like. Oxides can be used. Alternatively, an oxide semiconductor that can be used for the
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat history in the subsequent steps.
第1のゲート電極として機能する導電体260は、導電体260a、および導電体260a上の導電体260bを有する。導電体260aは、導電体205の第1の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。A
導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250が有する過剰酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 Since the
また、導電体260bの上に、バリア膜として機能する絶縁体を配置してもよい。当該絶縁体は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、当該絶縁体よりも上方からの酸素で導電体260が酸化するのを抑制することができる。また、当該絶縁体よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体260および絶縁体250を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。 Alternatively, an insulator functioning as a barrier film may be placed over the
また、当該絶縁体上に、ハードマスクとして機能する絶縁体271を配置することが好ましい。絶縁体271を設けることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が略垂直、具体的には、導電体260の側面と基板表面のなす角を、75°以上100°以下、好ましくは80°以上95°以下とすることができる。導電体260をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体272を所望の形状に形成することができる。 Further, an
なお、絶縁体271に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、導電体260b上に、上述したバリア膜としての機能を有する絶縁体を別途設けなくともよい。 Note that the
バリア膜、およびバッファ層として機能する絶縁体272は、図30(B)に示すように、トランジスタ200Cのチャネル長方向において、酸化物230bの上面の一部(領域232と重なる部分)と、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、および導電体260の側面に接して設ける。かつ、図30(C)に示すように、トランジスタ200Cのチャネル幅方向において、絶縁体222の上面の一部に接して設ける。 As shown in FIG. 30B, the
例えば、絶縁体272として、ALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。 For example, the
絶縁体272として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 As the
または、絶縁体272は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いてもよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体250中の酸素が外部に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体250の端部などから酸化物230に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。したがって、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200Cの信頼性を向上させることができる。 Alternatively, the
また、絶縁体272を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面を覆うことができる。これにより、トランジスタ200Cの上方から水または水素などの不純物が、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260を介して、酸化物230の領域234に混入することを抑制することができる。したがって、絶縁体272は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。 In addition, by providing the
または、絶縁体272は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体272は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体272は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、またはアクリルなどがある。 Alternatively, the
なお、絶縁体272として、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体272の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。 Note that in the case where aluminum oxide is provided as the
また、酸化物230bの上面の一部(領域232と重なる部分)、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、および導電体260の側面に、絶縁体272を介して、絶縁体273を設ける。当該構成とすることで、酸化物230への酸素供給源となる絶縁体273が、導電体260と直接接しない。このため、絶縁体273からの酸素によって、ゲート電極として機能する導電体260が酸化するのを抑制することができる。 In addition, an
絶縁体273は、酸化物230の領域232と重畳する領域を有するように、絶縁体272上に設けられる。絶縁体273をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体272に過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物230中に酸素を供給することができる。 An
例えば、絶縁体273として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, the
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。例えば、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを絶縁体273に用いることで、絶縁体273は、絶縁体272に酸素供給を行うとともに、絶縁体273の上方からの水素などの不純物が、絶縁体272側に混入するのを抑制することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, the aluminum oxide film formed by the sputtering method can function not only as an oxygen supply source but also as a barrier film against impurities such as hydrogen. For example, by using aluminum oxide deposited by a sputtering method for the
また、絶縁体273の上に、層間膜として機能する絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 An
また、絶縁体280の上に、絶縁体273と同じ材料からなる絶縁体282を設けることが好ましい。当該構成とすることで、絶縁体282の上方からの水素などの不純物が、トランジスタ200C側に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体280中に含まれる水素を、絶縁体282へ引き抜くことができる場合がある。なお、絶縁体282の上に、絶縁体210と同様の絶縁体を設けてもよい。 An
また、絶縁体282および絶縁体280に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体282の上面と、同一平面上としてもよい。 In openings formed in the
なお、絶縁体282および絶縁体280の開口の内壁に接して、導電体240aの第1の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体282および絶縁体280の開口の内壁に接して、導電体240bの第1の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 A first conductor of
ここで、例えば、絶縁体282および絶縁体280に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域を除去してもよい。その場合、導電体240の第1の導電体に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接することで、金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230の領域231が、低抵抗化する。したがって、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when forming the openings in the
また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体280および絶縁体282と接する導電体には、導電体205の第1の導電体205aなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体282より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。 In the case where the
また、図示しないが、導電体240aの上面、および導電体240bの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体203などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。 Further, although not illustrated, a conductor functioning as a wiring may be arranged in contact with the upper surface of the
<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200Cを有する半導体装置について、作製方法を図32乃至図41を用いて説明する。また、図32乃至図41において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200Cのチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200Cのチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図の(D)は、各図の(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。<Method for manufacturing a semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the
まず、基板(図示しない。)を準備し、当該基板上に絶縁体210、絶縁体212、導電体203、絶縁体214、絶縁体216、導電体205、絶縁体220、および絶縁体222を順に形成する(図32参照。)。なお、絶縁体210、絶縁体212、導電体203、絶縁体214、絶縁体216、導電体205、絶縁体220、および絶縁体222の材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態1の絶縁体210、絶縁体212、導電体203、絶縁体214、絶縁体216、導電体205、絶縁体220、および絶縁体222を参酌することができる。 First, a substrate (not shown) is prepared, and the
次に、絶縁体222上に絶縁膜224Aを成膜する。絶縁膜224Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる(図32参照。)。本実施の形態では、絶縁膜224Aとして、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Next, an insulating
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、もしくは10%以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 Subsequently, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere, an inert gas atmosphere, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state. Alternatively, heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, and then heat treatment is performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to compensate for desorbed oxygen. may
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁膜224Aの成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜224Aに含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。 In this embodiment mode, heat treatment is performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after the insulating
また、加熱処理は、絶縁体220成膜後、および絶縁体222の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体220成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。 Alternatively, the heat treatment can be performed after the
ここで、絶縁膜224Aに過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にRF(Radio Frequency)を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にRFを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率良く絶縁膜224A内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁膜224Aに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。 Here, in order to form an excess oxygen region in the insulating
次に、絶縁膜224A上に、酸化物230aとなる酸化膜230Aと、酸化物230bとなる酸化膜230Bを順に成膜する(図32参照。)。なお、酸化膜230Aおよび酸化膜230Bの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態1の酸化膜230Aおよび酸化膜230Bを参酌することができる。 Next, an
次に、絶縁膜224A、酸化膜230A、および酸化膜230Bを島状に加工して、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bを形成する(図33参照。)。 Next, the insulating
ここで、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bは、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの側面は、絶縁体222の上面に対し、略垂直であることが好ましい。絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの側面が、絶縁体222の上面に対し、略垂直であることで、複数のトランジスタ200Cを設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角は大きいほど好ましい。 Here, the
また、酸化物230a、および酸化物230bの側面と、酸化物230bの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。 In addition, curved surfaces are provided between the side surfaces of the
なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。 Note that processing of the oxide film may be performed using a lithography method. A dry etching method or a wet etching method can be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing.
なお、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、酸化膜230B上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。絶縁膜224A、酸化膜230A、および酸化膜230Bのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。上記酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。 Note that a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask. When a hard mask is used, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed on the
また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。 Further, when the above treatment such as dry etching is performed, impurities caused by an etching gas or the like might adhere to or diffuse onto or inside the
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。 Cleaning is performed to remove the above impurities. As a cleaning method, there are wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, or the like, and the above cleaning may be performed in combination as appropriate.
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。 Wet cleaning may be performed using an aqueous solution obtained by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed. In this embodiment, ultrasonic cleaning is performed using pure water or carbonated water.
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。 Subsequently, heat treatment may be performed. As the conditions for the heat treatment, the conditions for the heat treatment described above can be used.
次に、絶縁体222、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの上に、酸化膜230Cとなる酸化膜を成膜する。 Next, an oxide film to be the
酸化膜230Cとなる酸化膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。酸化物230cに求める特性に合わせて、酸化膜230A、または酸化膜230Bと同様の成膜方法を用いて、酸化膜230Cとなる酸化膜を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜230Cとなる酸化膜として、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。 An oxide film to be the
次に、酸化膜230Cとなる酸化膜をエッチングし、酸化膜230Cを形成する(図34参照。)。 Next, the oxide film to be the
続いて、酸化膜230C上に、絶縁膜250A、導電膜260A、導電膜260B、および絶縁膜271Aを順に成膜する(図34参照。)。なお、絶縁膜250A、導電膜260A、導電膜260B、および絶縁膜271Aの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態1の絶縁膜250A、導電膜260A、導電膜260B、および絶縁膜271Aを参酌することができる。 Subsequently, an insulating
なお、導電膜260Aの成膜前に、別途、金属酸化膜を成膜してもよい。当該金属酸化膜として、例えば、スパッタリング法により、In-Ga-Zn酸化物を形成する。当該金属酸化膜の形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で当該金属酸化膜を形成することで、絶縁膜250A中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜250Aに添加された過剰酸素は、酸化物230に酸素を供給することで、酸化物230中の酸素欠損を補償することができる。 Note that a metal oxide film may be formed separately before forming the
ここで、当該金属酸化膜を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、当該金属酸化膜を成膜しながら、絶縁膜250A、および絶縁膜224Aに酸素を導入することができる。また、当該金属酸化膜に、バリア性を有するアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることで、絶縁膜250Aに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。 Here, as means for forming the metal oxide film, a sputtering apparatus is used to form the film in an oxygen gas atmosphere. oxygen can be introduced into the Moreover, by using one or both oxides of aluminum and hafnium having barrier properties for the metal oxide film, excess oxygen introduced into the insulating
例えば、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、絶縁膜250A上に、上述した金属酸化膜として、In-Ga-Zn酸化物に代表される酸化物半導体を成膜した場合、当該金属酸化膜は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、当該金属酸化膜は、酸化物導電体(OC)として機能する。そこで、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素(特に窒素)が当該金属酸化膜に拡散し、当該金属酸化膜が低抵抗化する。また、導電膜260Aの成膜時のダメージ(例えば、スパッタリングダメージなど)により、当該金属酸化膜が低抵抗化する。したがって、当該金属酸化膜のキャリア密度が高くなり、当該金属酸化膜の導電性が高くなる。 For example, as the
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、上述の金属酸化膜から、絶縁膜250Aに過剰酸素が添加され、絶縁膜250Aに過剰酸素領域を容易に形成することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. Note that the heat treatment may not be performed in some cases. By this heat treatment, excess oxygen is added to the insulating
絶縁膜271Aの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜272Aの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体272を形成する際、導電体260の上に絶縁体271を、容易に残存させることができる。 The insulating
なお、絶縁膜271Aの成膜前に、バリア膜としての機能を有する絶縁膜を、別途成膜してもよい。当該絶縁膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。当該絶縁膜は、バリア膜として機能するため、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体260の酸化を抑制することができる。また、導電体260および絶縁体250を介して、水または水素などの不純物が酸化物230に混入することを抑制することができる。 Note that an insulating film functioning as a barrier film may be separately formed before forming the insulating
次に、絶縁膜271Aを、エッチングし、絶縁体271を形成する。ここで、絶縁体271は、ハードマスクとして機能する。絶縁体271を設けることで、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、導電体260aの側面、および導電体260bの側面を、基板の上面に対し、略垂直に形成することができる。 Next, the
次に、絶縁体271をマスクとして、酸化膜230C、絶縁膜250A、導電膜260A、および導電膜260Bをエッチングし、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260(導電体260a、および導電体260b)を形成する(図35参照。)。 Next, using the
なお、当該エッチングにより、絶縁体222と、絶縁体250とが重ならない領域において、絶縁体222の一部が除去されていてもよい。この場合、絶縁体222の絶縁体250と重なる領域の膜厚が、絶縁体250と重ならない領域の膜厚より厚くなる場合がある。 Note that part of the
また、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、および絶縁体271は、少なくとも一部が、導電体205および酸化物230と重なるように形成する。 At least part of the
また、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、および導電体260の側面は、同一面内であることが好ましい。 Moreover, the side surface of the
また、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、および導電体260の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面と、酸化物230の上面のなす角が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面と、酸化物230の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面と、酸化物230の上面のなす角は大きいほど好ましい。 Also, the same plane shared by the side surface of the
なお、上記加工後も、当該ハードマスク(絶縁体271)は除去せずに後工程を進めてもよい。 Note that post-processes may be performed without removing the hard mask (insulator 271) after the above processing.
次に、酸化物230、絶縁体250、導電体260、および絶縁体271を覆って、絶縁膜272Aを成膜する(図36参照。)。絶縁膜272Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。 Next, an insulating
絶縁膜272Aは、被覆性に優れたALD法により成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、導電体260などにより形成された段差部においても、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜272Aを形成することができる。また、ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。 The insulating
絶縁膜272Aとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 As the insulating
一方、絶縁膜272Aとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体260が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体260が絶縁膜272Aの上方からの酸素で酸化するのを抑制することができる。これにより、導電体260の抵抗値が上がることを抑制することができる。 On the other hand, as the insulating
絶縁膜272Aとして、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜272Aの膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体260の酸化を抑制しながら、絶縁体273が有する過剰酸素を絶縁体250へ供給することが可能となる。 When aluminum oxide is provided as the insulating
次に、絶縁膜272A上に絶縁膜273Aを設ける(図36参照。)。絶縁膜273Aは、スパッタリング法によって成膜した酸化アルミニウムを用いることが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない酸化アルミニウムを成膜することができる。 Next, an insulating
また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁膜273Aを成膜しながら、絶縁膜272Aに酸素を導入することもできる。これにより、絶縁膜273Aを酸素供給源として、絶縁膜272Aに絶縁膜273A中の酸素が供給され、絶縁膜272A中に過剰酸素領域を形成することができる。当該過剰酸素領域の酸素は、後の熱処理などで酸化物230へ供給され、酸化物230の領域234における酸素欠損を補償することができる。 In addition, by performing film formation in an oxygen gas atmosphere using a sputtering apparatus, oxygen can be introduced into the insulating
次に、絶縁膜272Aおよび絶縁膜273Aに異方性のエッチング処理を行い、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に、絶縁体272および絶縁体273を形成する(図37参照。)。 Next, the insulating
上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体272および絶縁体273を自己整合的に形成することができる。なお、当該処理において、絶縁体222をエッチングストッパ膜として用いることができる。 As the anisotropic etching treatment, dry etching treatment is preferably performed. As a result, the
続いて、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体271、絶縁体272、および絶縁体273を介して、絶縁体222、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230b上に膜242Aを成膜する(図38参照。)。なお、膜242Aは、0.5nm以上5nm以下、好ましくは、1nm以上3nm以下の膜厚にするとよい。膜242Aは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜242Aは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜242Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Subsequently, a film is formed over the
続いて、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜242Aの成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。 Subsequently, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state. For example, as heat treatment, treatment is performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after forming the
窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜242Aから、上述した金属元素が酸化物230へ拡散し、酸化物230に金属元素を添加することができる。また、酸化物230の膜242Aとの界面近傍における酸素が膜242Aに吸収される場合がある。その結果、酸化物230の膜242Aとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物230の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物230に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal element described above diffuses from the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。 Alternatively, after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower.
また、膜242Aに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜242Aを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, when a conductive region remains in the
上記膜242Aの成膜工程、または加熱処理において、膜242Aに、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物230の領域231、および領域232は、n型となり、低抵抗化される。 Oxygen in the region 231 of the
続いて、膜242Aを除去する(図39参照。)。図において、上述した処理によって、酸化物230の低抵抗化した領域をハッチングで示している。なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜242Aを除去することで、膜242Aに吸収された酸化物230中の水素を同時に除去することができる。したがって、トランジスタ200C中の不純物である水素を低減することができる。 Subsequently, the
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体272または絶縁体280を通じて絶縁体273へ吸収され、酸化物230中の水素を低減することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. By the heat treatment, hydrogen captured by oxygen vacancies formed in the region 231 of the
次に、絶縁体273の上に、絶縁体280を成膜する。なお、絶縁体280の材料、形成方法等は、実施の形態1の絶縁体280を参酌することができる。 Next, an
次に、絶縁体280上に絶縁体282を成膜する(図40参照。)。絶縁体282は、絶縁体273と同じ材料からなる絶縁体282を設けることが好ましい。当該構成とすることで、絶縁体282の上方からの水素や水などの不純物が、トランジスタ200C側に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体280中に含まれる水素を、絶縁体282へ引き抜くことができる場合がある。 Next, an
次に、絶縁体282および絶縁体280に、酸化物230に達する開口を形成する(図41参照。)。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体240a、および導電体240bが酸化物230の側面に接して設けられるように、酸化物230に達する開口において、酸化物230の側面が露出するように、当該開口を形成する。 Next, an opening is formed in the
次に、導電体240の第1の導電体、および導電体240の第2の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be a first conductor of the
ここで、例えば、絶縁体282および絶縁体280に開口を形成する際に、酸化物230における領域231の低抵抗化した領域を除去してもよい。また、導電体240の第1の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いてもよい。これにより、酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230と導電体240の接触領域を低抵抗化することができる。導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240との十分なオーミック接触を確保することができる。したがって、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when forming the openings in the
次に、CMP処理を行うことで、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体282を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240a、および導電体240bを形成することができる(図30参照。)。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the
以上により、トランジスタ200Cを有する半導体装置を作製することができる。図32乃至図41に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200Cを作成することができる。 Through the above steps, a semiconductor device including the
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.
<半導体装置の変形例>
以下では、図42を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ200Cを有する半導体装置の一例について説明する。<Modified Example of Semiconductor Device>
An example of a semiconductor device including a
図42(A)は、トランジスタ200Cを有する半導体装置の上面図である。また、図42(B)、図42(C)、および図42(D)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図42(B)は、図42(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのチャネル長方向の断面図でもある。また、図42(C)は、図42(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図42(D)は、図42(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Cのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図42(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 42A is a top view of a semiconductor device having a
なお、図42に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図30参照。)を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 In the semiconductor device shown in FIG. 42, structures having the same functions as structures forming the semiconductor device (see FIG. 30) shown in <Structure Example of Semiconductor Device> are denoted by the same reference numerals.
以下、トランジスタ200Cの構成について、図42を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ200Cの構成材料については、先の実施の形態、および<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。 The configuration of the
図42に示す半導体装置では、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの側面と、基板面と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図42(B)に示すように、テーパー角度は、45°以上80°以下、好ましくは、50°以上70°以下とすればよい。絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bがテーパー構造を有することで、絶縁膜272Aおよび絶縁膜273Aに対して、異方性のエッチング処理を行った際(図36および図37参照。)に、酸化物230aおよび酸化物230bの側面を完全に露出することができる。 In the semiconductor device shown in FIG. 42, side surfaces of
したがって、上述のテーパー構造を有さない構造の半導体装置(図30参照。)と比べて、酸化物230aおよび酸化物230bの側面においても、確実に膜242Aと接する(図38参照。)ことになる。これにより酸化物230aおよび酸化物230bの側面においても、確実に金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物230の側面にも、確実に領域231を形成することができる。また、酸化物230aおよび酸化物230bがテーパー構造を有することで、酸化物230aおよび酸化物230bよりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。 Therefore, the side surfaces of the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態4)
以下では、実施の形態3で示したトランジスタを有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200Dを有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 4)
An example of a semiconductor device including a
なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。 Note that in the semiconductor device described in this embodiment, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices described in the previous embodiments are denoted by the same reference numerals. Therefore, differences from the semiconductor device shown in the previous embodiment will be mainly described, and repeated descriptions will be omitted. Further, when there is no particular description of materials, manufacturing methods, and the like of structures denoted by the same reference numerals, the descriptions in the above embodiments can be referred to for the materials, manufacturing methods, and the like of the structures.
<半導体装置の構成例>
図43(A)乃至図43(D)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200D、およびトランジスタ200D周辺の上面図および断面図である。<Structure example of semiconductor device>
43A to 43D are a top view and a cross-sectional view of a
図43(A)は、トランジスタ200Dを有する半導体装置の上面図である。また、図43(B)、図43(C)、および図43(D)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図43(B)は、図43(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのチャネル長方向の断面図でもある。また、図43(C)は、図43(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図43(D)は、図43(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 43A is a top view of a semiconductor device having a
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200Dと、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、および絶縁体282と、を有する。また、トランジスタ200Dと電気的に接続し、配線として機能する導電体203と、プラグとして機能する導電体240と、を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
また、導電体240は、絶縁体275、絶縁体273、絶縁体280、および絶縁体282の開口の内壁に接して導電体240の第1の導電体が形成され、さらに内側に導電体240の第2の導電体が形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体282の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200Dでは、導電体240の第1の導電体および導電体240の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。 In the
[トランジスタ200D]
図43に示すトランジスタ200Dは、絶縁体272を介して導電体260の側面に配置された絶縁体277と、絶縁体277の側面、および酸化物230上に配置された絶縁体275と、絶縁体275上に配置された絶縁体273と、を有している点が、実施の形態3で示したトランジスタ200Cと異なる。[
The
また、トランジスタ200は、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体を用いることが好ましい。 In the
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200Dは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200Dに用いることができる。 Since the
ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が当該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。 Here, the oxide semiconductor forms a metal compound with low resistance by adding metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten in addition to the elements constituting the oxide semiconductor. become Note that it is preferable to use aluminum, titanium, tantalum, tungsten, or the like. In order to add a metal element to an oxide semiconductor, for example, a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element is preferably provided over the oxide semiconductor. In addition, when the film is provided, part of oxygen in the oxide semiconductor located at or near the interface between the film and the oxide semiconductor is absorbed by the film or the like, forming oxygen vacancies and causing oxidation. In some cases, the vicinity of the interface of the material semiconductor becomes low in resistance.
また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物半導体と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物半導体と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Further, after a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is provided over the oxide semiconductor, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen. By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal element can be diffused from the metal film into the oxide semiconductor, and the metal element can be added to the oxide semiconductor. Note that at that time, the oxide semiconductor and the metal element may be alloyed. By alloying the oxide semiconductor and the metal element, the metal element added to the oxide semiconductor is in a relatively stable state; therefore, a highly reliable semiconductor device can be provided.
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。したがって、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。 In addition, when hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor and enters oxygen vacancies in the low-resistance region, the hydrogen is in a relatively stable state. Further, hydrogen in the oxygen vacancies present in the oxide semiconductor escapes from the oxygen vacancies by heat treatment at 250° C. or higher, diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor, and oxygen vacancies existing in the low-resistance region. It is known that it enters into the inside and becomes a relatively stable state. Therefore, by heat treatment, the resistance of the region where the resistance of the oxide semiconductor is reduced or the region where the metal compound is formed is further reduced, and the oxide semiconductor which is not reduced in resistance is purified (impurities such as water and hydrogen). reduction) and tends to increase the resistance.
また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。 In addition, the oxide semiconductor has an increased carrier density when an impurity element such as hydrogen or nitrogen is present. Hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen that bonds to a metal atom to become water, which may cause oxygen vacancies. Hydrogen entering the oxygen vacancies increases the carrier density. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. That is, the resistance of an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced.
したがって、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。 Therefore, by selectively adding a metal element and an impurity element such as hydrogen and nitrogen to an oxide semiconductor, a high-resistance region and a low-resistance region can be provided in the oxide semiconductor. In other words, by selectively reducing the resistance of the
ここで、図43(B)において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含む領域239の拡大図を図44に示す。 Here, FIG. 44 shows an enlarged view of a
図44に示すように、酸化物230は、トランジスタ200Dのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。 As shown in FIG. 44, the
領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、少なくとも、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体271、絶縁体272、および絶縁体277を介して、酸化物230b上に設けることが好ましい。 In order to reduce the resistance of the region 231 , for example, a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element may be formed in contact with the region 231 of the
酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けることで、酸化物230の領域231へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域231に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域231と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が当該膜に吸収され、領域231に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図2において、酸化物230の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図2の範囲に限定されない。例えば、酸化物230と導電体240との界面近傍の領域、または領域231における、酸化物230の上面から酸化物230の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域(または範囲)が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。 By providing a metal film, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element in contact with the region 231 of the
また、領域231と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物230の領域231へ、金属元素が拡散し、領域231に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物230の領域231と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の領域231と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen while the region 231 is in contact with the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element. By the heat treatment, the metal element can be diffused from the metal film into the region 231 of the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
一方、酸化物230の導電体260、および絶縁体272と重畳する領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体272により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。 On the other hand, addition of a metal element to regions (
また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。 In addition, oxygen in the region 231 of the
ここで、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。したがって、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、後の工程で、酸化物230から吸収した水素とともに除去してもよい。 Here, if a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element has the property of absorbing hydrogen, the hydrogen in the
なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。 Note that the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element does not necessarily have to be removed. For example, when a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is oxidized by oxygen absorbed from the
また、例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, for example, when a conductive region remains in a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize the film. , becomes an insulator and has a high resistance. By leaving a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element as an insulator, it can function as an interlayer film.
したがって、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、0.5nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、0.5nm以上5nm以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると0.7nm以上8nm以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。 Therefore, the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element is preferably provided with a thickness of 0.5 nm or more and 5 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less. For example, when aluminum with a thickness of 0.5 nm or more and 5 nm or less is oxidized by heat treatment, aluminum oxide with a thickness of 0.7 nm or more and 8 nm or less may be obtained.
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor including an oxide semiconductor, if impurities and oxygen vacancies are present in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, electrical characteristics are likely to fluctuate, and reliability may be degraded. In addition, when oxygen vacancies are included in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, the transistor tends to have normally-on characteristics. Therefore, oxygen vacancies in the
そこで、図43および図44に示すように、酸化物230bに接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体275を設けることが好ましい。つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。 Therefore, as shown in FIGS. 43 and 44, it is preferable to provide an
なお、絶縁体275は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物230は、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。したがって、過剰酸素領域を有する絶縁体275を、酸化物230の領域234の周辺に設けることで、酸化物230の領域234へ、絶縁体275の過剰酸素を効果的に供給することができる。 Note that silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having holes is preferably used for the
また、絶縁体275に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体275上に接する絶縁体273として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくい。そのため、絶縁体273となる絶縁体の成膜時に、絶縁体275および酸化物230への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。 In order to provide the excess oxygen region in the
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。 During film formation by the sputtering method, ions and sputtered particles are present between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power supply and given a potential E0. A potential E1 such as a ground potential is applied to the substrate. However, the substrate may be electrically floating. A region having potential E2 exists between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2>E1>E0.
プラズマ内のイオンが、電位差E2-E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体275に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2-E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体275内部まで到達する。イオンが絶縁体275に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体275に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体275に過剰酸素領域が形成される。 Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, thereby ejecting sputtered particles from the target. The sputtered particles adhere to the film formation surface and accumulate to form a film. In addition, some ions recoil by the target, pass through the film formed as recoil ions, and may be taken into the
絶縁体275に過剰な酸素を導入することで、絶縁体275中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体275中の過剰な酸素は、絶縁体275と接する酸化物230へ供給される。当該酸素が、酸化物230の領域234へと供給されることで、酸化物230の酸素欠損を補償することができる。 By introducing excess oxygen into the
また、絶縁体273は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、スパッタリング法により成膜した酸化アルミニウムを用いることが好ましい。スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを用いることで、酸素を多く含む絶縁体273を形成することができる。これにより、絶縁体273が酸素供給源となって、上述したように、絶縁体275、および酸化物230の領域234へと酸素を供給することができる。 Aluminum oxide is preferably used for the
また、図43および図44に示すように、絶縁体275と導電体260とは、絶縁体271、絶縁体272、および絶縁体277により、物理的に隔離されている。トランジスタ200Dがこのような構成を有することで、絶縁体275からの酸素によって、ゲート電極として機能する導電体260が酸化するのを抑制することができる。 43 and 44,
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。 By combining the above structure or the above steps, the resistance of the
つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、絶縁体272、または絶縁体277をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200Dを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性ばらつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200Dのチャネル長は、導電体260の幅、および絶縁体272の成膜膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200Dの微細化が可能となる。 That is, when the low-resistance region is formed in the
以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 As described above, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。 Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device. In addition, since a transistor including an oxide semiconductor for a channel formation region has extremely low leakage current (off-state current) in a non-conducting state, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in electrical characteristics is suppressed, stable electrical characteristics are obtained, and reliability is improved.
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Dを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態1で示したトランジスタ200Aを有する半導体装置および実施の形態3で示したトランジスタ200Cを有する半導体装置と異なる点について説明する。 In the following description, among the structures of the semiconductor device including the
また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有する。なお、領域231の少なくとも一部は、絶縁体275と接する領域を有する。また、領域232は、少なくとも、絶縁体272と重畳する領域を有する。
また、酸化物230bの上面の一部(領域232と重なる部分)、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、および導電体260の側面に、絶縁体272を介して、絶縁体277を設ける。当該構成とすることで、過剰酸素領域を有する絶縁体275と導電体260とを、絶縁体272および絶縁体277により、確実に隔離することができる。このため、絶縁体275からの酸素によって、ゲート電極として機能する導電体260が酸化するのを抑制することができる。 In addition, an
絶縁体277は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体277は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体277は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、またはアクリルなどがある。
絶縁体275は、少なくとも、酸化物230の領域231と接する領域を有するように設けられる。絶縁体275は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体275として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いれば、後の絶縁体273の成膜により、絶縁体275中に過剰酸素領域が形成されやすい。絶縁体275が過剰酸素領域を有することで、当該領域が有する酸素を、酸化物230に効率良く供給することが可能となる。
絶縁体273は、絶縁体275上に設けられる。絶縁体273をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体275に過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物230中に酸素を供給することができる。 The
例えば、絶縁体273として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, the
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。例えば、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを絶縁体273に用いることで、絶縁体273は、絶縁体275に酸素供給を行うとともに、絶縁体273の上方からの水素などの不純物が、絶縁体275側に混入するのを抑制することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, the aluminum oxide film formed by the sputtering method can function not only as an oxygen supply source but also as a barrier film against impurities such as hydrogen. For example, by using aluminum oxide deposited by a sputtering method for the
また、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体275に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体282の上面と、同一平面上としてもよい。 In addition, the
なお、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体275の開口の内壁に接して、導電体240aの第1の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体275の開口の内壁に接して、導電体240bの第1の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 Note that a first conductor of the
ここで、例えば、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体275に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域を除去してもよい。その場合、導電体240の第1の導電体に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接することで、金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230の領域231が、低抵抗化する。したがって、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, when openings are formed in the
また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体275、絶縁体273、絶縁体280、および絶縁体282と接する導電体には、導電体205の第1の導電体205aなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体282より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。 In the case where the
<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200Dを有する半導体装置について、作製方法を図45乃至図50を用いて説明する。また、図45乃至図50において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200Dのチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200Dのチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図の(D)は、各図の(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。<Method for manufacturing a semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the
図43に示す半導体装置の作製方法は、酸化物230c、絶縁体250、導電体260(導電体260a、および導電体260b)、および絶縁体271を形成するまでは、図30に示す半導体装置の作製方法と同様である。よって、図32乃至図35に係る半導体装置の作製方法を参酌することができる。 The manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 43 is the same as that of the semiconductor device shown in FIG. It is the same as the manufacturing method. Therefore, the manufacturing method of the semiconductor device illustrated in FIGS. 32 to 35 can be referred to.
次に、酸化物230、絶縁体250、導電体260、および絶縁体271を覆って、絶縁膜272Aを成膜する(図45参照。)。なお、絶縁膜272Aの材料、成膜方法等は、実施の形態3の絶縁膜272Aを参酌することができる。 Next, an insulating
絶縁膜272Aとして、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜272Aの膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体260の酸化を抑制しながら、絶縁体277が有する過剰酸素を絶縁体250へ供給することが可能となる。 When aluminum oxide is provided as the insulating
次に、絶縁膜272A上に絶縁膜277Aを設ける(図45参照。)。絶縁膜277Aは、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。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、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁膜277Aに用いると、後の工程で絶縁膜277中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。 Next, an insulating
次に、絶縁膜272Aおよび絶縁膜277Aに異方性のエッチング処理を行い、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に、絶縁体272および絶縁体277を形成する(図46参照。)。 Next, the insulating
上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体272および絶縁体277を自己整合的に形成することができる。なお、当該処理において、絶縁体222をエッチングストッパ膜として用いることができる。 As the anisotropic etching treatment, dry etching treatment is preferably performed. As a result, the
続いて、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体271、絶縁体272、および絶縁体277を介して、絶縁体222、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230b上に膜242Aを成膜する(図47参照。)。なお、膜242Aは、0.5nm以上5nm以下、好ましくは、1nm以上3nm以下の膜厚にするとよい。膜242Aは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜242Aは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜242Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Subsequently, a film is formed over the
続いて、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜242Aの成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。 Subsequently, heat treatment is preferably performed. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state. For example, as heat treatment, treatment is performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after forming the
窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜242Aから、上述した金属元素が酸化物230へ拡散し、酸化物230に金属元素を添加することができる。また、酸化物230の膜242Aとの界面近傍における酸素が膜242Aに吸収される場合がある。その結果、酸化物230の膜242Aとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物230の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物230に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal element described above diffuses from the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。 Alternatively, after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower.
また、膜242Aに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜242Aを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, when a conductive region remains in the
上記膜242Aの成膜工程、または加熱処理において、膜242Aに、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物230の領域231、および領域232は、n型となり、低抵抗化される。 Oxygen in the region 231 of the
続いて、膜242Aを除去する(図48参照。)。図において、上述した処理によって、酸化物230の低抵抗化した領域をハッチングで示している。なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜242Aを除去することで、膜242Aに吸収された酸化物230中の水素を同時に除去することができる。したがって、トランジスタ200D中の不純物である水素を低減することができる。 Subsequently, the
続いて、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体271、絶縁体272、および絶縁体277を介して、絶縁体222、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230b上に絶縁体275を成膜する(図49参照。)。絶縁体275は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。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、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体275に用いると、後の工程で絶縁体275中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。 Subsequently, insulation is provided over the
次に、絶縁体275上に絶縁体273を成膜する(図49参照。)。絶縁体273は、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない酸化アルミニウムを成膜することができる。 Next, an
また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体273を成膜しながら、絶縁体275に酸素を導入することもできる。これにより、絶縁体273を酸素供給源として、絶縁体275に絶縁体273中の酸素が供給され、絶縁体275中に過剰酸素領域を形成することができる。 Alternatively, deposition is performed in an oxygen gas atmosphere using a sputtering apparatus, so that oxygen can be introduced into the
上述したように、絶縁体275として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いると、絶縁体275に、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化シリコンと比較して、酸化物230は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物230上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。したがって、例えば、絶縁体275として、スパッタリング法を用いた上記酸化膜を成膜した場合、絶縁体277に選択的に過剰酸素領域を形成することができる。また、このとき、酸化物230には過剰酸素領域が形成されにくいため、上述の酸化物230における低抵抗化領域が高抵抗化するのを抑制することができる。 As described above, when silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having vacancies is used as the
上述のようにして過剰酸素領域が形成された絶縁体275は、当該過剰酸素領域から酸化物230の領域234へ、酸素を効果的に供給することができる。 The
上記構成とすることで、酸化物230の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。 With the above structure, each region of the
したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 Therefore, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物230の領域231に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体275を通じて絶縁体273へ吸収され、酸化物230中の水素を低減することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. By the heat treatment, hydrogen captured by oxygen vacancies formed in the region 231 of the
次に、絶縁体273の上に、絶縁体280および絶縁体282を順に形成する。なお、絶縁体280および絶縁体282の材料、形成方法等は、それぞれ実施の形態1の絶縁体280および実施の形態3の絶縁体282を参酌することができる。 Next, an
次に、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体275に、酸化物230に達する開口を形成する(図50参照。)。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体240a、および導電体240bが酸化物230の側面に接して設けられるように、酸化物230に達する開口において、酸化物230の側面が露出するように、当該開口を形成する。 Next, openings are formed in
次に、導電体240の第1の導電体、および導電体240の第2の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be a first conductor of the
ここで、例えば、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体273、および絶縁体275に開口を形成する際に、酸化物230における領域231の低抵抗化した領域を除去してもよい。また、導電体240の第1の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いてもよい。これにより、酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230と導電体240の接触領域を低抵抗化することができる。導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240との十分なオーミック接触を確保することができる。したがって、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, the low-resistance region of region 231 in
次に、CMP処理を行うことで、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体282を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240a、および導電体240bを形成することができる(図43参照。)。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the
以上により、トランジスタ200Dを有する半導体装置を作製することができる。図45乃至図50に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200Dを作成することができる。 Through the above steps, a semiconductor device including the
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.
<半導体装置の変形例>
以下では、図51を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ200Dを有する半導体装置の一例について説明する。<Modified Example of Semiconductor Device>
An example of a semiconductor device including a
図51(A)は、トランジスタ200Dを有する半導体装置の上面図である。また、図51(B)、図51(C)、および図51(D)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図51(B)は、図51(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのチャネル長方向の断面図でもある。また、図51(C)は、図51(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図51(D)は、図51(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Dのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図51(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 51A is a top view of a semiconductor device having a
なお、図51に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図43参照。)を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 In the semiconductor device shown in FIG. 51, structures having the same functions as structures forming the semiconductor device (see FIG. 43) shown in <Structure Example of Semiconductor Device> are denoted by the same reference numerals.
以下、トランジスタ200Dの構成について、図51を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ200Dの構成材料については、先の実施の形態、および<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。 The configuration of the
図51に示す半導体装置では、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの側面と、基板面と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図51(B)に示すように、テーパー角度は、45°以上80°以下、好ましくは、50°以上70°以下とすればよい。絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bがテーパー構造を有することで、絶縁膜272Aおよび絶縁膜277Aに対して、異方性のエッチング処理を行った際(図45および図46参照。)に、酸化物230aおよび酸化物230bの側面を完全に露出することができる。 In the semiconductor device shown in FIG. 51, side surfaces of
したがって、上述のテーパー構造を有さない構造の半導体装置(図43参照。)と比べて、酸化物230aおよび酸化物230bの側面においても、確実に膜242Aと接する(図47参照。)ことになる。これにより酸化物230aおよび酸化物230bの側面においても、確実に金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物230の側面にも、確実に領域231を形成することができる。また、酸化物230aおよび酸化物230bがテーパー構造を有することで、酸化物230aおよび酸化物230bよりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。 Therefore, compared to the semiconductor device having no tapered structure (see FIG. 43), the side surfaces of the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態5)
以下では、実施の形態3で示したトランジスタを有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200Eを有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 5)
An example of a semiconductor device including the
なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する場合がある。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。 Note that, in the semiconductor device described in this embodiment, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices described in the previous embodiments may be denoted by the same reference numerals. Therefore, differences from the semiconductor device shown in the previous embodiment will be mainly described, and repeated descriptions will be omitted. Further, when there is no particular description of materials, manufacturing methods, and the like of structures denoted by the same reference numerals, the descriptions in the above embodiments can be referred to for the materials, manufacturing methods, and the like of the structures.
<半導体装置の構成例1>
図52は、本発明の一態様に係るトランジスタ200E、およびトランジスタ200E周辺の上面図および断面図である。<Structure Example 1 of Semiconductor Device>
52A and 52B are a top view and a cross-sectional view of a
図52(A)は、トランジスタ200Eを有する半導体装置の上面図である。また、図52(B)、および図52(C)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図52(B)は、図52(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Eのチャネル長方向の断面図でもある。また、図52(C)は、図52(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Eのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図52(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 52A is a top view of a semiconductor device having a
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200Eと、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、および絶縁体282と、を有する。また、トランジスタ200Eと電気的に接続し、配線として機能する導電体203と、プラグとして機能する導電体240と、を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
なお、導電体203は、絶縁体212に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお導電体203は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203を2層以上の多層膜構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。 Note that the
また、導電体240は、絶縁体280および絶縁体282の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体282の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200Eでは、導電体240が単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240は、2層以上の積層構造でもよい。開口および導電体240についての詳細については後述する。 Also, the
[トランジスタ200E]
図52に示すトランジスタ200Eは、導電体260の上に配置された絶縁体270と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に接して配置された絶縁体272と、絶縁体272を介して導電体260の側面に配置された絶縁体275と、を有している点が、実施の形態3で示したトランジスタ200Cと異なる。[
A
また、トランジスタ200Eは、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体を用いることが好ましい。 In the
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200Eは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200Eに用いることができる。 Since the
ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素を添加することで、金属化合物を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。 Here, the oxide semiconductor is formed by adding metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, and tungsten in addition to the elements constituting the oxide semiconductor, thereby forming a metal compound and reducing the resistance. sometimes. Note that it is preferable to use aluminum, titanium, tantalum, tungsten, or the like. In order to add a metal element to an oxide semiconductor, for example, a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element is preferably provided over the oxide semiconductor. In addition, when the film is provided, part of oxygen in the oxide semiconductor located at or near the interface between the film and the oxide semiconductor is absorbed by the film or the like, forming oxygen vacancies and causing oxidation. In some cases, the vicinity of the interface of the material semiconductor becomes low in resistance.
上記界面近傍に形成された酸素欠損の周辺は、歪を有している。また、上記膜をスパッタリング法によって成膜する場合、スパッタリングガスに希ガスが含まれると、上記膜の成膜中に、希ガスが酸化物半導体中へ混入する場合がある。酸化物半導体中へ希ガスが混入することで、上記界面近傍、および希ガスの周辺では、歪、または構造の乱れが生じる。なお、上記希ガスとしては、He、Arなどが挙げられる。なお、HeよりもArの方が、原子半径が大きいため好ましい。当該Arが酸化物半導体中に混入することで、好適に歪み、または構造の乱れが生じる。これらの歪、または構造の乱れた領域では、結合した酸素の数が少ない金属原子が増えると考えられる。結合した酸素の数が少ない金属原子が増えることで、上記界面近傍、および希ガスの周辺が低抵抗化する場合がある。 The periphery of the oxygen vacancies formed in the vicinity of the interface has strain. Further, in the case where the above film is formed by a sputtering method, if a sputtering gas contains a rare gas, the rare gas may enter the oxide semiconductor during formation of the above film. When the rare gas enters the oxide semiconductor, strain or structural disorder occurs near the interface and around the rare gas. In addition, He, Ar, etc. are mentioned as said rare gas. Note that Ar is preferable to He because it has a larger atomic radius. When the Ar enters the oxide semiconductor, distortion or structural disorder is preferably caused. It is believed that in these strained or structurally disordered regions, the number of metal atoms with a small number of bonded oxygens increases. An increase in the number of metal atoms with a small number of bonded oxygen atoms may reduce the resistance in the vicinity of the interface and in the vicinity of the rare gas.
また、酸化物半導体として、結晶性の酸化物半導体を用いる場合、上記の歪、または構造の乱れた領域では、結晶性が崩れ、非晶質のように観察される場合がある。 In the case where a crystalline oxide semiconductor is used as the oxide semiconductor, crystallinity is lost in the above strained or structurally disordered region, and the region may be observed as amorphous.
また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。 Further, after a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is provided over the oxide semiconductor, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen. By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal element can be diffused from the metal film into the oxide semiconductor, and the metal element can be added to the oxide semiconductor.
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。 In addition, when hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor and enters oxygen vacancies in the low-resistance region, the hydrogen is in a relatively stable state. Further, hydrogen in the oxygen vacancies present in the oxide semiconductor escapes from the oxygen vacancies by heat treatment at 250° C. or higher, diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor, and oxygen vacancies existing in the low-resistance region. It is known that it enters into the inside and becomes a relatively stable state. Therefore, by heat treatment, the resistance of the region of the oxide semiconductor whose resistance has been reduced is further reduced, and the oxide semiconductor which has not been reduced in resistance is highly purified (impurities such as water and hydrogen are reduced) and is further increased in resistance. tend to
また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。 In addition, the oxide semiconductor has an increased carrier density when an impurity element such as hydrogen or nitrogen is present. Hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen that bonds to a metal atom to become water, which may cause oxygen vacancies. Hydrogen entering the oxygen vacancies increases the carrier density. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. That is, the resistance of an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced.
従って、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。 Therefore, by selectively adding a metal element and an impurity element such as hydrogen and nitrogen to an oxide semiconductor, a high-resistance region and a low-resistance region can be provided in the oxide semiconductor. In other words, by selectively reducing the resistance of the
ここで、図52(B)において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含む領域239の拡大図を図60に示す。 Here, FIG. 60 shows an enlarged view of the
図60(A)に示すように、酸化物230は、トランジスタ200Eのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。 As shown in FIG. 60A, the
また、図52、および図60では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は酸化物230a、および酸化物230cにも、形成されていてもよい。また、図52、および図60では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232が酸化物230bの表面近傍では導電体260側に張り出し、酸化物230bの下面近傍では、導電体240a側または導電体240b側に後退する形状になる場合がある。 Also, in FIGS. 52 and 60,
酸化物230を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、インジウムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。 In order to selectively reduce the resistance of the
従って、領域231は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。 Therefore, in the region 231, the carrier density is increased and the resistance is reduced by increasing the content of the metal element that increases conductivity, the element that forms oxygen vacancies, or the element that is captured by oxygen vacancies. be able to.
領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、少なくとも、絶縁体250、導電体260、絶縁体270、絶縁体272、および絶縁体275を介して、酸化物230上に設けることが好ましい。 In order to reduce the resistance of the region 231 , for example, a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element may be formed in contact with the region 231 of the
酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けることで、酸化物230の領域231へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域231に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域231と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が該膜に吸収され、領域231に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図60において、酸化物230の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図54の範囲に限定されない。例えば、酸化物230と導電体240との界面近傍の領域、または領域231における、酸化物230の上面から酸化物230の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域(または範囲)が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。 By providing a metal film, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element in contact with the region 231 of the
また、領域231と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物230の領域231へ、金属元素が拡散し、領域231に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物230の領域231と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の領域231と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 Heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen while the region 231 is in contact with the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element. By the heat treatment, the metal element can be diffused from the metal film into the region 231 of the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
一方、酸化物230の導電体260、および絶縁体272と重畳する領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体272により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。 On the other hand, addition of a metal element to regions (
また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。 In addition, oxygen in the region 231 of the
ここで、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、後の工程で、酸化物230から吸収した水素とともに除去してもよい。 Here, if a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element has the property of absorbing hydrogen, the hydrogen in the
なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。 Note that the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element does not necessarily have to be removed. For example, when a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is oxidized by oxygen absorbed from the
また、例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, for example, when a conductive region remains in a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize the film. , becomes an insulator and has a high resistance. By leaving a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element as an insulator, it can function as an interlayer film.
従って、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、0.5nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、0.5nm以上5nm以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると0.7nm以上8nm以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。 Therefore, the metal film, the nitride film containing the metal element, or the oxide film containing the metal element is preferably provided with a thickness of 0.5 nm or more and 5 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less. For example, when aluminum with a thickness of 0.5 nm or more and 5 nm or less is oxidized by heat treatment, aluminum oxide with a thickness of 0.7 nm or more and 8 nm or less may be obtained.
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor including an oxide semiconductor, if impurities and oxygen vacancies are present in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, electrical characteristics are likely to vary, and reliability may be degraded. In addition, when oxygen vacancies are included in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, the transistor tends to have normally-on characteristics. Therefore, oxygen vacancies in the
絶縁体275として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体275となる絶縁体の成膜時に酸化物230への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。 As the
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。 During film formation by the sputtering method, ions and sputtered particles are present between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power supply and given a potential E0. A potential E1 such as a ground potential is applied to the substrate. However, the substrate may be electrically floating. A region having potential E2 exists between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2>E1>E0.
プラズマ内のイオンが、電位差E2-E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体272に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2-E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体272内部まで到達する。イオンが絶縁体272に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体272に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体272に過剰酸素領域が形成される。従って、絶縁体275は、スパッタリング法によって成膜された酸化アルミニウムを用いることが好ましい。 Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, thereby ejecting sputtered particles from the target. The sputtered particles adhere to the film formation surface and accumulate to form a film. In addition, some ions may recoil by the target, pass through the film formed as recoil ions, and be taken into the
図52、および図60(A)に示すように、絶縁体275は、絶縁体272と接し、絶縁体272は、絶縁体224および酸化物230cと接する領域を有する。上述のように、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体272を設けることができる。つまり、絶縁体272が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。 As shown in FIGS. 52 and 60A, the
また、酸化アルミニウムは、酸化物230と接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物230中の水素を引き抜く場合がある。従って、酸化物230中の水素濃度を低減することができる。 Further, when heat treatment is performed while the aluminum oxide is in contact with the
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。 By combining the above structure or the above steps, the resistance of the
つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、または絶縁体272をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200Eを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200Eのチャネル長は、導電体260の幅、および絶縁体272の成膜膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200Eの微細化が可能となる。 That is, when the low-resistance region is formed in the
以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 As described above, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements in accordance with the circuit design.
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。 Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device. In addition, since a transistor including an oxide semiconductor for a channel formation region has extremely low leakage current (off-state current) in a non-conducting state, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in electrical characteristics is suppressed, stable electrical characteristics are obtained, and reliability is improved.
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200Eを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態1で示したトランジスタ200Aを有する半導体装置および実施の形態3で示したトランジスタ200Cを有する半導体装置と異なる点について説明する。 In the following description, among the structures of the semiconductor device including the
電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ecは、図72に示すように、真空準位Evacと価電子帯上端のエネルギー準位Evとの差であるイオン化ポテンシャルIpと、バンドギャップEgから求めることができる。イオン化ポテンシャルIpは、例えば、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップEgは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。 As shown in FIG. 72, the electron affinity or the energy level Ec at the lower end of the conduction band can be obtained from the ionization potential Ip, which is the difference between the vacuum level Evac and the energy level Ev at the upper end of the valence band, and the bandgap Eg. can be done. The ionization potential Ip can be measured, for example, using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) device. The energy gap Eg can be measured using, for example, a spectroscopic ellipsometer.
また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有する。なお、領域231の少なくとも一部は、絶縁体273と接する領域を有する。また、領域232は、少なくとも、絶縁体272と重畳する領域を有する。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the
また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、金属酸化物を絶縁体250上に設けてもよい。従って、当該金属酸化物は、絶縁体250からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する当該金属酸化物を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。 In addition, a metal oxide may be provided over the
また、導電体260bの上に、バリア膜として機能する絶縁体270を配置してもよい。絶縁体270は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体270よりも上方からの酸素で導電体260が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体270よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体260および絶縁体250を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。 Further, an
また、絶縁体270はハードマスクとしての機能を有することが好ましい。絶縁体270をハードマスクとすることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が概略垂直、具体的には、導電体260の側面と基板表面のなす角を、75°以上100°以下、好ましくは80°以上95°以下とすることができる。導電体260をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体272および絶縁体275を所望の形状に形成することができる。 Further, the
バリア膜、およびバッファ層として機能する絶縁体272は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。 An
例えば、絶縁体272として、ALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。 For example, the
絶縁体272として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。例えば、絶縁体272となる絶縁膜を成膜後に絶縁体275となる絶縁膜をスパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することで、絶縁体272となる絶縁膜に容易に過剰酸素領域を形成することができる。 As the
または、絶縁体272は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いてもよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体250中の酸素が外部に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体250の端部などから酸化物230に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。したがって、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200Eの信頼性を向上させることができる。 Alternatively, the
また、絶縁体272を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、絶縁体250、および導電体260の側面を覆うことができる。これにより、トランジスタ200Eの上方から水または水素などの不純物が、絶縁体250および導電体260を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。したがって、絶縁体272は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。 Further, by providing the
絶縁体272として、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体272の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、導電体260の酸化を抑制しながら、絶縁体275が有する過剰酸素を絶縁体250へ供給することが可能となる。 In the case where aluminum oxide is provided as the
また、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に、絶縁体272を介して、絶縁体275を設ける。上述のように絶縁体275となる絶縁体の成膜によって、絶縁体272は、過剰酸素領域を有することが好ましい。ここで、絶縁体224が、島状に加工されている場合、絶縁体224の外側で、絶縁体224と絶縁体272が接する構造とすればよい。当該構造とすることで、絶縁体272の過剰酸素を、絶縁体224を介して、酸化物230へと供給することができる。 In addition, an
また、酸化物230、絶縁体275および絶縁体270を覆って、層間膜として機能する絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体280の上に絶縁体282を設けても良い。絶縁体282は、絶縁体210と同様の絶縁体とすることが好ましい。 An
絶縁体282および絶縁体280の開口は、絶縁体280の内壁が絶縁体275の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体282および絶縁体280の開口時に絶縁体275のエッチング速度が、絶縁体280のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体275のエッチング速度を1とすると、絶縁体280のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。 The openings of
例えば、図53(B)は、開口の位置が、設計の位置よりもA2側へずれた一例を示すが、トランジスタ200Eの構成とすることで、開口の位置がこのようにずれても開口に埋め込まれている導電体240aと領域231aとの電気的接続および開口に埋め込まれている導電体240bと領域231bとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。なお、図53(B)では、開口がA2側にずれている例を示したが、これに限定されない。例えば、開口がA1側にずれても良い。 For example, FIG. 53B shows an example in which the position of the opening is shifted from the designed position to the A2 side. The electric connection between the buried
ここで、絶縁体282および絶縁体280に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体282の上面と、同一平面上としてもよい。 Here, the
導電体240aは、トランジスタ200Eのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域231aと接しており、導電体240bはトランジスタ200Eのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域231bと接している。よって、導電体240aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体240bはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体282および絶縁体280の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体282および絶縁体280の開口の内壁に接して導電体240bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 A
また、図59は、図52(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Eのチャネル幅方向の導電体240aと、酸化物230と、が接する領域の断面図である。なお、導電体240bと酸化物230と、が接する領域についても同様の構成である。 FIG. 59 is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line A5-A6 in FIG. 52A, which is a cross-sectional view of a region where the
図59(A)は、導電体240aおよび導電体240bは、少なくとも酸化物230の上面と接し、さらに酸化物230の側面と接することが好ましい。特に、導電体240aおよび導電体240bは、酸化物230のチャネル幅方向と交わる側面において、A5側の側面、およびA6側の側面の双方または一方と接することが好ましい。つまり、導電体240aおよび導電体240bと、酸化物230とが接する領域が鞍のような断面形状を有する(鞍面コンタクトと呼ぶことができる)。また、導電体240aおよび導電体240bが、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と接する構成にしてもよい。また、導電体240aおよび導電体240bと、酸化物230と、が接する領域は、図59(A)の一例に限らず、例えば、図59(B)に示すように、導電体240aおよび導電体240bは、酸化物230の上面および酸化物230の側面と接する領域を有していてもよい。また、導電体240aおよび導電体240bが、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と接する構成にしてもよい。図59(B)は、導電体240aおよび導電体240bと、酸化物230のA5側の側面と接する領域の一例を示しているが、図59(C)に示すように、導電体240aおよび導電体240bと、酸化物230のA6側の側面と接する領域を有してもよい。このような構成とすることで、導電体240aおよび導電体240bと、酸化物230と、が接する領域の面積を大きくすることができるので、導電体240aおよび導電体240bと、酸化物230と、のコンタクト抵抗を低くすることができて好ましい。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。導電体240aおよび導電体240bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体240aおよび導電体240bは積層構造としてもよい。 59A, the
また、図52(B)に示すように、トランジスタ200Eは、導電体260と、導電体240aと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体260と、導電体240bと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体260と、導電体240a(導電体240b)と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。 Further, as shown in FIG. 52B, the
従って、トランジスタ200Eに絶縁体272に加えて絶縁体275を設けることで、寄生容量を低減することができる。チャネル長方向における絶縁体275と絶縁体272の、酸化シリコン膜に換算した合計膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)は、10nm以上50nm以下、好ましくは15nm以上30nmとする。また、絶縁体275としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ200Eを高速に動作させることができる。 Therefore, by providing the
ここで、図60(B)に示すように、例えば、絶縁体280に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域が除去されてもよい。その場合、導電体240に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物230と導電体240とが接することで、酸化物230中に、新たな低抵抗化した領域が形成される。当該低抵抗化した領域が形成されることで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体240は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。図60(B)に新たに低抵抗化した領域の近傍を一点鎖線の枠で囲んで示す。 Here, as shown in FIG. 60B, for example, when forming the opening in the
また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体280、および絶縁体282と接する導電体には、導電体205の第1の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体282より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。 In the case where the
<半導体装置の構成例2>
図54は、本発明の一態様に係るトランジスタ200F、およびトランジスタ200F周辺の上面図および断面図である。<Structure Example 2 of Semiconductor Device>
54A and 54B are a top view and a cross-sectional view of a
図54(A)は、トランジスタ200Fを有する半導体装置の上面図である。また、図54(B)、および図54(C)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図54(B)は、図54(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Fのチャネル長方向の断面図でもある。また、図54(C)は、図54(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Fのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図54(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 54A is a top view of a semiconductor device having a
[トランジスタ200F]
図54に示すように、トランジスタ200Fは、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に接して配置された絶縁体272と、絶縁体272を介して導電体260の側面に配置された絶縁体275と、絶縁体275の側面、および酸化物230上に配置された絶縁体273と、絶縁体273上に配置された絶縁体276と、を有する。[
As shown in FIG. 54, the
絶縁体275の側面、および酸化物230上に配置された絶縁体273と、絶縁体273上に配置された絶縁体276と、を有するところが、前述のトランジスタ200Eと異なる。以下は、トランジスタ200Eと異なる点について説明する。 It differs from
図54(B)に示すように、酸化物230の上面の一部および側面の一部に絶縁体273が接して配置されている。絶縁体273上には、絶縁体276が接して配置されている。つまり、領域231上をこのような構成とすることで、例えば、絶縁体273として、酸化シリコン膜とし、絶縁体276として、スパッタリング法によって酸化アルミニウム膜とすることで、絶縁体280に含まれる水素を酸化物230へ拡散することを防ぐことができる場合がある。その他の構成、効果などについては、トランジスタ200Eの説明を参酌することができる。 As shown in FIG. 54B, an
<半導体装置の構成例3>
図55は、本発明の一態様に係るトランジスタ200G、およびトランジスタ200G周辺の上面図および断面図である。<Structure Example 3 of Semiconductor Device>
55A and 55B are a top view and a cross-sectional view of a
図55(A)は、トランジスタ200Gを有する半導体装置の上面図である。また、図55(B)、および図54(C)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図55(B)は、図55(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Gのチャネル長方向の断面図でもある。また、図55(C)は、図55(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Gのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図55(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 55A is a top view of a semiconductor device having a
[トランジスタ200G]
図55に示すように、トランジスタ200Gは、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に接して配置された絶縁体272と、絶縁体272を介して導電体260の側面に配置された絶縁体275と、絶縁体275の側面、および酸化物230cの側面に配置された絶縁体274と、を有する。[
As shown in FIG. 55, the
絶縁体275の側面、および酸化物230cの側面に配置された絶縁体274を有するところが、前述のトランジスタ200Eと異なる。以下は、トランジスタ200Eと異なる点について説明する。 It differs from
図55(B)に示すように、絶縁体282および絶縁体280の開口は、絶縁体280の内壁が絶縁体274の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体282および絶縁体280の開口時に絶縁体274のエッチング速度が、絶縁体280のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体274のエッチング速度を1とすると、絶縁体280のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。 As shown in FIG. 55B, the openings of
例えば、開口の位置が、設計の位置よりもA1側またはA2側へずれた場合であっても、トランジスタ200Gの構成とすることで、開口に埋め込まれている導電体240aと領域231aとの電気的接続および開口に埋め込まれている導電体240bと領域231bとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。 For example, even if the position of the opening is shifted to the A1 side or the A2 side from the designed position, the configuration of the
ここで、絶縁体282および絶縁体280に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体282の上面と、同一平面上としてもよい。 Here, the
導電体240aは、トランジスタ200Gのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域231aと接しており、導電体240bはトランジスタ200Gのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域231bと接している。よって、導電体240aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体240bはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体282および絶縁体280の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体282および絶縁体280の開口の内壁に接して導電体240bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 A
また、図55(B)に示すように、トランジスタ200Gは、導電体260と、導電体240aと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体260と、導電体240bと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体260と、導電体240a(導電体240b)と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。 Further, as shown in FIG. 55B, the
トランジスタ200Gに絶縁体272および絶縁体275に加えて絶縁体274を設けることで、寄生容量を低減することができる。導電体260と、導電体240a(導電体240b)と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚は、絶縁体275のチャネル長方向の膜厚と絶縁体272のチャネル長方向の膜厚に加えて、絶縁体274のチャネル長方向の膜厚との合計値となるので、さらに寄生容量を低減することができる。チャネル長方向におけるこれらの絶縁体全体の、酸化シリコン膜に換算した膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)は、10nm以上50nm以下、好ましくは15nm以上30nmとする。絶縁体274としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。このように寄生容量を低減することで、トランジスタ200Gを高速に動作させることができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ200Eの説明を参酌することができる。 By providing the
<半導体装置の構成例4>
図56は、本発明の一態様に係るトランジスタ200H、およびトランジスタ200H周辺の上面図および断面図である。<Structure Example 4 of Semiconductor Device>
56A and 56B are a top view and a cross-sectional view of a
図56(A)は、トランジスタ200Hを有する半導体装置の上面図である。また、図56(B)、および図56(C)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図56(B)は、図56(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Hのチャネル長方向の断面図でもある。また、図56(C)は、図56(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200Hのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図56(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 56A is a top view of a semiconductor device having a
[トランジスタ200H]
図56に示すように、トランジスタ200Hは、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面に接して配置された絶縁体272と、絶縁体272を介して導電体260の側面に配置された絶縁体275と、絶縁体275の側面、および酸化物230上に配置された絶縁体273と、絶縁体273上に配置された絶縁体276と、絶縁体273および絶縁体276を介して絶縁体275の側面に配置された絶縁体274と、を有する。[
As shown in FIG. 56, the
絶縁体273および絶縁体276を介して絶縁体275の側面に配置された絶縁体274を有するところが、前述のトランジスタ200Fと異なる。以下は、トランジスタ200Fと異なる点について説明する。 The
図56(B)に示すように、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体276および絶縁体273の開口は、絶縁体280の内壁が絶縁体274の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体282および絶縁体280の開口時に絶縁体274のエッチング速度が、絶縁体280、絶縁体276および絶縁体273のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体274のエッチング速度を1とすると、絶縁体280、絶縁体276および絶縁体273のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。 As shown in FIG. 56B, the openings of the
例えば、開口の位置が、設計の位置よりもA1側またはA2側へずれた場合であっても、トランジスタ200Hの構成とすることで、開口に埋め込まれている導電体240aと領域231aとの電気的接続および開口に埋め込まれている導電体240bと領域231bとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。 For example, even if the position of the opening is shifted to the A1 side or the A2 side from the design position, the configuration of the
ここで、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体276および絶縁体273に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体282の上面と、同一平面上としてもよい。 Here, the
導電体240aは、トランジスタ200Hのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域231aと接しており、導電体240bはトランジスタ200Hのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域231bと接している。よって、導電体240aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体240cはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体276および絶縁体273の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体282、絶縁体280、絶縁体276および絶縁体273の開口の内壁に接して導電体240bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。 A
また、図56(B)に示すように、トランジスタ200Hは、導電体260と、導電体240aと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体260と、導電体240bと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体260と、導電体240a(導電体240b)と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。 Further, as shown in FIG. 56B, the
トランジスタ200Hに絶縁体272および絶縁体275に加えて絶縁体273、絶縁体276および絶縁体274を設けることで、寄生容量を低減することができる。導電体260と、導電体240a(導電体240b)と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚は、絶縁体275のチャネル長方向の膜厚と絶縁体272のチャネル長方向の膜厚に加えて、絶縁体273、絶縁体276および絶縁体274のチャネル長方向の膜厚との合計値となるので、さらに寄生容量を低減することができる。チャネル長方向におけるこれらの絶縁体全体の、酸化シリコン膜に換算した膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)は、10nm以上50nm以下、好ましくは15nm以上30nmとする。絶縁体274としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。このように寄生容量を低減することで、トランジスタ200Hを高速に動作させることができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ200Fの説明を参酌することができる。 By providing the
<半導体装置の構成材料>
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。なお、本実施の形態で示す半導体装置を構成する構造のうち、先の実施の形態で示した構造と同符号を付記した構造の構成材料について特段の説明がない場合、先の実施の形態に記載の構成材料を参酌することができる。<Semiconductor Device Constituent Material>
Constituent materials that can be used for the semiconductor device are described below. Note that, among the structures constituting the semiconductor device shown in this embodiment, the constituent materials of the structures denoted by the same reference numerals as those of the structures shown in the previous embodiment are not described in the above embodiment. The constituent materials described can be taken into consideration.
<<絶縁体>>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。<<insulator>>
As insulators, there are insulating oxides, nitrides, oxynitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxynitrides, metal nitride oxides, and the like.
例えば、絶縁体275および絶縁体276として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, the
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Hafnium oxide has a lower barrier property than aluminum oxide, but the barrier property can be improved by increasing the film thickness. Therefore, by adjusting the film thickness of hafnium oxide, the appropriate amounts of hydrogen and nitrogen to be added can be adjusted.
絶縁体272、絶縁体273、および絶縁体274は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体272、絶縁体273、および絶縁体274は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体272、絶縁体273、および絶縁体274は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。 The
<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200Eを有する半導体装置について、作製方法を図61乃至図71を用いて説明する。また、図61乃至図71において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200Eのチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200Eのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。<Method for manufacturing a semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the
まず、基板(図示しない。)を準備し、当該基板上に絶縁体210を成膜する。なお、絶縁体210の材料、成膜方法等は、実施の形態1の絶縁体210を参酌することができる。 First, a substrate (not shown) is prepared, and an
次に絶縁体210上に、導電体203となる導電膜を成膜する。導電体203となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。また、導電体203となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体203となる導電膜としてタングステンを成膜する。 Next, a conductive film to be the
次に、リソグラフィー法を用いて、導電体203となる導電膜を加工し、導電体203を形成する。 Next, the conductive film to be the
なお、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体203となる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体203となる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体203となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。 Note that a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask. In the case of using a hard mask, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed over the conductive film serving as the
次に、絶縁体210上、導電体203上に絶縁体212となる絶縁膜を成膜する。絶縁体212となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体212となる絶縁膜として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。 Next, an insulating film to be the
ここで、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚は、導電体203の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体203の膜厚を1とすると、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚は、1以上3以下とする。本実施の形態では、導電体203の膜厚の膜厚を150nmとし、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚を350nmとする。 Here, the thickness of the insulating film to be the
次に、絶縁体212となる絶縁膜にCMP処理を行うことで、絶縁体212となる絶縁膜の一部を除去し、導電体203の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体203と、絶縁体212を形成することができる(図61参照。)。 Next, the insulating film to be the
ここでは、上記と異なる導電体203の形成方法について以下に説明する。 Here, a method of forming the
絶縁体210上に絶縁体212を成膜する。絶縁体212の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 An
次に、絶縁体212に絶縁体210に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体210は、絶縁体212をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体212に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体210は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。 Next, an opening is formed in the
開口の形成後に、導電体203となる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体203となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 After forming the opening, a conductive film to be the
本実施の形態では、導電体203となる導電膜として、多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。このような金属窒化物を導電体203となる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体203となる導電膜の上層の導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体203から外に拡散するのを防ぐことができる。 In this embodiment mode, the conductive film to be the
次に、導電体203となる導電膜の上層の導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体203となる導電膜の上層の導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。 Next, a conductive film is formed as an upper layer of the conductive film to be the
次に、CMP処理を行うことで、導電体203となる導電膜の上層、および導電体203となる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体212を露出する。その結果、開口部のみに、導電体203となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体203を形成することができる。なお、当該CMP処理により、絶縁体212の一部が除去される場合がある。以上が、導電体203の異なる形成方法である。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the upper layer of the conductive film that will be the
次に、絶縁体212、および導電体203上に絶縁体214、および絶縁体216を順に成膜する。なお、絶縁体214、および絶縁体216の材料、成膜方法等は、それぞれ、実施の形態1の絶縁体214、絶縁体216を参酌することができる。 Next, an
次に、絶縁体214および絶縁体216に、導電体203に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。 Next, an opening reaching the
開口の形成後に、導電体205aとなる導電膜を成膜する。導電体205aとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体205aとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 After forming the opening, a conductive film to be the
本実施の形態では、導電体205aとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。 In this embodiment mode, a tantalum nitride film is formed by a sputtering method as the conductive film to be the
次に、導電体205aとなる導電膜上に、導電体205bとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be the
本実施の形態では、導電体205bとなる導電膜として、CVD法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にCVD法によってタングステンを成膜する。 In this embodiment mode, as the conductive film to be the
次に、CMP処理を行うことで、導電体205aとなる導電膜、および導電体205bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体216を露出する。その結果、開口部のみに、導電体205aとなる導電膜および導電体205bとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体205aおよび導電体205bを含む導電体205を形成することができる(図61参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体216の一部が除去される場合がある。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the
次に、絶縁体216、および導電体205上に絶縁体220、絶縁体222、絶縁膜224A、酸化物230aとなる酸化膜230A、および酸化物230bとなる酸化膜230Bを順に成膜する(図61参照。)。なお、絶縁体220、および絶縁体222の材料、成膜方法等は、それぞれ、実施の形態1の絶縁体220、および絶縁体222を参酌することができ、絶縁膜224Aの材料、成膜方法等は、実施の形態3の絶縁膜224Aを参酌することができ、酸化膜230Aおよび酸化膜230Bの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態1の酸化膜230Aおよび酸化膜230Bを参酌することができる。 Next, an
次に、酸化膜230A、および酸化膜230Bを島状に加工して、酸化物230a、および酸化物230bを形成する。なお、当該工程において、絶縁膜224Aを島状に加工(絶縁体224)してもよい。その場合、絶縁体222をエッチングストッパ膜として用いることができる(図62参照。)。 Next,
ここで、酸化物230a、および酸化物230bは、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、酸化物230a、および酸化物230bの側面は、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物230a、および酸化物230bの側面が、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ200Eを設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角が小さい角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角は60°以上70°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、酸化物230a、および酸化物230bの側面に絶縁体272および絶縁体275が形成されないようにすることができる。 Here, the
また、酸化物230a、および酸化物230bの側面と、酸化物230bの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。 In addition, curved surfaces are provided between the side surfaces of the
なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。 Note that processing of the oxide film may be performed using a lithography method. A dry etching method or a wet etching method can be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing.
また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物230a、および酸化物230bなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。 Further, when dry etching or the like is performed, impurities caused by an etching gas or the like may adhere to or diffuse onto or inside the
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。 Cleaning is performed to remove the above impurities. As a cleaning method, there are wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, or the like, and the above cleaning may be performed in combination as appropriate.
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。 Wet cleaning may be performed using an aqueous solution obtained by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed. In this embodiment, ultrasonic cleaning is performed using pure water or carbonated water.
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。 Subsequently, heat treatment may be performed. As the conditions for the heat treatment, the conditions for the heat treatment described above can be used.
次に、絶縁膜224A、酸化物230a、および酸化物230bの上に、酸化膜230Cを成膜する(図63参照。)。なお、酸化膜230Cの材料、成膜方法等は、実施の形態1の酸化膜230Cを参酌することができる。 Next, an
続いて、酸化膜230C上に、絶縁膜250A、導電膜260A、導電膜260B、および絶縁膜270Aを順に成膜する(図63参照。)。 Subsequently, an insulating
まず、絶縁膜250Aを成膜する。なお、絶縁膜250Aの材料、形成方法等は、実施の形態1の絶縁膜250Aを参酌することができる。 First, an insulating
ここで、絶縁膜250A上に金属酸化膜を成膜してもよい。当該金属酸化膜として、スパッタリング法により、In-Ga-Zn酸化物を形成する。当該金属酸化膜の形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で当該金属酸化膜を形成することで、絶縁膜250A中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜250Aに添加された過剰酸素は、酸化物230に酸素を供給することで、酸化物230中の酸素欠損を補償することができる。 Here, a metal oxide film may be formed on the insulating
ここで、上記金属酸化膜を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、上記金属酸化膜を成膜しながら、絶縁膜250A、および絶縁膜224Aに酸素を導入することができる。また、上記金属酸化膜に、バリア性を有するアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることで、絶縁膜250Aに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。 Here, as means for forming the metal oxide film, a sputtering apparatus is used to form the film in an oxygen gas atmosphere. oxygen can be introduced into the Further, by using one or both oxides of aluminum and hafnium having barrier properties for the metal oxide film, excess oxygen introduced into the insulating
次に、導電膜260A、および導電膜260Bを成膜する。なお、導電膜260A、および導電膜260Bの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態1の導電膜260A、および導電膜260Bを参酌することができる。 Next, a
例えば、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、金属酸化膜として、In-Ga-Zn酸化物に代表される酸化物半導体を用いた場合、当該金属酸化膜は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、酸化物導電体(OC)として機能する。そこで、導電膜260Aとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素(特に窒素)が先に成膜した金属酸化膜に拡散し、該金属酸化膜が低抵抗化する。また、導電膜260Aの成膜時のダメージ(例えば、スパッタリングダメージなど)により、該金属酸化膜が低抵抗化する。従って、該金属酸化膜のキャリア密度が高くなり、該金属酸化膜の導電性が高くなる。 For example, as the
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、金属酸化膜から、絶縁膜250Aに過剰酸素が添加され、絶縁膜250Aに過剰酸素領域を容易に形成することができる。 A heat treatment can then be performed. For the heat treatment, the heat treatment conditions described above can be used. Note that the heat treatment may not be performed in some cases. By this heat treatment, excess oxygen is added to the insulating
絶縁膜270Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁膜270Aは、バリア膜として機能するため、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体260の酸化を抑制することができる。また、導電体260および絶縁体250を介して、水または水素などの不純物が酸化物230に混入することを抑制することができる。本実施の形態では、絶縁膜270Aを2層構造とし、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、次にCVD法によって酸化シリコンを成膜する。 The insulating
次に、絶縁膜270Aを、エッチングし、絶縁体270を形成する。ここで、絶縁体270は、ハードマスクとして機能する。絶縁体270を設けることで、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、導電体260aの側面および導電体260bの側面を、基板の上面に対し、概略垂直に形成することができる。 Next, the insulating
次に、絶縁体270をマスクとして、酸化膜230C、絶縁膜250A、導電膜260A、導電膜260Bを、エッチングし、酸化物230c、絶縁体250および導電体260(導電体260a、および導電体260b)を形成する(図64参照。)。 Next, using the
また、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、および絶縁体270は、少なくとも一部が、導電体205および酸化物230と重なるように形成する。 At least part of the
また、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面および導電体260の側面は、同一面内であることが好ましい。 Moreover, the side surface of the
また、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面および導電体260の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面と、酸化物230の上面のなす角が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260の側面と、酸化物230の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230c、絶縁体250および導電体260の側面と、酸化物230の上面のなす角は大きいほど好ましい。 Also, the same plane shared by the side surfaces of the
次に、酸化物230、絶縁体250、導電体260および絶縁体270を覆って、絶縁膜272Aを成膜する(図65参照。)。絶縁膜272Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。 Next, an insulating
絶縁膜272Aは、被覆性に優れたALD法により成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、導電体260などにより形成された段差部においても、絶縁体250、導電体260、および絶縁体270の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜272Aを形成することができる。また、ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。 The insulating
絶縁膜272Aとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 As the insulating
一方、絶縁膜272Aとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体260が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体260が絶縁膜272Aの上方からの酸素で酸化するのを抑制することができる。これにより、導電体260の抵抗値が上がることを抑制することができる。 On the other hand, as the insulating
絶縁膜272Aとして、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜272Aの膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体260の酸化を抑制しながら、絶縁体275が有する過剰酸素を絶縁体250へ供給することが可能となる。 When aluminum oxide is provided as the insulating
次に、絶縁膜275Aを成膜する。絶縁膜275Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁膜275Aとして、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜する。本成膜によって、酸素を絶縁膜272Aに添加することができる。該酸素は、絶縁膜272Aを介して、酸化物230に添加され、酸化物230中の欠陥を修復することができる(図66参照。)。 Next, an insulating
次に、絶縁膜272Aおよび絶縁膜275Aに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体272および絶縁体275を形成する(図67参照。)。 Next, the insulating
上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体272および絶縁体275を自己整合的に形成することができる。 As the anisotropic etching treatment, dry etching treatment is preferably performed. As a result, the
続いて、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体270、絶縁体272、および絶縁体275を介して、絶縁体222、絶縁体224、および酸化物230上に膜242Aを成膜する(図68参照。)。なお、膜242Aは、0.5nm以上5nm以下、好ましくは、1nm以上3nm以下の膜厚にするとよい。膜242Aは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜242Aは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜242Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。 Subsequently, a
続いて、加熱処理を行う。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜242Aの成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。 Then, heat treatment is performed. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Moreover, you may perform heat processing in a pressure-reduced state. For example, as heat treatment, treatment is performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after forming the
窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜242Aから、上述した金属元素が酸化物230へ拡散し、酸化物230に金属元素を添加することができる。また、酸化物230の膜242Aとの界面近傍における酸素が膜242Aに吸収される場合がある。その結果、酸化物230の膜242Aとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物230の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物230に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, the metal element described above diffuses from the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。 Alternatively, after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed at 250° C. or higher and 650° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 320° C. or higher and 450° C. or lower.
また、膜242Aに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜242Aを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Further, when a conductive region remains in the
上記膜242Aの成膜工程、または加熱処理において、膜242Aに、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、n型となり、低抵抗化される。 Oxygen in the region 231 of the
続いて、膜242Aを除去する。なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜242Aを除去することで、膜242Aに吸収された酸化物230中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ200E中の不純物である水素を低減することができる(図69参照。)。 Subsequently, the
次に、絶縁体280を成膜する。なお、絶縁体280の材料、形成方法等は、実施の形態1の絶縁体280を参酌することができる。 Next, an
次に、絶縁体280上に、絶縁体282となる絶縁膜を形成してもよい。絶縁体282となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁体282となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって成膜された酸化アルミニウム膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。したがって、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体280が有する水素を酸化物230へ拡散することを抑制することができる場合がある。 Next, an insulating film to be the
次に、絶縁体280および絶縁体282に、酸化物230の領域231に達する開口を形成する(図70参照。)。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。ここで、導電体240が、絶縁体275の側面に接して設けられるように、当該開口を形成する。当該開口条件は、絶縁体275をほとんどエッチングしない条件、即ち絶縁体275のエッチング速度に比べて絶縁体280のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体275のエッチング速度を1とすると、絶縁体280のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域231へ自己整合的に配置することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、リソグラフィー工程において、導電体260と、開口と、のそれぞれの位置ずれに対する許容範囲が大きくなるので歩留まりの向上が期待できる。 Openings are then formed in
例えば、開口の位置が、設計の位置よりもA1側またはA2側へずれても、後の工程にて開口に埋め込まれる導電体240aと領域231aとの電気的接続および開口に埋め込まれる導電体240bと領域231bとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。 For example, even if the position of the opening deviates from the designed position to the A1 side or the A2 side, the electrical connection between the
次に、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜を成膜する。導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体240となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductive film to be the
ここで、例えば、絶縁体280および絶縁体282に開口を形成する際に、酸化物230における領域231の低抵抗化した領域を除去してもよい。当該開口に導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜を成膜すると、酸化物230と、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物230と、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該接触領域を低抵抗化することで、酸化物230と、導電体240aおよび導電体240bと、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。 Here, for example, the low-resistance region of region 231 in
次に、CMP処理を行うことで、導電体240aおよび導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体282を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240aおよび導電体240bを形成することができる(図71および図52参照。)。 Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the
また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体240aおよび導電体240bを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体240aおよび導電体240bの酸化を防止することができる。また、導電体240aおよび導電体240bから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムの形成は、開口にALD法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。 Alternatively, the
以上により、トランジスタ200Eを有する半導体装置を作製することができる。図61乃至図71に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200Eを作成することができる。 Through the above steps, a semiconductor device including the
なお、図57に、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角が小さい角度になる構成例について示す。この様な形状とすることで、酸化物230a、および酸化物230bの側面に絶縁体272および絶縁体275が形成されないので、酸化物230の低抵抗領域である領域231が、酸化物230aの側面にも形成することができる。 Note that FIG. 57 shows a structural example in which the angle formed by the side surfaces of the
また、図58に、膜242Aを残存する構成の一例を示す。膜242Aの酸化物230と接する領域以外を高抵抗化して絶縁体242Bとして残存させることで、層間膜として機能させることができる。 Also, FIG. 58 shows an example of a configuration in which the
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with the structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態6)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタに酸化物半導体として用いることができるIn-Ga-Zn酸化物(IGZOと表記する場合がある。)中の水素について説明する。(Embodiment 6)
Hydrogen in an In--Ga--Zn oxide (sometimes referred to as IGZO) that can be used as an oxide semiconductor in the transistor of one embodiment of the present invention is described below.
<1.水素原子の移動>
ここでは、IGZO結晶における水素原子の移動の起こりやすさを、水素原子の移動経路上の活性化障壁の観点から評価した。なお、水素原子の移動様式には、1つの酸素から他の酸素へのホッピング、および一つの酸素上における移動を想定した。<1. Movement of Hydrogen Atom>
Here, the susceptibility of hydrogen atoms to migrate in an IGZO crystal was evaluated from the viewpoint of the activation barrier on the migration path of hydrogen atoms. In addition, hopping from one oxygen to another oxygen and movement on one oxygen were assumed as the mode of movement of hydrogen atoms.
水素原子の移動経路を検討したInGaZnO4結晶中の領域区分の模式図を図73に示す。ここでは、図73に示す、InO2領域、(Ga,Zn)O領域、及びInO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域それぞれにおける経路(ab面内方向)、および各領域を横切る経路(c軸方向)について検討した。FIG. 73 shows a schematic diagram of the division of regions in the InGaZnO 4 crystal in which the movement paths of hydrogen atoms were studied. Here, the path (in the ab plane direction) in each of the InO 2 region, the (Ga, Zn) O region, and the region between the InO 2 plane and the (Ga, Zn) O plane shown in FIG. 73, and each region A crossing path (c-axis direction) was examined.
活性化障壁の評価には、第一原理電子状態・分子動力学計算パッケージVASP(Vienna ab initio simulation package)を用いて行い、化学反応経路探索手法であるNEB(Nudged Elastic Band)法を援用した。NEB法とは初期状態と最終状態からその2つの状態を結ぶ状態の中で必要なエネルギーが最も低くなる状態を探しだす手法である。活性化障壁は、経路内の最大エネルギーと、経路上で最も安定な構造のエネルギーとの差とした。 The activation barrier was evaluated using a first-principles electronic state/molecular dynamics calculation package VASP (Vienna ab initio simulation package), and the NEB (Nudged Elastic Band) method, which is a chemical reaction path search method, was used. The NEB method is a method of searching for the state with the lowest required energy among the states connecting the two states from the initial state and the final state. The activation barrier was the difference between the maximum energy in the pathway and the energy of the most stable structure on the pathway.
<<InO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域>>
図74に、InO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域の水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造のエネルギーをエネルギーの原点とした。図74(A)及び図74(C)は、水素原子の移動の様子を示し、それぞれ経路A、経路Bとする。なお、図74(A)乃至図74(D)において、数字は水素原子の移動の順番を示す。経路Aでは、水素原子が3から4に向かう経路について、直線的な経路である。一方、経路Bでは、水素原子が3から4に向かう経路について、5を経由した経路である。<<Region between InO 2 plane and (Ga, Zn)O plane>>
FIG. 74 shows migration paths of hydrogen atoms in the region between the InO 2 plane and the (Ga, Zn)O plane, and activation barriers on the paths. However, the most stable structure on the route was used as a reference, and the energy of this structure was used as the origin of energy. 74(A) and 74(C) show how hydrogen atoms move, and are referred to as path A and path B, respectively. Note that numbers in FIGS. 74A to 74D indicate the order of movement of hydrogen atoms. Path A is a straight path for the path from
また、図74(B)は、経路A(水素原子が1から4迄移動する経路)における活性化障壁の計算結果を示し、図74(D)は、経路B(水素原子が1から4迄、5を経由して移動する経路)における活性化障壁の計算結果を示す。なお、図74(B)および図74(D)の横軸は、水素移動経路であり、単位は任意単位(arbitrary unit)とする。 In addition, FIG. 74(B) shows the calculation result of the activation barrier in path A (the path in which hydrogen atoms move from 1 to 4), and FIG. , 5). Note that the horizontal axis in FIGS. 74B and 74D is the hydrogen migration path, and the unit is arbitrary unit.
図74(B)に示す、経路A上での活性化障壁は1.12eVであり、図74(D)に示す、経路B上での活性化障壁は0.23eVであった。経路Aと比較して、経路B上での活性化障壁の方が小さいため、水素原子が3から4に向かう場合、経路上の障壁が低い経路Bが起こりやすいと考えられる。すなわち、水素原子がInO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域を移動する際には、経路上の障壁が低い経路Bが起こりやすいと推測される。The activation barrier on path A shown in FIG. 74(B) was 1.12 eV, and the activation barrier on path B shown in FIG. 74(D) was 0.23 eV. Since the activation barrier on path B is smaller than that on path A, when hydrogen atoms move from 3 to 4, path B with a lower barrier on the path is likely to occur. That is, when hydrogen atoms move in the region between the InO 2 plane and the (Ga, Zn)O plane, it is presumed that path B, which has a low barrier on the path, is likely to occur.
<<(Ga,Zn)O領域>>
次に、(Ga,Zn)O領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を、図75に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギーの原点とした。図75(A)は、(Ga,Zn)O領域における水素原子の移動の様子を示す。図75(A)において、数字は水素原子の移動の順番を示す。図75(B)は、図75(A)において、水素原子が1から4迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。<<(Ga, Zn) O region>>
Next, FIG. 75 shows migration paths of hydrogen atoms in the (Ga, Zn)O region and activation barriers on the paths. However, the most stable structure on the route was taken as a reference, and this structure was taken as the origin of energy. FIG. 75A shows how hydrogen atoms move in the (Ga, Zn)O region. In FIG. 75A, numbers indicate the order of movement of hydrogen atoms. FIG. 75(B) shows the calculation result of the activation barrier in the path along which the hydrogen atoms move from 1 to 4 in FIG. 75(A).
図75(B)から、(Ga,Zn)O領域における水素原子の移動経路上での活性化障壁は0.16eVであり、図74(D)に示す活性化障壁と比較して小さいことが分かる。障壁の高さのみを考えたとき、水素原子が(Ga,Zn)O領域に存在する場合は、InO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域に存在する場合と比較して、水素原子の移動は起こりやすいと予想される。From FIG. 75(B), the activation barrier on the migration path of hydrogen atoms in the (Ga, Zn)O region is 0.16 eV, which is smaller than the activation barrier shown in FIG. 74(D). I understand. Considering only the barrier height, when hydrogen atoms are present in the (Ga,Zn)O region, compared to the case in which they are present in the region between the InO2 and (Ga,Zn)O planes, Hydrogen atom migration is expected to occur easily.
<<InO2領域>>
次に、InO2領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を図76に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギーの原点とした。図76(A)は、InO2領域における水素原子の移動の様子を示す。図76(A)において、数字は水素原子の移動の順番を示す。図76(B)は、図76(A)において、水素原子が1から4迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。<< InO2 region>>
Next, FIG. 76 shows the movement paths of hydrogen atoms in the InO 2 region and the activation barriers on the paths. However, the most stable structure on the route was taken as a reference, and this structure was taken as the origin of energy. FIG. 76(A) shows how hydrogen atoms move in the InO 2 region. In FIG. 76A, numbers indicate the order of movement of hydrogen atoms. FIG. 76(B) shows the calculation result of the activation barrier in the path along which the hydrogen atoms move from 1 to 4 in FIG. 76(A).
図76(B)から、InO2領域における1つの酸素から他の酸素へ水素原子が移動する際の活性化障壁は、1.2eV以上であった。つまり、図74(D)および図75(B)に示す活性化障壁と比較して、InO2領域における水素原子の移動経路上での活性化障壁が非常に大きくなっていることが分かる。したがって、他の領域に比べてInO2領域では、水素原子の移動は起こりにくいと考えられる。From FIG. 76(B), the activation barrier for the transfer of hydrogen atoms from one oxygen to another in the InO 2 region was 1.2 eV or more. In other words, compared to the activation barriers shown in FIGS. 74(D) and 75(B), it can be seen that the activation barrier on the migration path of hydrogen atoms in the InO 2 region is much larger. Therefore, it is considered that hydrogen atoms are less likely to migrate in the InO2 region than in other regions.
次に、c軸方向に沿った水素原子の移動経路とその経路上での活性化障壁を、図77に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギーの原点とした。図77(A)は、c軸方向に沿った水素原子の移動の様子を示す。図77(A)において、数字は水素原子の移動の順番を示す。図77(B)は、図77(A)において、水素原子が1から8迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。 Next, FIG. 77 shows migration paths of hydrogen atoms along the c-axis direction and activation barriers on the paths. However, the most stable structure on the route was taken as a reference, and this structure was taken as the origin of energy. FIG. 77A shows how hydrogen atoms move along the c-axis direction. In FIG. 77A, numbers indicate the order of movement of hydrogen atoms. FIG. 77(B) shows the calculation result of the activation barrier in the path along which the hydrogen atoms move from 1 to 8 in FIG. 77(A).
図77(B)から、水素原子が2から5迄移動する経路における活性化障壁は0.9eVであった。つまり、水素原子が(Ga,Zn)O領域へ入る、あるいは出る際に大きな活性化障壁が存在することが分かる。これは水素原子の移動経路が金属原子と酸素原子の結合に遮られるためと考えられる。また、図77(B)から、水素原子が7から8迄移動する経路における活性化障壁は約1.5eVであった。つまり、InO2領域における水素原子の移動でも大きな活性化障壁の存在が確認される。このため、c軸方向への連続した水素原子の移動は起こりにくいと予想される。なお、活性化障壁が大きい原因の一つとして、Inのイオン半径が大きいことが考えられる。From FIG. 77(B), the activation barrier in the path where hydrogen atoms move from 2 to 5 was 0.9 eV. In other words, it can be seen that there is a large activation barrier when hydrogen atoms enter or leave the (Ga, Zn)O region. It is considered that this is because the movement path of the hydrogen atoms is blocked by the bond between the metal atom and the oxygen atom. Further, from FIG. 77(B), the activation barrier in the path along which the hydrogen atoms move from 7 to 8 was about 1.5 eV. That is, the existence of a large activation barrier is also confirmed for the movement of hydrogen atoms in the InO2 region. Therefore, it is expected that continuous movement of hydrogen atoms in the c-axis direction is unlikely to occur. Note that one of the reasons for the large activation barrier is considered to be the large ionic radius of In.
ここで、計算により得られた活性化障壁と以下の数式1より、移動頻度(Γ)を算出した。 Here, the movement frequency (Γ) was calculated from the calculated activation barrier and the following
ここで、Eaは活性化障壁、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度、νは頻度因子を示す。Here, Ea is the activation barrier, kB is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and ν is the frequency factor.
最後に、各経路上の活性化障壁の最大値(最大障壁)から見積もった移動頻度を表1に示す。 Finally, Table 1 shows migration frequencies estimated from the maximum value of activation barriers (maximum barriers) on each route.
27℃、450℃共に、InO2面と(Ga,Zn)O面の間の領域、および(Ga,Zn)O領域におけるab面方向への移動頻度が最も高く、一方、InO2領域におけるc軸方向への移動頻度が低い傾向にあることが分かった。すなわち、完全な結晶系では水素は優先的にab面に沿って拡散することを示唆している。しかし、450℃の加熱処理においては、水素はIGZO膜中を十分拡散することが分かった。At both 27 °C and 450 °C, the region between the InO 2 and (Ga, Zn)O planes and the (Ga, Zn)O region showed the highest frequency of migration in the ab plane direction, while the c It was found that the frequency of movement in the axial direction tends to be low. That is, it suggests that hydrogen preferentially diffuses along the ab plane in a perfect crystal system. However, it was found that hydrogen sufficiently diffuses in the IGZO film in the heat treatment at 450°C.
<2.酸素欠損VOのできやすいサイト>
金属原子と酸素原子の結合の強さは金属の種類や価数によって異なるため、IGZO中の酸素欠損VOのできやすさは、酸素原子の結合相手となる金属の種類、数、距離等で差が生じると推測される。そこで、InGaZnO4結晶モデルに対して酸素欠損のできやすさを計算した。<2. Sites where oxygen deficiency VO is likely to occur>
Since the strength of the bond between a metal atom and an oxygen atom varies depending on the type and valence of the metal, the ease with which oxygen vacancies VO are formed in IGZO depends on the type, number, distance, etc., of the metals that are bonding partners of the oxygen atoms. It is assumed that there is a difference. Therefore, the easiness of forming oxygen vacancies was calculated for the InGaZnO 4 crystal model.
計算にはInGaZnO4結晶モデル(112原子)を用いた。このモデルを図78に示す。(Ga,Zn)O領域内のGaおよびZnは、エネルギー的に安定となるような配置をとった。このとき、結合相手と数より、酸素サイトの種類は4つとなる(図78中に示す1から4)。各酸素サイトについて表2に示す。An InGaZnO4 crystal model (112 atoms) was used for the calculations. This model is shown in FIG. Ga and Zn in the (Ga, Zn)O region were arranged so as to be energetically stable. At this time, there are four types of oxygen sites (1 to 4 shown in FIG. 78) based on the binding partner and number. Table 2 shows each oxygen site.
上記モデルから酸素サイトの酸素原子を一個引き抜くことで、酸素欠損モデルを作成し、当該酸素欠損モデルの構造をエネルギー的に安定にする(最適化する、ともいう。)ための計算を行った。続いて、最適化された構造に対する全エネルギーの比較を行った。計算条件を表3に示す。 An oxygen vacancy model was created by extracting one oxygen atom from the oxygen site from the above model, and calculations were performed to stabilize (also referred to as optimizing) the structure of the oxygen vacancy model in terms of energy. A comparison of the total energies for the optimized structures was then performed. Table 3 shows the calculation conditions.
最適化された構造に対する全エネルギーの比較を行った。酸素サイト4の酸素欠損モデルの全エネルギーを基準(0.0eV)として、全エネルギーの相対値を図79に示す。図79より、酸素欠損が形成されやすいのは酸素サイト4であり、酸素サイト2も比較的形成されやすいと推測される。一方、酸素サイト1及び酸素サイト3については、酸素サイト2や酸素サイト4と比べると形成されにくいと推測される。 A comparison of the total energies for the optimized structures was performed. FIG. 79 shows the relative values of the total energy with the total energy of the oxygen deficiency model of the
<3.HOの形成しやすさ及び安定性>
IGZO中では、特に加熱処理時には水素は拡散するという計算結果を、<1.水素原子の移動>において説明した。そこで、酸素欠損VOが存在する場合、酸素欠損VO中の水素は、酸素欠損VOから抜け出すかについて計算を行った。ここで、酸素欠損VO中に水素原子が存在する状態をHO(VOHと表記する場合もある。)と表記する。<3. Ease of formation and stability of HO >
<1. Movement of Hydrogen Atom>. Therefore, a calculation was made as to whether hydrogen in the oxygen-
計算には、図78に示すInGaZnO4結晶モデルを用いた。ここで、酸素欠損VO中の水素原子がVOから抜け出し、酸素原子と結合するまでの水素原子の移動経路における活性化障壁(Ea)を、NEB法を用いて計算した。計算条件を表4に示す。The InGaZnO 4 crystal model shown in FIG. 78 was used for the calculation. Here, the activation barrier (E a ) in the transfer path of hydrogen atoms in oxygen-
酸素欠損VOを最も形成しやすい酸素サイトは、図78に示す酸素サイト4であるという計算結果を、<2.酸素欠損VOのできやすいサイト>において説明した。そこで、酸素欠損VOが、ab面方向に位置する1個のGaと2個のZnと結合した酸素サイト(図78に示す4)に存在する場合、酸素欠損VO中の水素原子は、酸素欠損VOから抜け出すかについて計算を行った。<2 . site where oxygen deficiency VO is likely to occur>. Therefore, when oxygen vacancies VO are present at oxygen sites (4 shown in FIG. 78) bonded to one Ga and two Zn located in the ab plane direction, the hydrogen atoms in the oxygen vacancies VO are Calculations were made on how to escape from the oxygen-deficient VO .
初期状態のモデルを図80(A)に示し、最終状態のモデルを図80(B)に示す。なお、ここでの初期状態とは、酸素欠損VO中に水素原子が存在する状態(HO)であり、最終状態とは、酸素欠損VOと、1個のGa及び2個のZnと結合した酸素原子と水素原子とが結合した状態(H-O)を有する構造である。また、水素原子が初期状態から最終状態まで移動する経路における、活性化障壁を図81に示す。図81において、横軸の左端は上記初期状態であり、横軸の右端は上記最終状態である。また、上記初期状態と上記最終状態との間にプロットしている点は、水素原子が移動の際に経由した位置を表す。なお、横軸の単位は任意とする。ここで、初期状態の全エネルギーを基準(0.0eV)とした。The model in the initial state is shown in FIG. 80(A), and the model in the final state is shown in FIG. 80(B). Here, the initial state is a state in which hydrogen atoms are present in the oxygen vacancies VO (H 2 O ), and the final state is the oxygen vacancies VO , one Ga and two Zn atoms. It is a structure having a state (H—O) in which a bonded oxygen atom and a hydrogen atom are bonded. FIG. 81 shows activation barriers in the path along which hydrogen atoms move from the initial state to the final state. In FIG. 81, the left end of the horizontal axis is the initial state, and the right end of the horizontal axis is the final state. Also, the points plotted between the initial state and the final state represent the positions through which the hydrogen atoms moved. Note that the unit of the horizontal axis is arbitrary. Here, the total energy in the initial state was used as a reference (0.0 eV).
計算の結果、酸素欠損VO中の水素原子がVOから抜け出す際の活性化障壁(Ea)は約1.70eVであった。As a result of calculation, the activation barrier (E a ) when hydrogen atoms in oxygen-
次に、計算により得られた活性化障壁(Ea)と上記の数式1より、1時間当たりの、酸素欠損VO中の水素原子が酸素欠損VOから抜け出す平均回数を算出した。Next, from the calculated activation barrier (E a ) and
頻度因子ν=1013[1/sec]と仮定して、室温および250℃における、酸素欠損VO中の水素原子が酸素欠損VOから抜け出す平均回数を算出した。図80(A)に示すモデルから図80(B)に示すモデルへ水素原子が移動する平均回数は、室温では約1×10-12[回]であった。このことから、室温では、酸素欠損VO中の水素原子が酸素欠損VOから抜け出る確率は極めて低く、HOの状態が安定であることが示唆される。また、図80(A)に示すモデルから図80(B)に示すモデルへ水素原子が移動する平均回数は、250℃では約2[回]であった。このことから、250℃以上の温度で1時間のベークを行うと、酸素欠損VO中の水素原子が酸素欠損VOから抜け出すことが可能であることが示唆される。Assuming that the frequency factor ν=10 13 [1/sec], the average number of times the hydrogen atoms in the oxygen-
以上のことから、チャネル形成領域に存在する酸素欠損VO中の水素は、熱処理によって、酸素欠損VOから抜け出すことが分かった。また、酸素欠損から抜け出した水素は、低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損VOの中に入って、HOとなりやすいことが分かった。したがって、熱処理によって、チャネル形成領域の高純度化(水、水素などの不純物の低減)が行われ、ノーマリーオフのトランジスタ特性が得られる。From the above, it was found that the hydrogen in the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態7)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 7)
An example of a semiconductor device including the
<半導体装置の構成例>
図82(A)、図82(B)、および図82(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、容量素子100、およびトランジスタ200周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、1つの容量素子、および少なくとも1つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。<Structure example of semiconductor device>
82A, 82B, and 82C are a top view and a cross-sectional view of the
図82(A)は、トランジスタ200、および容量素子100を有するセル600の上面図である。また、図82(B)、および図82(C)はセル600の断面図である。ここで、図82(B)は、図82(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図82(C)は、図82(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。図82(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 82A is a top view of a
[セル600]
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200、容量素子100、および層間膜として機能する絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、および導電体240b)とを有する。[Cell 600]
A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
図82に示すセル600は、トランジスタ200と、容量素子100とを、同層に設けることで、トランジスタ200を構成する構造の一部を、容量素子100が構成する構造の一部と、併用することができる。つまり、トランジスタ200の構造の一部は、容量素子100の構造の一部として、機能する場合がある。 In a
また、トランジスタ200に、容量素子100の一部、または全体が、重畳することで、トランジスタ200の投影面積、および容量素子100の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。 In addition, part or all of the
また、トランジスタ200と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する導電体240b、および導電体207を、容量素子100、およびトランジスタ200が重畳する領域の下部に設けることで、セル600の微細化、または高集積化が容易となる。また、導電体207は、トランジスタ200の構成要素の一つである導電体205と同工程で形成できるため、工程短縮が可能となる。また、容量素子100において、トランジスタ200と同様に、導電体207の下面に接して、配線として機能する導電体を設けてもよい。 In addition, the
なお、容量素子100において、必要な容量値に応じて、トランジスタ200、および容量素子100のレイアウトを適宜設計することができる。 Note that in the
例えば、容量素子100の面積は、酸化物230の領域231bと、導電体120が、重畳する面積により決定される。したがって、セル600に必要な容量値が、図82(A)および図82(B)に示す容量素子100では得られない場合、酸化物230aおよび酸化物230bの領域231bにおけるA3-A4方向の幅を、酸化物230aおよび酸化物230bの領域234におけるA3-A4方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。 For example, the area of the
また、例えば、酸化物230の領域231bにおけるA1-A2方向の長さを、導電体120におけるA1-A2方向の長さよりも長くしてもよい。その場合、導電体240bを、絶縁体280に埋め込むことができる。つまり、酸化物230の領域231bと、導電体240bとが、酸化物230の領域231bと導電体120とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。したがって、導電体240a、および導電体240bを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。 Also, for example, the length of the
上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ200は、容量素子100と、同一の工程で形成する。したがって、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。 By having the above structure, miniaturization or high integration is possible. Also, the degree of freedom in design can be increased. Further, the
[トランジスタ200]
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図82に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。[Transistor 200]
As the structure of the
[容量素子100]
図82に示すように、容量素子100は、トランジスタ200と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ200の酸化物230に設けられた領域231bを、容量素子100の電極の一方として機能させる容量素子100の例について示す。[Capacitor 100]
As shown in FIG. 82 , the
容量素子100は、酸化物230の領域231b、領域231b上に絶縁体278、絶縁体278上に導電体120を有する。さらに、絶縁体278の上に、少なくとも一部が酸化物230の領域231bと重なるように、導電体120が配置されることが好ましい。また、導電体120の上に接して導電体が配置されることが好ましい。 The
酸化物230の領域231bは、容量素子100の電極の一方として機能し、導電体120は容量素子100の電極の他方として機能する。絶縁体278は容量素子100の誘電体として機能する。酸化物230の領域231bは低抵抗化されており、導電性酸化物である。したがって、容量素子100の電極の一方として機能することができる。 A
絶縁体278は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましく、絶縁体222などに用いることができる絶縁体を用いればよい。例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。また、絶縁体278は、積層構造であってもよい、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、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などから、2層以上を選び積層構造としてもよい。例えば、ALD法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、0.5nm以上5nm以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子100とすることができる。 An insulator with a high dielectric constant is preferably used for the
また、図82において、容量素子100の誘電体として絶縁体278を設ける構成を示したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体278以外に、別途、絶縁体を積層して、容量素子100の誘電体として用いる構成にしてもよい。 In addition, although FIG. 82 shows the configuration in which the
導電体120は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体120は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the
<セルアレイの構造>
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図83、および図84に示す。例えば、図82に示すトランジスタ200、および容量素子100を有するセル600を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。<Cell array structure>
An example of the cell array of this embodiment is shown in FIGS. 83 and 84. FIG. For example, a cell array can be formed by arranging
図83(A)は、図82に示すセル600を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図83(A)においては、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のBL(BL01、BL02、BL03)と電気的に接続する。また、当該BLは、列方向に配置されたセル600が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタの第1のゲートは、異なるWL(WL01乃至WL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのVthを制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。 FIG. 83A is a circuit diagram showing one mode in which the
図83(B)は、図83(A)における、行の一部としてWL04とBL02に電気的に接続されたセル600a、およびWL03とBL02に電気的に接続されたセル600bを含む回路610を抜き出した断面図である。図83(B)は、セル600a、およびセル600bの断面図を示す。 FIG. 83B shows a
セル600aは、トランジスタ200aおよび容量素子100aを有している。セル600bは、トランジスタ200bおよび容量素子100bを有している。 A
トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方は、いずれもBL02と電気的に接続している。 One of the source and drain of the
上記構成より、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することで、セルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。 With the above structure, by sharing the wiring electrically connected to one of the source and the drain, the area occupied by the cell array can be further reduced.
図84(A)は、図82に示すセル600を、マトリクス状に配置した回路において、図83(A)と異なる形態を示す回路図である。図84(A)においては、行方向に配置されたセル600が有するトランジスタの第1のゲートが共通のWL(WL01、WL02、WL03)と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のBL(BL01乃至BL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのVthを制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。ここで、図84(A)に示すように、セル600の容量の第2の電極は、当該セル600に隣接するセル600の容量の第2の電極と、共通のPLに電気的に接続する構成としてもよい。 FIG. 84A is a circuit diagram showing a circuit in which the
図84(B)は、図84(A)における、行の一部としてWL02とBL03に電気的に接続されたセル600a、およびWL02とBL04に電気的に接続されたセル600bを含む回路620を抜き出した断面図である。図84(B)は、セル600aおよびセル600bの断面図を示す。 FIG. 84B shows a
セル600aは、トランジスタ200aおよび容量素子100aを有している。セル600bは、トランジスタ200bおよび容量素子100bを有している。 A
容量素子100aの第2の電極と、容量素子100bの第2の電極は、共通の導電体を用いており、当該導電体はPLと電気的に接続している。 A common conductor is used for the second electrode of the
また、セル600を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図85に回路610を含むセルアレイをn+1層積層する構成の断面図を示す。図85に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dセルアレイを構成することができる。 In addition, the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態8)
以下では、実施の形態7で示した半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 8)
An example of a semiconductor device including the
なお、図86乃至図89に示す半導体装置の一例において、実施の形態7で示した半導体装置の一例を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、実施の形態7で説明した半導体装置の一例と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、実施の形態7で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in the examples of the semiconductor devices shown in FIGS. 86 to 89, structures having the same functions as the structures constituting the example of the semiconductor device shown in
<半導体装置の構成例>
図86(A)、図86(B)、および図86(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、容量素子100、およびトランジスタ200周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、1つの容量素子、および少なくとも1つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。<Structure example of semiconductor device>
86A, 86B, and 86C are a top view and a cross-sectional view of the
図86(A)は、トランジスタ200、および容量素子100を有するセル600の上面図である。また、図86(B)、および図86(C)はセル600の断面図である。ここで、図86(B)は、図86(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図86(C)は、図86(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。図86(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 86A is a top view of a
[セル600]
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200、容量素子100、および層間膜として機能する絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、および導電体240b)とを有する。[Cell 600]
A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
[トランジスタ200]
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図86に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。[Transistor 200]
As the structure of the
[容量素子100]
図86に示すように、容量素子100は、トランジスタ200と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ200の酸化物230に設けられた領域231bを、容量素子100の電極の一方として機能する容量素子100の例について示す。[Capacitor 100]
As shown in FIG. 86 , the
容量素子100は、酸化物230の領域231b、領域231b上に絶縁体275、絶縁体275上に絶縁体273、絶縁体273上に導電体120を有する。さらに、絶縁体273の上に、少なくとも一部が酸化物230の領域231bと重なるように、導電体120が配置されることが好ましい。また、導電体120の上に接して導電体が配置されることが好ましい。 The
酸化物230の領域231bは、容量素子100の電極の一方として機能し、導電体120は容量素子100の電極の他方として機能する。絶縁体275および絶縁体273は容量素子100の誘電体として機能する。酸化物230の領域231bは低抵抗化されており、導電性酸化物である。したがって、容量素子100の電極の一方として機能することができる。 A
また、図86において、容量素子100の誘電体として絶縁体275および絶縁体273を設ける構成を示したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体275および絶縁体273以外に、別途、誘電体用の絶縁体を積層する構成にしてもよい。 In addition, although FIG. 86 shows the configuration in which the
<セルアレイの構造>
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図87、および図88に示す。例えば、図86に示すトランジスタ200、および容量素子100を有するセル600を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。<Cell array structure>
An example of the cell array of this embodiment is shown in FIGS. 87 and 88. FIG. For example, a cell array can be formed by arranging
図87(A)は、図86に示すセル600を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図87(A)においては、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のBL(BL01、BL02、BL03)と電気的に接続する。また、当該BLは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタの第1のゲートは、異なるWL(WL01乃至WL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのVthを制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。 FIG. 87A is a circuit diagram showing one mode in which the
図87(B)は、図87(A)における、行の一部としてWL04とBL02に電気的に接続されたセル600a、およびWL03とBL02に電気的に接続されたセル600bを含む回路610を抜き出した断面図である。図87(B)は、セル600a、およびセル600bの断面図を示す。 FIG. 87B shows a
図88(A)は、図86に示すセル600を、マトリクス状に配置した回路において、図87(A)と異なる形態を示す回路図である。図88(A)においては、行方向に配置されたセル600が有するトランジスタの第1のゲートが共通のWL(WL01、WL02、WL03)と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のBL(BL01乃至BL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのVthを制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。ここで、図88(A)に示すように、セル600の容量の第2の電極は、当該セル600に隣接するセル600の容量の第2の電極と、共通のPLに電気的に接続する構成としてもよい。 FIG. 88A is a circuit diagram showing a circuit in which the
図88(B)は、図88(A)における、行の一部としてWL02とBL03に電気的に接続されたセル600a、およびWL02とBL04に電気的に接続されたセル600bを含む回路620を抜き出した断面図である。図88(B)は、セル600aおよびセル600bの断面図を示す。 FIG. 88B shows a
また、セル600を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図89に回路610を含むセルアレイをn+1層積層する構成の断面図を示す。図89に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dセルアレイを構成することができる。 In addition, the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態9)
以下では、実施の形態7で示した半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。(Embodiment 9)
An example of a semiconductor device including the
なお、図90乃至図97に示す半導体装置の一例において、実施の形態7で示した半導体装置の一例を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、実施の形態7で説明した半導体装置の一例と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、実施の形態7で説明した内容を参酌できるものとする。 In addition, in the examples of the semiconductor devices shown in FIGS. 90 to 97, structures having the same functions as the structures constituting the example of the semiconductor device shown in
<半導体装置の構成例>
図90(A)、図90(B)、および図90(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、容量素子100、およびトランジスタ200周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、1つの容量素子、および少なくとも1つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。<Structure example of semiconductor device>
90A, 90B, and 90C are a top view and a cross-sectional view of the
図90(A)は、トランジスタ200、および容量素子100を有するセル600の上面図である。また、図90(B)、および図90(C)はセル600の断面図である。ここで、図90(B)は、図90(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図90(C)は、図90(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。図90(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 90A is a top view of a
[セル600]
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200、容量素子100、および層間膜として機能する絶縁体280および絶縁体282を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、導電体240b、および導電体240c)とを有する。[Cell 600]
A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100において、必要な容量値に応じて、トランジスタ200、および容量素子100のレイアウトを適宜設計することができる。 Note that in the
例えば、容量素子100の面積は、酸化物230の領域231bと、導電体120が、絶縁体278を介して重畳する面積により決定される。従って、セル600に必要な容量値が図90(A)、および図90(B)に示す容量素子100では得られない場合、領域231bのA3-A4方向の幅を、領域234のA3-A4方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。 For example, the area of the
また、例えば、領域231bのA1-A2方向の長さを、導電体120のA1-A2方向の長さよりも長くしてもよい。その場合、導電体240bを、絶縁体280および絶縁体282に埋め込むことができる。つまり領域231bと、導電体240bとが、領域231bと導電体120とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。従って、導電体240a、導電体240b、および導電体240cを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。 Also, for example, the length of the
また、このような構成とすることで、例えば、図90(B)において、開口の位置が設計の位置よりA1側またはA2側にずれても、開口に埋め込まれている導電体240aと領域231aとの電気的接続、および、開口に埋め込まれている導電体240cと導電体120との電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるので良好となる。図91に開口がA2側にずれた一例を示す。 Further, with such a configuration, for example, even if the position of the opening deviates from the designed position to the A1 side or the A2 side in FIG. and the electrical connection between the
上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ200は、容量素子100と、同一の工程で形成する。従って、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。 By having the above structure, miniaturization or high integration is possible. Also, the degree of freedom in design can be increased. Further, the
[トランジスタ200]
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図90に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。[Transistor 200]
As the structure of the
[容量素子100]
図90に示すように、容量素子100は、トランジスタ200と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ200の酸化物230に設けられた領域231bを、容量素子100の電極の一方として機能する容量素子100の例について示す。[Capacitor 100]
As shown in FIG. 90 , the
容量素子100は、酸化物230の領域231b、領域231b上に絶縁体278、絶縁体278上に導電体120を有する。導電体120は、絶縁体278の上に、少なくとも一部が酸化物230の領域231bと重なるように配置されることが好ましい。また、導電体120の上に接して導電体240cが配置されることが好ましい。 The
図90(A)に示すように、上面視において、絶縁体278の側面は、導電体120の側面と一致しているが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体278をパターン形成せずに、絶縁体278がトランジスタ200を覆う構成にしてもよい。 As shown in FIG. 90(A), the side surface of the
<セルアレイの構造>
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図92乃至図96に示す。例えば、図90に示すトランジスタ200、および容量素子100を有するセル600を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。<Cell array structure>
An example of the cell array of this embodiment is shown in FIGS. 92 to 96. FIG. For example, a cell array can be formed by arranging
図92(A)は、図90に示すセル600を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図92(A)においては、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のBL(BL01、BL02、BL03)と電気的に接続する。また、当該BLは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタの第1のゲートは、異なるWL(WL01乃至WL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。 FIG. 92A is a circuit diagram showing one mode in which the
図92(B)は、図92(A)における、行の一部としてWL04とBL02に電気的に接続されたセル600a、およびWL03とBL02に電気的に接続されたセル600bを含む回路610を抜き出した断面図である。図92(B)は、セル600a、およびセル600bの断面図を示す。 FIG. 92B shows a
また、このような構成とすることで、例えば、図92(B)において、開口の位置が設計の位置よりA1側またはA2側にずれても、開口に埋め込まれている導電体と容量素子100aの一方の電極との電気的接続、開口に埋め込まれている導電体と容量素子100bの一方の電極との電気的接続、ならびに、BL02と接続されている開口に埋め込まれている導電体とトランジスタ200aおよびトランジスタ200bのソースおよびドレインの一方との電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるので良好となる。図93に開口がA2側にずれた一例を示す。 With such a configuration, for example, even if the position of the opening deviates from the designed position to the A1 side or the A2 side in FIG. electrical connection with one electrode of BL02, electrical connection between the conductor embedded in the opening and one electrode of the
図94は、図90に示すセル600を、図92(A)と異なる構成で、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図94に示すセルアレイでは、配線BLが行方向に延伸され、配線WLが列方向に延伸される。 FIG. 94 is a circuit diagram showing one mode in which the
図94に示すように、セルを構成するトランジスタ200aとトランジスタ200bのソースおよびドレインの一方が共通の配線BL(BL01、BL02、BL03)と電気的に接続する。また、当該配線BLは、行方向に配置されたセル600が有する、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、セル600を構成する、トランジスタ200aの第1のゲート、およびトランジスタ200bの第1のゲートは、それぞれ異なる配線WL(WL01乃至WL06)と電気的に接続する。また、これらの配線WLは、列方向に配置されたセル600が有する、トランジスタ200aの第1のゲート、およびトランジスタ200bの第1のゲートと、それぞれ電気的に接続する。 As shown in FIG. 94, one of the source and the drain of
また、各セル600が有するトランジスタ200aおよびトランジスタ200bには第2のゲートBGが設けられていてもよい。第2のゲートBGと配線BGLとは電気的に接続され、配線BGLに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル600が有する、容量素子100aの導電体120a、および容量素子100bの導電体120bは、それぞれ、異なる配線VLと電気的に接続する。 Further, the
また、図95は、図94に示す回路図の点線で示す部位に対応する断面図である。図95に図示するように、配線BL02と、配線WL03乃至WL06とは直交している。また、図95に図示するように、配線BL02と、配線VLとは直交している。また、配線VLは、隣接するメモリセル間で共有するように設けられている。 95 is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dotted line in the circuit diagram shown in FIG. 94. As shown in FIG. As illustrated in FIG. 95, the wiring BL02 and the wirings WL03 to WL06 are orthogonal. Further, as illustrated in FIG. 95, the wiring BL02 and the wiring VL are orthogonal. Further, the wiring VL is provided so as to be shared between adjacent memory cells.
図96(A)は、図90に示すセル600を、マトリクス状に配置した回路において、図92(A)と異なる形態を示す回路図である。図96(A)においては、行方向に配置されたセル600が有するトランジスタの第1のゲートが共通のWL(WL01、WL02、WL03)と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のBL(BL01乃至BL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。ここで、図96(A)に示すように、セル600の容量の第2の電極は、当該セル600に隣接するセル600の容量の第2の電極と、共通のPLに電気的に接続する構成としてもよい。 FIG. 96A is a circuit diagram showing a circuit in which the
図96(B)は、図96(A)における、行の一部としてWL02とBL03に電気的に接続されたセル600a、およびWL02とBL04に電気的に接続されたセル600bを含む回路620を抜き出した断面図である。図96(B)は、セル600a、およびセル600bの断面図を示す。 FIG. 96B shows a
また、セル600を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図97に回路610を含むセルアレイをn+1層積層する構成の断面図を示す。図97に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dセルアレイを構成することができる。 In addition, the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態10)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図98乃至図102を用いて説明する。(Embodiment 10)
In this embodiment, one mode of a semiconductor device will be described with reference to FIGS.
<記憶装置1>
図98、および図99に示す記憶装置は、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図98は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。図99には、トランジスタ300近傍のトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図を示す。<
The memory device shown in FIGS. 98 and 99 has a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
図98に示す記憶装置において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。 In the memory device shown in FIG. 98,
図98に示す記憶装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 The memory device shown in FIG. 98 has a characteristic that the potential of the gate of the
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線1004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、配線1003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100の電極の一方と電気的に接続するノードSNに与えられる。即ち、トランジスタ300のゲートには、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。)のどちらかが与えられるものとする。その後、配線1004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200を非導通状態とすることにより、ノードSNに電荷が保持される(保持)。 Describe writing and retention of information. First, the potential of the
トランジスタ200のオフ電流が小さい場合、ノードSNの電荷は長期間にわたって保持される。 When the off-state current of the
次に情報の読み出しについて説明する。配線1001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線1005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、配線1002は、ノードSNに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な配線1005の電位をいうものとする。したがって、配線1005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードSN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、ノードSNにHighレベル電荷が与えられていた場合には、配線1005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードSNにLowレベル電荷が与えられていた場合には、配線1005の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、配線1002の電位を判別することで、ノードSNに保持されている情報を読み出すことができる。Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the
<記憶装置1の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図98に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。<Structure of
A memory device of one embodiment of the present invention includes a
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、ならびに、ソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。 The
トランジスタ300は、図99に示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。 In the
トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 A region in which a channel of the
低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 The low-
ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 Since the work function is determined by the material of the conductor, the threshold voltage can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Furthermore, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten from the viewpoint of heat resistance.
なお、図98に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that the
トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。 An
絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、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、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 As the
絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The
また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 For the
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, diffusion of hydrogen into a semiconductor element including an oxide semiconductor, such as the
水素の脱離量は、例えば、TDSなどを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atoms/cm2以下、好ましくは5×1015atoms/cm2以下であればよい。The desorption amount of hydrogen can be analyzed using, for example, TDS. For example, the amount of hydrogen released from the
なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Note that the
また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 In addition,
各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As a material of each plug and wiring (the
絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図98において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the
なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。 Note that tantalum nitride or the like may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen, for example. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the
絶縁体354、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図98において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the
なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the
絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図98において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the
なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the
絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図98において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the
なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the
上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、および導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。 The wiring layer including the
絶縁体384、および導電体386上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An
例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For the
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, diffusion of hydrogen into a semiconductor element including an oxide semiconductor, such as the
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 As a film having a barrier property against hydrogen, for example, the
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high shielding effect of preventing the penetration of both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the
また、例えば、絶縁体212、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、および絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 Further, for example, the
また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 In addition, the
特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the
絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。なお、トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図98に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 A
トランジスタ200の上方には、絶縁体280を設ける。 An
絶縁体280上には、絶縁体282が設けられている。絶縁体282は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体282には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high shielding effect of preventing the penetration of both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the
また、絶縁体282上には、絶縁体286が設けられている。絶縁体286は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体286として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 An
また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286には、導電体246、および導電体248等が埋め込まれている。 A
導電体246、および導電体248は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体246、および導電体248は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The
続いて、トランジスタ200の上方には、容量素子100が設けられている。容量素子100は、導電体110、導電体120、および絶縁体130を有する。 Next, a
また、導電体246、および導電体248上に、導電体112を設けてもよい。導電体112は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体110は、容量素子100の電極としての機能を有する。なお、導電体112、および導電体110は、同時に形成することができる。 Alternatively, the
導電体112、および導電体110には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム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(窒化タンタル膜、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。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、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。 The
図98では、導電体112、および導電体110は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 Although the
また、導電体112、および導電体110上に、容量素子100の誘電体として、絶縁体130を設ける。絶縁体130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、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。 An
例えば、絶縁体130には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子100は、絶縁体130を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。 For example, the
絶縁体130上に、導電体110と重畳するように、導電体120を設ける。なお、導電体120は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 A
導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
<記憶装置2>
図100に示す半導体装置は、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図100を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 100 is a memory device including a
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ200、トランジスタ400、および容量素子100の接続関係の一例を示した回路図を図100(A)に示す。また、図100(A)に示す配線1003から配線1010などを対応させた半導体装置の断面図を図100(B)に示す。 FIG. 100A is a circuit diagram showing an example of the connection relationship between the
基板(図示せず)の上に形成されたトランジスタ200およびトランジスタ400は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ400は、トランジスタ200と比較して、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が0Vのときのドレイン電流が小さい構成とすればよい。トランジスタ400をスイッチング素子として、トランジスタ200のボトムゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ200のボトムゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ400をオフ状態にすることで、トランジスタ200のボトムゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制することができる。
図100に示すように、トランジスタ200は、ゲートが配線1004と、ソースおよびドレインの一方が配線1003と、ソース及びドレインの他方が容量素子100の電極の一方と電気的に接続される。また、容量素子100の電極の他方が配線1005と電気的に接続される。また、トランジスタ400のドレインが配線1010と電気的に接続される。また、図100(A)、(B)に示すように、トランジスタ200のボトムゲートと、トランジスタ400のソース、トップゲート、およびボトムゲートが、配線1006、配線1007、配線1008、および配線1009を介して電気的に接続される。 As illustrated in FIG. 100 , the
ここで、配線1004に電位を印加することで、トランジスタ200のオン状態、オフ状態を制御することができる。トランジスタ200をオン状態として、配線1003に電位を印加することで、トランジスタ200を介して、容量素子100に電荷を供給することができる。このとき、トランジスタ200をオフ状態にすることで、容量素子100に供給された電荷を保持することができる。また、配線1005は、任意の電位を与えることで、容量結合によって、トランジスタ200と容量素子100の接続部分の電位を制御することができる。例えば、配線1005に接地電位を与えると、上記電荷を保持しやすくなる。また、配線1010に負の電位を印加することで、トランジスタ400を介して、トランジスタ200のボトムゲートに負の電位を与え、トランジスタ200のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減し、Icutを非常に小さくすることができる。ここで、Icutとは、トップゲートに印加する電圧が0Vのときのドレイン電流のことを指す。 Here, by applying a potential to the
トランジスタ400のトップゲート及びボトムゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ400のソースとトランジスタ200のボトムゲートを接続する構成にすることで、配線1010によって、トランジスタ200のボトムゲート電圧を制御することができる。トランジスタ200のボトムゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ400のトップゲートとソース間の電圧、およびボトムゲートとソース間の電圧は、0Vになる。トランジスタ400のIcutが非常に小さく、しきい値電圧がトランジスタ200より大きいので、この構成とすることにより、トランジスタ400に電源供給をしなくてもトランジスタ200のボトムゲートの負電位を長時間維持することができる。 The top gate and the bottom gate of the
さらに、トランジスタ200のボトムゲートの負電位を保持することで、トランジスタ200に電源供給をしなくてもトランジスタ200のIcutを非常に小さくすることができる。つまり、トランジスタ200およびトランジスタ400に電源供給をしなくても、容量素子100に電荷を長時間保持することができる。例えば、このような半導体装置を記憶素子として用いることにより、電源供給無しで長時間の記憶保持を行うことができる。よって、リフレッシュ動作の頻度が少ない、またはリフレッシュ動作を必要としない記憶装置を提供することができる。 Furthermore, by holding the negative potential of the bottom gate of the
なお、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100の接続関係は、図100(A)、(B)に示すものに限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更することができる。 Note that the connection relationship between the
<記憶装置2の構造>
図100(B)は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図100に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。<Structure of
FIG. 100B is a cross-sectional view of a memory device including the
本発明の一態様の記憶装置は、図100に示すようにトランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400は同一層に設けられ、容量素子100はトランジスタ200、およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、およびトランジスタ200としては、先の実施の形態、および図98で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図100に示す容量素子100、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
トランジスタ400は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ400は、トップゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、ボトムゲート電極として機能する導電体405と、導電体460と接する絶縁体470と、導電体460の側面に配置された絶縁体475と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体424、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物432a、および酸化物432bと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体405は、配線として機能する導電体403と、電気的に接続されている。 The
トランジスタ400において、導電体405は、導電体205と、同じ層である。絶縁体424は、絶縁体224と、同じ層である。酸化物431a、および酸化物432aは、酸化物230aと、同じ層であり、酸化物431b、および酸化物432bは、酸化物230bと、同じ層である。酸化物430cは、酸化物230cと、同じ層である。絶縁体450は、絶縁体250と、同じ層である。金属酸化物452は、金属酸化物252と、同じ層である。導電体460は、導電体260と、同じ層である。また、絶縁体470は、絶縁体270と、同じ層である。また、絶縁体471は、絶縁体271と、同じ層である。また、絶縁体475は、絶縁体275と、同じ層である。 In
トランジスタ400の活性層として機能する酸化物430cは、酸化物230などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ400のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減し、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が0Vのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。 The
また、上記の通り、酸化物431a、および酸化物432aは、酸化物230aと同じ層であり、酸化物431b、および酸化物432bは、酸化物230bと同じ層である。よって、酸化物431a、酸化物432a、酸化物431b、および酸化物432bには、領域231aおよび領域231bに相当する低抵抗領域が形成されている。 Further, as described above, the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<記憶装置3>
図101に示す半導体装置は、トランジスタ300、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図101を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 101 is a memory device including a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
図101において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。配線1007はトランジスタ400のソースと電気的に接続され、配線1008はトランジスタ400のトップゲートと電気的に接続され、配線1009はトランジスタ400のボトムゲートと電気的に接続され、配線1010はトランジスタ400のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線1006、配線1007、配線1008、及び配線1009が電気的に接続されている。 In FIG. 101, a
図101に示す半導体装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 The semiconductor device illustrated in FIG. 101 has a characteristic that the potential of the gate of the
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線1004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、第3の配線1003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100の電極の一方と電気的に接続するノードSNに与えられる。即ち、トランジスタ300のゲートには、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。)のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線1004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200を非導通状態とすることにより、ノードSNに電荷が保持される(保持)。 Describe writing and retention of information. First, the potential of the
トランジスタ200のオフ電流が小さい場合、ノードSNの電荷は長期間にわたって保持される。 When the off-state current of the
次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線1001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線1005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線1002は、ノードSNに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な第5の配線1005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線1005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードSN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、ノードSNにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線1005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードSNにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線1005の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、第2の配線1002の電位を判別することで、ノードSNに保持されている情報を読み出すことができる。Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the
<記憶装置3の構造><Structure of
図101は、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図101に示す記憶装置において、先の実施の形態、<記憶装置1の構造>、および<記憶装置2の構造>、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 FIG. 101 is a cross-sectional view of a memory device including a
本発明の一態様の記憶装置は、図101に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400としては、先の実施の形態、および図98乃至図100で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図101に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
図101に示す記憶装置では、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体280に、開口部500を設け、絶縁体210と絶縁体282を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ200、およびトランジスタ400は、絶縁体210と絶縁体282に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部500は設けなくてもよい。 In the memory device shown in FIG. 101,
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<メモリセルアレイの構造><Structure of memory cell array>
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図102に示す。トランジスタ200をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。 An example of the memory cell array of this embodiment is shown in FIG. By arranging the
なお、図102に示す記憶装置は、図98、および図101に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、1個のトランジスタ400は、複数のトランジスタ200のボトムゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ400は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。 The memory device shown in FIG. 102 is a semiconductor device forming a memory cell array by arranging the memory devices shown in FIGS. 98 and 101 in matrix. Note that one
従って、図102には、図101に示すトランジスタ400は省略する。図102は、図98、および図101に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。 Therefore, the
また、図102は、図101と、トランジスタ300の構成が異なる。図102に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFin型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 102 differs from FIG. 101 in the configuration of the
図102に示す記憶装置では、メモリセル650aとメモリセル650bが隣接して配置されている。メモリセル650aおよびメモリセル650bは、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有し、配線1001、配線1002、配線1003、配線1004、配線1005、および配線1006と電気的に接続される。また、メモリセル650aおよびメモリセル650bにおいても、同様にトランジスタ300のゲートと、容量素子100の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードSNとする。なお、配線1002は隣接するメモリセル650aとメモリセル650bで共通の配線である。 In the memory device shown in FIG. 102,
メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがNOR型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードSNに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線1005に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがNAND型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードSNに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線1005に与えればよい。When memory cells are arranged in an array, it is necessary to read out information from desired memory cells at the time of reading. For example, when the memory cell array has a NOR-type structure, only information in a desired memory cell can be read by turning off the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態11)
本実施の形態では、実施の形態10で示した半導体装置の一形態とは異なる、半導体装置の一形態を、図103乃至図106を用いて説明する。(Embodiment 11)
In this embodiment, one mode of a semiconductor device, which is different from one mode of the semiconductor device described in
なお、図103乃至図106に示す半導体装置の一形態において、実施の形態10で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、実施の形態10で説明した半導体装置の一形態と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、実施の形態10で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in one mode of the semiconductor device shown in FIGS. 103 to 106, structures having the same functions as the structures constituting one mode of the semiconductor device shown in
<記憶装置1>
図103に示す記憶装置は、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図103は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。<
A memory device illustrated in FIG. 103 includes a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
図103に示す記憶装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。なお、情報の書き込み、保持、読み出しについては、先の実施の形態の説明を参酌することができる。 The memory device illustrated in FIG. 103 has a characteristic that the potential of the gate of the
<記憶装置1の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図103に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。<Structure of
A memory device of one embodiment of the present invention includes a
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図103に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 As the structure of the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
<記憶装置2>
図104に示す半導体装置は、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図104を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 104 is a memory device including a
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ200、トランジスタ400、および容量素子100の接続関係の一例を示した回路図を図104(A)に示す。また、図104(A)に示す配線1003から配線1010などを対応させた半導体装置の断面図を図104(B)に示す。 FIG. 104A is a circuit diagram showing an example of the connection relationship between the
<記憶装置2の構造>
図104(B)は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図104に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。<Structure of
FIG. 104B is a cross-sectional view of a memory device including the
本発明の一態様の記憶装置は、図104に示すようにトランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400は同一層に設けられ、容量素子100はトランジスタ200、およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、およびトランジスタ200としては、先の実施の形態、および図103で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図104に示す容量素子100、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
トランジスタ400は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ400は、トップゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、ボトムゲート電極として機能する導電体405と、導電体460と接する絶縁体470と、導電体460の側面に配置された絶縁体472と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体424、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物432a、および酸化物432bと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体405は、配線として機能する導電体403と、電気的に接続されている。 The
トランジスタ400において、導電体405は、導電体205と、同じ層である。絶縁体424は、絶縁体224と、同じ層である。酸化物431a、および酸化物432aは、酸化物230aと、同じ層であり、酸化物431b、および酸化物432bは、酸化物230bと、同じ層である。酸化物430cは、酸化物230cと、同じ層である。絶縁体450は、絶縁体250と、同じ層である。金属酸化物452は、金属酸化物252と、同じ層である。導電体460は、導電体260と、同じ層である。また、絶縁体470は、絶縁体270と、同じ層である。また、絶縁体471は、絶縁体271と、同じ層である。また、絶縁体472は、絶縁体272と、同じ層である。 In
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<記憶装置3>
図105に示す半導体装置は、トランジスタ300、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図105を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 105 is a memory device including a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
<記憶装置3の構造><Structure of
図105は、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図105に示す記憶装置において、先の実施の形態、<記憶装置1の構造>、および<記憶装置2の構造>、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 105 is a cross-sectional view of a memory device including a
本発明の一態様の記憶装置は、図105に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400としては、先の実施の形態、および図103乃至図104で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図105に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
図105に示す記憶装置では、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体275、絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体280に、開口部500を設け、絶縁体210と絶縁体282を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ200、およびトランジスタ400は、絶縁体210と絶縁体282に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部500は設けなくてもよい。 In the memory device shown in FIG. 105, the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<メモリセルアレイの構造><Structure of memory cell array>
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図106に示す。トランジスタ200をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。 An example of the memory cell array of this embodiment is shown in FIG. By arranging the
なお、図106に示す記憶装置は、図103、および図105に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、1個のトランジスタ400は、複数のトランジスタ200のボトムゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ400は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。 Note that the memory device shown in FIG. 106 is a semiconductor device forming a memory cell array by arranging the memory devices shown in FIGS. 103 and 105 in matrix. Note that one
従って、図106には、図105に示すトランジスタ400は省略する。図106は、図103、および図105に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。 Therefore, the
なお、図106に示すトランジスタ300の説明は、図102に示すトランジスタ300の説明を参酌することができる。 Note that the description of the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態12)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図107乃至図111を用いて説明する。(Embodiment 12)
In this embodiment, one mode of a semiconductor device will be described with reference to FIGS.
なお、図107乃至図111に示す半導体装置の一形態において、先の実施の形態で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、先の実施の形態で説明した半導体装置の一形態と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、先の実施の形態で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in one mode of the semiconductor device illustrated in FIGS. 107 to 111, structures having the same functions as those of the structures of one mode of the semiconductor device described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals. Further, hereinafter, mainly the portions that are different from one mode of the semiconductor device described in the previous embodiment will be described, and the contents described in the above embodiment can be referred to for the other portions. do.
<記憶装置1>
図107、および図108に示す記憶装置は、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図107および図108は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。<
The memory device illustrated in FIGS. 107 and 108 includes a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
図107、および図108に示す記憶装置において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。 In the memory device shown in FIGS. 107 and 108,
図107、および図108に示す記憶装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。なお、情報の書き込み、保持、読み出しについては、先の実施の形態の説明を参酌することができる。 The memory devices illustrated in FIGS. 107 and 108 have the characteristic that the potential of the gate of the
<記憶装置1の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図107に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。<Structure of
A memory device of one embodiment of the present invention includes a
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図107に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 As the structure of the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
<記憶装置1の変形例>
以下では、図108を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。<Modified Example of
An example of a memory device according to one embodiment of the present invention is described below with reference to FIG.
図108は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ300を有する記憶装置の断面図である。なお、図108に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 FIG. 108 is a cross-sectional view of a memory device including the
図108に示す記憶装置は、<記憶装置1の構造>に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル600を設けた点において異なる。 The memory device shown in FIG. 108 differs from the memory device shown in <Structure of
具体的には、図108に示す記憶装置は、容量素子100と、トランジスタ200を独立して設ける代わりに、容量素子100の構成の一部と、トランジスタ200の構成の一部とを共有するセル600を有する。 Specifically, the memory device shown in FIG. 108 is a cell in which part of the configuration of the
上記構造により、セル600と、トランジスタ300との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。したがって、セル600の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。 With the above structure, part or all of the
<記憶装置2>
図109に示す半導体装置は、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図109を用いて説明する。<
The semiconductor device shown in FIG. 109 is a memory
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ200、トランジスタ400、および容量素子100の接続関係の一例を示した回路図を図109(A)に示す。また、図109(A)に示す配線1003から配線1010などを対応させた半導体装置の断面図を図109(B)に示す。 FIG. 109A is a circuit diagram showing an example of the connection relationship between the
<記憶装置2の構造>
図109(B)は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図109に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。<Structure of
FIG. 109B is a cross-sectional view of a memory device including the
本発明の一態様の記憶装置は、図109に示すようにトランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400は同一層に設けられ、容量素子100はトランジスタ200、およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、およびトランジスタ200としては、先の実施の形態、ならびに図107および図108で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図109に示す容量素子100、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
トランジスタ400は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ400は、トップゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、ボトムゲート電極として機能する導電体405と、導電体460と接する絶縁体471、および絶縁体472と、絶縁体472を介して導電体460の側面に配置された絶縁体473と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物432a、および酸化物432bと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体405は、配線として機能する導電体403と、電気的に接続されている。 The
トランジスタ400において、絶縁体473は、絶縁体273と、同じ層である。 In
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<記憶装置3>
図110に示す半導体装置は、トランジスタ300、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図110を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 110 is a memory device including a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
<記憶装置3の構造><Structure of
図110は、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図110に示す記憶装置において、先の実施の形態、<記憶装置1の構造>、および<記憶装置2の構造>、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 110 is a cross-sectional view of a memory device including a
本発明の一態様の記憶装置は、図110に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400としては、先の実施の形態、および図107乃至図109で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図110に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
図110に示す記憶装置では、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体280に、開口部500を設け、絶縁体210と絶縁体282を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ200、およびトランジスタ400は、絶縁体210と絶縁体282に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部500は設けなくてもよい。 In the memory device shown in FIG. 110, the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<メモリセルアレイの構造><Structure of memory cell array>
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図111に示す。トランジスタ200をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。 An example of the memory cell array of this embodiment is shown in FIG. By arranging the
なお、図111に示す記憶装置は、図107、および図110に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、1個のトランジスタ400は、複数のトランジスタ200のボトムゲート電位を制御することができる。そのため、トランジスタ400は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。 Note that the memory device shown in FIG. 111 is a semiconductor device forming a memory cell array by arranging the memory devices shown in FIGS. 107 and 110 in matrix. Note that one
したがって、図111には、図110に示すトランジスタ400は省略する。図111は、図107、および図110に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。 Therefore, the
また、図111は、図110と、トランジスタ300の構成が異なる。図111に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFin型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 111 differs from FIG. 110 in the configuration of the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態13)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図112乃至図116を用いて説明する。(Embodiment 13)
In this embodiment, one mode of a semiconductor device will be described with reference to FIGS.
なお、図112乃至図116に示す半導体装置の一形態において、先の実施の形態で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、先の実施の形態で説明した半導体装置の一形態を異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、先の実施の形態で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in one mode of the semiconductor device illustrated in FIGS. 112 to 116, structures having the same functions as structures constituting one mode of the semiconductor device described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals. Further, hereinafter, mainly the portions that are different from one mode of the semiconductor device described in the above embodiments are described, and the contents described in the above embodiments can be referred to for other portions. do.
<記憶装置1>
図112、および図113に示す記憶装置は、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図112および図113は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。<
The memory devices illustrated in FIGS. 112 and 113 each include a
<記憶装置1の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図112に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。<Structure of
A memory device of one embodiment of the present invention includes a
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図112に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 As the structure of the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
<記憶装置1の変形例>
以下では、図113を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。<Modified Example of
An example of a memory device according to one embodiment of the present invention is described below with reference to FIG.
図113は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ300を有する記憶装置の断面図である。なお、図113に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 113 is a cross-sectional view of a memory device including the
図113に示す記憶装置は、<記憶装置1の構造>に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル600を設けた点において異なる。 The memory device shown in FIG. 113 differs from the memory device shown in <Structure of
具体的には、図113に示す記憶装置は、容量素子100と、トランジスタ200を独立して設ける代わりに、容量素子100の構成の一部と、トランジスタ200の構成の一部とを共有するセル600を有する。 Specifically, in the memory device shown in FIG. 113, instead of providing the
上記構造により、セル600と、トランジスタ300との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。したがって、セル600の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。 With the above structure, part or all of the
<記憶装置2>
図114に示す半導体装置は、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図114を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 114 is a memory device including a
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ200、トランジスタ400、および容量素子100の接続関係の一例を示した回路図を図114(A)に示す。また、図114(A)に示す配線1003から配線1010などを対応させた半導体装置の断面図を図114(B)に示す。 FIG. 114A is a circuit diagram showing an example of the connection relationship between the
<記憶装置2の構造>
図114(B)は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図114に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。<Structure of
FIG. 114B is a cross-sectional view of a memory device including the
本発明の一態様の記憶装置は、図114に示すようにトランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400は同一層に設けられ、容量素子100はトランジスタ200、およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、およびトランジスタ200としては、先の実施の形態、ならびに図112および図113で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図114に示す容量素子100、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
トランジスタ400は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ400は、トップゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、ボトムゲート電極として機能する導電体405と、導電体460と接する絶縁体471、および絶縁体472と、絶縁体472を介して導電体460の側面に配置された絶縁体477と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物432a、および酸化物432bと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体405は、配線として機能する導電体403と、電気的に接続されている。 The
トランジスタ400において、絶縁体477は、絶縁体277と、同じ層である。 In
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<記憶装置3>
図115に示す半導体装置は、トランジスタ300、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図115を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 115 is a memory device including a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
<記憶装置3の構造><Structure of
図115は、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図115に示す記憶装置において、先の実施の形態、<記憶装置1の構造>、および<記憶装置2の構造>、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 115 is a cross-sectional view of a memory device including a
本発明の一態様の記憶装置は、図115に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400としては、先の実施の形態、および図112乃至図114で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図115に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
図115に示す記憶装置では、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体275、絶縁体273、および絶縁体280に、開口部500を設け、絶縁体210と絶縁体282を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ200、およびトランジスタ400は、絶縁体210と絶縁体282に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部500は設けなくてもよい。 In the memory device shown in FIG. 115, the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<メモリセルアレイの構造><Structure of memory cell array>
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図116に示す。トランジスタ200をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。 An example of the memory cell array of this embodiment is shown in FIG. By arranging the
なお、図116に示す記憶装置は、図112、および図115に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、1個のトランジスタ400は、複数のトランジスタ200のボトムゲート電位を制御することができる。そのため、トランジスタ400は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。 Note that the memory device shown in FIG. 116 is a semiconductor device forming a memory cell array by arranging the memory devices shown in FIGS. 112 and 115 in matrix. Note that one
したがって、図116には、図115に示すトランジスタ400は省略する。図116は、図112、および図115に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。 Therefore, the
また、図116は、図115と、トランジスタ300の構成が異なる。図116に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFin型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 116 differs from FIG. 115 in the configuration of the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態14)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図117乃至図121を用いて説明する。(Embodiment 14)
In this embodiment, one mode of a semiconductor device will be described with reference to FIGS.
なお、図117乃至図121に示す半導体装置の一形態において、先の実施の形態で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、先の実施の形態で説明した半導体装置の一形態を異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、先の実施の形態で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in one mode of the semiconductor device illustrated in FIGS. 117 to 121, structures having the same functions as those of the structures of one mode of the semiconductor device described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals. Further, hereinafter, mainly the portions that are different from one mode of the semiconductor device described in the above embodiments are described, and the contents described in the above embodiments can be referred to for other portions. do.
<記憶装置1>
図117、および図118に示す記憶装置は、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図117および図118は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。<
The memory device illustrated in FIGS. 117 and 118 includes a
<記憶装置1の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図117に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。<Structure of
A memory device of one embodiment of the present invention includes a
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図117に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 As the structure of the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
<記憶装置1の変形例>
以下では、図118を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。<Modified Example of
An example of a memory device according to one embodiment of the present invention is described below with reference to FIG.
図118は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ300を有する記憶装置の断面図である。なお、図118に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 118 is a cross-sectional view of a memory device including the
図118に示す記憶装置は、<記憶装置1の構造>に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル600を設けた点において異なる。 The memory device shown in FIG. 118 differs from the memory device shown in <Structure of
具体的には、図118に示す記憶装置は、容量素子100と、トランジスタ200を独立して設ける代わりに、容量素子100の構成の一部と、トランジスタ200の構成の一部とを共有するセル600を有する。 Specifically, the memory device shown in FIG. 118 is a cell in which part of the structure of the
上記構造により、セル600と、トランジスタ300との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。従って、セル600の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。 With the above structure, part or all of the
<記憶装置2>
図119に示す半導体装置は、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図119を用いて説明する。<
The semiconductor device shown in FIG. 119 is a memory
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ200、トランジスタ400、および容量素子100の接続関係の一例を示した回路図を図119(A)に示す。また、図119(A)に示す配線1003から配線1010などを対応させた半導体装置の断面図を図119(B)に示す。 FIG. 119A is a circuit diagram showing an example of the connection relationship between the
<記憶装置2の構造>
図119(B)は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図119に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。<Structure of
FIG. 119B is a cross-sectional view of a memory device including the
本発明の一態様の記憶装置は、図119に示すようにトランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400は同一層に設けられ、容量素子100はトランジスタ200、およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、およびトランジスタ200としては、先の実施の形態、ならびに図117および図118で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図119に示す容量素子100、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
トランジスタ400は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ400は、トップゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、ボトムゲート電極として機能する導電体405と、導電体460と接する絶縁体470、および絶縁体472と、絶縁体472を介して導電体460の側面に配置された絶縁体475と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物432a、および酸化物432bと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体405は、配線として機能する導電体403と、電気的に接続されている。 The
トランジスタ400において、絶縁体470は、絶縁体270と、同じ層である。また、絶縁体472は、絶縁体272と、同じ層である。 In
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<記憶装置3>
図120に示す半導体装置は、トランジスタ300、トランジスタ400、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図120を用いて説明する。<
A semiconductor device illustrated in FIG. 120 is a memory device including a
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。 The
<記憶装置3の構造><Structure of
図120は、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図120に示す記憶装置において、先の実施の形態、<記憶装置1の構造>、および<記憶装置2の構造>、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 120 is a cross-sectional view of a memory device including a
本発明の一態様の記憶装置は、図120に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400の上方に設けられている。 A memory device of one embodiment of the present invention includes a
なお、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400としては、先の実施の形態、および図117乃至図119で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図120に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。 Note that as the
図120に示す記憶装置では、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体280に、開口部500を設け、絶縁体210と絶縁体282を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ200、およびトランジスタ400は、絶縁体210と絶縁体282に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部500は設けなくてもよい。 In the memory device shown in FIG. 120, the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.
<メモリセルアレイの構造><Structure of memory cell array>
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図121に示す。トランジスタ200をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。 An example of the memory cell array of this embodiment is shown in FIG. By arranging the
なお、図127に示す記憶装置は、図117、および図120に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、1個のトランジスタ400は、複数のトランジスタ200のボトムゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ400は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。 Note that the memory device shown in FIG. 127 is a semiconductor device forming a memory cell array by arranging the memory devices shown in FIGS. 117 and 120 in matrix. Note that one
従って、図121には、図120に示すトランジスタ400は省略する。図121は、図117、および図120に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。 Therefore, the
また、図121は、図120と、トランジスタ300の構成が異なる。図121に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFin型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 121 differs from FIG. 120 in the configuration of the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, structures, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures, structures, methods, and the like described in other embodiments and examples.
(実施の形態15)
本実施の形態では、上記実施の形態に示す半導体装置を用いたインバータ回路について説明を行う。なお、本明細書中において、高電源電圧をHレベル(又はVDD)、低電源電圧をLレベル(又はGND)と呼ぶ場合がある。(Embodiment 15)
In this embodiment mode, an inverter circuit using the semiconductor device described in the above embodiment mode will be described. In this specification, the high power supply voltage may be called H level (or VDD), and the low power supply voltage may be called L level (or GND).
<インバータ回路の構成例>
図122(A)に示す回路INVは、容量素子C1と、直列に接続されたトランジスタM1、トランジスタM2およびトランジスタM3と、を有する。回路INVは、インバータ回路としての機能を有する。<Configuration example of inverter circuit>
A circuit INV illustrated in FIG. 122A includes a capacitor C1 and serially connected transistors M1, M2, and M3. The circuit INV has a function as an inverter circuit.
トランジスタM1乃至トランジスタM3はnチャネル型トランジスタである。回路INVはnチャネル型のトランジスタのみで構成されているので、CMOSトランジスタで構成されるインバータ回路と比べて、製造コストを低減させることができる。 The transistors M1 to M3 are n-channel transistors. Since the circuit INV is composed only of n-channel transistors, the manufacturing cost can be reduced as compared with an inverter circuit composed of CMOS transistors.
トランジスタM1乃至トランジスタM3として、上記実施の形態に示す半導体装置が有するトランジスタ200などを用いることが好ましい。 As the transistors M1 to M3, the
トランジスタM1は、互いに電気的に接続された第1ゲートと第2ゲートを有する。第1ゲートと第2ゲートとは半導体層を間に介して互いに重なる領域を有する。トランジスタM2、トランジスタM3についても同様である。なお、第1ゲートをトップゲート、第2ゲートをボトムゲートという場合がある。 Transistor M1 has a first gate and a second gate electrically connected together. The first gate and the second gate have regions that overlap each other with the semiconductor layer interposed therebetween. The same applies to the transistor M2 and the transistor M3. The first gate may be called a top gate, and the second gate may be called a bottom gate.
回路INVは、端子IN、端子OUT、端子CLKおよび端子CLKBを有する。端子INは入力端子として機能し、端子OUTは出力端子として機能する。端子CLKはクロック信号が入力され、端子CLKBは端子CLKに入力されるクロック信号の反転信号が入力される。 Circuit INV has terminal IN, terminal OUT, terminal CLK and terminal CLKB. The terminal IN functions as an input terminal, and the terminal OUT functions as an output terminal. A clock signal is input to the terminal CLK, and an inverted signal of the clock signal input to the terminal CLK is input to the terminal CLKB.
また、回路INVは、電源電圧としてVDD、VSSが供給される。VDDは、高電源電圧であり、トランジスタM1のドレインに入力される。VSSは、低電源電圧であり、トランジスタM3のソースに入力される。 Also, the circuit INV is supplied with VDD and VSS as power supply voltages. VDD is a high power supply voltage and is input to the drain of transistor M1. VSS is a low power supply voltage and is input to the source of transistor M3.
トランジスタM1において、トップゲートおよびボトムゲートは端子CLKに電気的に接続され、ソースはトランジスタM2のドレインに電気的に接続される。 In transistor M1, the top and bottom gates are electrically connected to terminal CLK, and the source is electrically connected to the drain of transistor M2.
トランジスタM2において、トップゲートおよびボトムゲートは端子CLKBに電気的に接続され、ソースはトランジスタM3のドレインに電気的に接続される。 In the transistor M2, the top gate and bottom gate are electrically connected to the terminal CLKB, and the source is electrically connected to the drain of the transistor M3.
トランジスタM3において、トップゲートおよびボトムゲートは端子INに電気的に接続される。 In transistor M3, the top and bottom gates are electrically connected to terminal IN.
容量素子C1の第1端子はトランジスタM1のソースに電気的に接続される。容量素子C1の第2端子はVSSが入力される。 A first terminal of the capacitive element C1 is electrically connected to the source of the transistor M1. VSS is input to the second terminal of the capacitive element C1.
端子OUTは、トランジスタM1のソース、トランジスタM2のドレインおよび容量素子C1の第1端子に電気的に接続される。 A terminal OUT is electrically connected to the source of the transistor M1, the drain of the transistor M2, and the first terminal of the capacitor C1.
なお、容量素子C1は配線の寄生容量やトランジスタのゲート容量で代用してもよい。その場合、これら半導体装置の占有面積を小さくすることができる。 Parasitic capacitance of wiring or gate capacitance of a transistor may be substituted for the capacitive element C1. In that case, the area occupied by these semiconductor devices can be reduced.
次に、回路INVの動作について説明を行う。 Next, the operation of the circuit INV will be described.
図122(B)は回路INVの動作を説明するためのタイミングチャートである。それぞれ、端子IN、端子CLK、端子CLKB、端子OUTの電位変化を表している。また、図122(B)を期間P1、期間P2、期間P3の3つの期間に分類している。 FIG. 122B is a timing chart for explaining the operation of the circuit INV. They respectively represent potential changes at the terminal IN, the terminal CLK, the terminal CLKB, and the terminal OUT. Further, FIG. 122B is classified into three periods of period P1, period P2, and period P3.
端子INは、期間P1乃至期間P3の間、Hレベルが与えられている。すなわち、期間P1乃至期間P3において、トランジスタM3はオンになっている。 An H level is applied to the terminal IN during periods P1 to P3. That is, the transistor M3 is on during the periods P1 to P3.
期間P1において、端子CLKに電位VHが入力され、端子CLKBに電位VLが入力される。トランジスタM1はオンになり、トランジスタM2はオフになる。このとき、容量素子C1にVDDが供給され、容量素子C1は充電(プリチャージ)を開始する。 In the period P1, the potential VH is input to the terminal CLK, and the potential VL is input to the terminal CLKB. Transistor M1 is turned on and transistor M2 is turned off. At this time, VDD is supplied to the capacitive element C1, and the capacitive element C1 starts charging (precharging).
なお、VHは、VDDとトランジスタM1のしきい値電圧(Vth)を足し合わせた電圧(VDD+Vth)以上にすることが好ましい。そうすることで、端子OUTにVDDを正確に伝えることができる。VLは低電源電圧(又はGND)とすればよい。なお、VHを高電位、VLを低電位と呼ぶ場合もある。 Note that VH is preferably equal to or higher than the sum of VDD and the threshold voltage (Vth) of the transistor M1 (VDD+Vth). By doing so, VDD can be accurately transmitted to the terminal OUT. VL may be a low power supply voltage (or GND). Note that VH is sometimes called a high potential and VL is called a low potential.
期間P2において、端子CLKにVLが入力され、端子CLKBにVHが入力される。トランジスタM1はオフになり、トランジスタM2はオンになる。このとき、トランジスタM3はオンであるため、容量素子C1の第1端子とトランジスタM3のソースが導通状態になり、容量素子C1は放電を開始する。最終的に端子OUTはLレベルを出力する。すなわち、端子OUTは端子INに入力された信号の反転信号を出力する。 In the period P2, VL is input to the terminal CLK, and VH is input to the terminal CLKB. Transistor M1 is turned off and transistor M2 is turned on. At this time, since the transistor M3 is on, the first terminal of the capacitor C1 and the source of the transistor M3 are brought into conduction, and the capacitor C1 starts discharging. Finally, the terminal OUT outputs L level. That is, the terminal OUT outputs an inverted signal of the signal input to the terminal IN.
期間P3において、端子CLKにVHが入力され、端子CLKBにVLが入力される。トランジスタM1はオンになり、トランジスタM2はオフになる。期間P1と同様に、容量素子C1は再びプリチャージを開始する。 In the period P3, VH is input to the terminal CLK, and VL is input to the terminal CLKB. Transistor M1 is turned on and transistor M2 is turned off. As in the period P1, the capacitive element C1 starts precharging again.
期間P1乃至期間P3における端子INの入力をLレベルとした場合、期間P2において、端子OUTはHレベルを出力する。すなわち、端子OUTは端子INに入力された信号の反転信号を出力する。 When the input to the terminal IN is at L level in the periods P1 to P3, the terminal OUT outputs H level in the period P2. That is, the terminal OUT outputs an inverted signal of the signal input to the terminal IN.
以上より、回路INVは端子CLKがVHのときに容量素子C1のプリチャージを行い、端子CLKがVLのときにインバータ回路として動作することがわかる。 From the above, it can be seen that the circuit INV precharges the capacitive element C1 when the terminal CLK is at VH, and operates as an inverter circuit when the terminal CLK is at VL.
また、回路INVは、容量素子C1の充電と放電を繰り返すことで動作するダイナミックロジック回路として機能することがわかる。トランジスタM1は容量素子C1を充電するプリチャージ用のトランジスタとして機能し、トランジスタM2は容量素子C1に蓄積された電荷を放電するディスチャージ用のトランジスタとして機能する。 It can also be seen that the circuit INV functions as a dynamic logic circuit that operates by repeating charging and discharging of the capacitive element C1. The transistor M1 functions as a precharge transistor that charges the capacitor C1, and the transistor M2 functions as a discharge transistor that discharges the charge accumulated in the capacitor C1.
トランジスタM1乃至トランジスタM3は、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが好ましい。オフ電流が小さいトランジスタとして、チャネル形成領域に金属酸化物または酸化物半導体を用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ)が挙げられる。なお、ここでオフ電流が小さいとは、トランジスタのオフ電流が、好ましくは10-18A/μm以下、さらに好ましくは10-21A/μm以下、さらに好ましくは10-24A/μm以下のことを言う。Transistors with low off-state current are preferably used as the transistors M1 to M3. As a transistor with low off-state current, a transistor using a metal oxide or an oxide semiconductor for a channel formation region (hereinafter referred to as an OS transistor) can be given. Here, the off-state current of a transistor is preferably 10 −18 A/μm or less, more preferably 10 −21 A/μm or less, and still more preferably 10 −24 A/μm or less. say.
トランジスタM1乃至トランジスタM3にOSトランジスタを用いることで、回路INVは貫通電流を小さくすることができる。その結果、回路INVは消費電力を低減させることができる。 By using OS transistors for the transistors M1 to M3, the circuit INV can reduce through current. As a result, the circuit INV can reduce power consumption.
また、トランジスタM1乃至トランジスタM3にOSトランジスタを用いることで、容量素子C1にプリチャージされた電荷が、リーク電流によって失われずに済む。その結果、回路INVはより正確にデータを伝えることができる。 Further, by using OS transistors for the transistors M1 to M3, the charge precharged in the capacitor C1 can be prevented from being lost due to leakage current. As a result, circuit INV can more accurately convey data.
トランジスタM1は、トップゲートとボトムゲートを電気的に接続することで、トップゲートとボトムゲートから同時に半導体層にゲート電圧を印加することが可能になり、オン電流を増大させることができる。トランジスタM2およびトランジスタM3についても同様である。その結果、回路INVは、動作周波数の高いインバータ回路を実現することができる。 By electrically connecting the top gate and the bottom gate of the transistor M1, a gate voltage can be applied to the semiconductor layer from the top gate and the bottom gate at the same time, and the on current can be increased. The same is true for transistor M2 and transistor M3. As a result, the circuit INV can realize an inverter circuit with a high operating frequency.
回路INVは、端子INをトランジスタM2のトップゲートおよびボトムゲートに電気的に接続し、端子CLKBをトランジスタM3のトップゲートおよびボトムゲートに電気的に接続してもよい。 Circuit INV may electrically connect terminal IN to the top and bottom gates of transistor M2 and terminal CLKB to the top and bottom gates of transistor M3.
また、トランジスタM1乃至トランジスタM3がそれぞれ有するボトムゲートは、トップゲートと異なる電位を与えてもよい。例えば、トランジスタM1乃至トランジスタM3がそれぞれ有するボトムゲートに共通の固定電位を与えてもよい。そうすることで、回路INVは、トランジスタM1乃至トランジスタM3のしきい値電圧を制御することができる。 Further, a potential different from that of the top gate may be applied to the bottom gates of the transistors M1 to M3, respectively. For example, a common fixed potential may be applied to the bottom gates of the transistors M1 to M3. By doing so, the circuit INV can control the threshold voltages of the transistors M1 to M3.
また、回路INVは、場合によっては、トランジスタM1乃至トランジスタM3のボトムゲートを全て省略してもよい。その場合、回路INVは製造工程を簡略化することができる。 Further, in the circuit INV, all the bottom gates of the transistors M1 to M3 may be omitted depending on the case. In that case, the circuit INV can simplify the manufacturing process.
以上、回路INVは消費電力が小さく単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。また、動作周波数が高く単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。 As described above, the circuit INV can provide an inverter circuit configured by unipolar transistors with low power consumption. Further, an inverter circuit having a high operating frequency and including unipolar transistors can be provided.
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態16)
本実施の形態では、図123乃至図125を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ。)、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、NOSRAMについて説明する。NOSRAM(登録商標)とは「Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、ゲインセル型(2T型、3T型)のメモリセルを有するRAMを指す。なお、以下において、NOSRAMのようにOSトランジスタを用いたメモリ装置を、OSメモリと呼ぶ場合がある。(Embodiment 16)
In this embodiment, with reference to FIGS. 123 to 125, a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter referred to as an OS transistor) and a memory to which a capacitor is applied, according to one embodiment of the present invention. A NOSRAM will be described as an example of the device. NOSRAM (registered trademark) is an abbreviation for "Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM" and refers to a RAM having gain cell type (2T type, 3T type) memory cells. Note that, hereinafter, a memory device using an OS transistor, such as a NOSRAM, may be referred to as an OS memory.
NOSRAMでは、メモリセルにOSトランジスタが用いられるメモリ装置(以下、「OSメモリ」と呼ぶ。)が適用されている。OSメモリは、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するOSトランジスタを有するメモリである。OSトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、OSメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。 The NOSRAM employs a memory device (hereinafter referred to as "OS memory") in which OS transistors are used for memory cells. An OS memory includes at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the OS transistor has a very low off-current, the OS memory has excellent retention characteristics and can function as a nonvolatile memory.
<<NOSRAM1600>>
図123にNOSRAMの構成例を示す。図123に示すNOSRAM1600は、メモリセルアレイ1610、コントローラ1640、行ドライバ1650、列ドライバ1660、出力ドライバ1670を有する。なお、NOSRAM1600は、1のメモリセルで多値データを記憶する多値NOSRAMである。<<NOSRAM1600>>
FIG. 123 shows a configuration example of the NOSRAM. A
メモリセルアレイ1610は複数のメモリセル1611、複数のワード線WWL、複数のワード線RWL、ビット線BL、ソース線SLを有する。ワード線WWLは書き込みワード線であり、ワード線RWLは読み出しワード線である。NOSRAM1600では、1のメモリセル1611で3ビット(8値)のデータを記憶する。 The
コントローラ1640は、NOSRAM1600全体を統括的に制御し、データWDA[31:0]の書き込み、データRDA[31:0]の読み出しを行う。コントローラ1640は、外部からのコマンド信号(例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など)を処理して、行ドライバ1650、列ドライバ1660および出力ドライバ1670の制御信号を生成する。 The
行ドライバ1650は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ1650は、行デコーダ1651、およびワード線ドライバ1652を有する。
列ドライバ1660は、ソース線SLおよびビット線BLを駆動する。列ドライバ1660は、列デコーダ1661、書き込みドライバ1662、DAC(デジタル-アナログ変換回路)1663を有する。
DAC1663は3ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。DAC1663は32ビットのデータWDA[31:0]を3ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
書き込みドライバ1662は、ソース線SLをプリチャージする機能、ソース線SLを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線SLを選択する機能、選択されたソース線SLにDAC1663で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線BLをプリチャージする機能、ビット線BLを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。 The
出力ドライバ1670は、セレクタ1671、ADC(アナログ-デジタル変換回路)1672、出力バッファ1673を有する。セレクタ1671は、アクセスするソース線SLを選択し、選択されたソース線SLの電圧をADC1672に送信する。ADC1672は、アナログ電圧を3ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線SLの電圧はADC1672において、3ビットのデータに変換され、出力バッファ1673はADC1672から出力されるデータを保持する。 The
なお、本実施の形態に示す、行ドライバ1650、列ドライバ1660、および出力ドライバ1670の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ1610の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線SLが有する機能の一部を、ビット線BLに有せしめる構成にしてもよい。 Note that the configurations of the
なお、上記においては、各メモリセル1611に保持させる情報量を3ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル1611に保持させる情報量を2ビット以下にしてもよいし、4ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル1611に保持させる情報量を1ビットにする場合、DAC1663およびADC1672を設けない構成にしてもよい。 Note that although the amount of information held in each
<メモリセル1611乃至メモリセル1614>
図124(A)はメモリセル1611の構成例を示す回路図である。メモリセル1611は2T型のゲインセルであり、メモリセル1611はワード線WWL、ワード線RWL、ビット線BL、ソース線SL、配線BGLに電気的に接続されている。メモリセル1611は、ノードSN、OSトランジスタMO61、トランジスタMP61、容量素子C61を有する。OSトランジスタMO61は書き込みトランジスタである。トランジスタMP61は読み出しトランジスタであり、例えばpチャネル型Siトランジスタで構成される。容量素子C61はノードSNの電位を保持するための保持容量である。ノードSNはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタMP61のゲートに相当する。<
FIG. 124A is a circuit diagram showing a configuration example of the
メモリセル1611の書き込みトランジスタがOSトランジスタMO61で構成されているため、NOSRAM1600は長時間データを保持することが可能である。 Since the write transistor of the
図124(A)の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図124(B)に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線WBLと、読み出しビット線として機能する、ビット線RBLとを設けてもよい。 In the example of FIG. 124A, the bit line is a common bit line for writing and reading, but as shown in FIG. A bit line RBL may be provided that functions as a
図124(C)乃至図124(E)にメモリセルの他の構成例を示す。図124(C)乃至図124(E)には、書き込み用のビット線WBLと読み出し用のビット線RBLを設けた例を示しているが、図124(A)のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。 124C to 124E show other structural examples of memory cells. FIGS. 124C to 124E show an example in which a bit line WBL for writing and a bit line RBL for reading are provided. A bit line may be provided.
図124(C)に示すメモリセル1612は、メモリセル1611の変形例であり、読み出しトランジスタをnチャネル型トランジスタ(MN61)に変更したものである。トランジスタMN61はOSトランジスタであってもよいし、Siトランジスタであってもよい。 A
メモリセル1611、メモリセル1612において、OSトランジスタMO61はボトムゲートの無いOSトランジスタであってもよい。 In the
図124(D)に示すメモリセル1613は、3T型ゲインセルであり、ワード線WWL、ワード線RWL、ビット線WBL、ビット線RBL、ソース線SL、配線BGL、配線PCLに電気的に接続されている。メモリセル1613は、ノードSN、OSトランジスタMO62、トランジスタMP62、トランジスタMP63、容量素子C62を有する。OSトランジスタMO62は書き込みトランジスタである。トランジスタMP62は読み出しトランジスタであり、トランジスタMP63は選択トランジスタである。 A memory cell 1613 illustrated in FIG. 124D is a 3T gain cell and is electrically connected to a word line WWL, a word line RWL, a bit line WBL, a bit line RBL, a source line SL, a wiring BGL, and a wiring PCL. there is The memory cell 1613 has a node SN, an OS transistor MO62, a transistor MP62, a transistor MP63, and a capacitor C62. The OS transistor MO62 is a write transistor. Transistor MP62 is a read transistor and transistor MP63 is a select transistor.
図124(E)に示すメモリセル1614は、メモリセル1613の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをnチャネル型トランジスタ(トランジスタMN62、トランジスタMN63)に変更したものである。トランジスタMN62、トランジスタMN63はOSトランジスタであってもよいし、Siトランジスタであってもよい。 A
メモリセル1611乃至メモリセル1614に設けられるOSトランジスタは、ボトムゲートの無いトランジスタでもよいし、ボトムゲートが有るトランジスタであってもよい。 The OS transistors provided in the
上記においては、メモリセル1611などが並列に接続された、いわゆるNOR型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル1615が直列に接続された、いわゆるNAND型の記憶装置にしてもよい。 Although the so-called NOR memory device in which the
図125はNAND型のメモリセルアレイ1610の構成例を示す回路図である。図125に示すメモリセルアレイ1610は、ソース線SL、ビット線RBL、ビット線WBL、ワード線WWL、ワード線RWL、配線BGL、およびメモリセル1615を有する。メモリセル1615は、ノードSN、OSトランジスタMO63、トランジスタMN64、容量素子C63を有する。ここで、トランジスタMN64は、例えばnチャネル型Siトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタMN64は、pチャネル型Siトランジスタ、であってもよいし、OSトランジスタであってもよい。 FIG. 125 is a circuit diagram showing a configuration example of a NAND type
以下では、図125に示すメモリセル1615aおよびメモリセル1615bを例として説明する。ここで、メモリセル1615aまたはメモリセル1615bのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、aまたはbの符号を付して表す。
メモリセル1615aにおいて、トランジスタMN64aのゲートと、OSトランジスタMO63aのソースおよびドレインの一方と、容量素子C63aの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線WBLとOSトランジスタMO63aのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線WWLaと、OSトランジスタMO63aのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線BGLaと、OSトランジスタMO63aのボトムゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線RWLaと、容量素子C63aの電極の他方は電気的に接続されている。 In the
メモリセル1615bは、ビット線WBLとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル1615aと対称的に設けることができる。よって、メモリセル1615bに含まれる回路素子も、上記メモリセル1615aと同じように配線と接続される。 The
さらに、メモリセル1615aが有するトランジスタMN64aのソースは、メモリセル1615bのトランジスタMN64bのドレインと電気的に接続される。メモリセル1615aが有するトランジスタMN64aのドレインは、ビット線RBLと電気的に接続される。メモリセル1615bが有するトランジスタMN64bのソースは、複数のメモリセル1615が有するトランジスタMN64を介してソース線SLと電気的に接続される。このように、NAND型のメモリセルアレイ1610では、ビット線RBLとソース線SLの間に、複数のトランジスタMN64が直列に接続される。 Further, the source of the transistor MN64a included in the
図125に示すメモリセルアレイ1610を有する記憶装置では、同じワード線WWL(またはワード線RWL)に接続された複数のメモリセル(以下、メモリセル列と呼ぶ。)ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線WWLにOSトランジスタMO63がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のOSトランジスタMO63をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタMN64のゲートおよび容量素子C63の電極の一方にビット線WBLの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のOSトランジスタMO63をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル1615にデータを書き込むことができる。 In the memory device having the
また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線RWLに、トランジスタMN64のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタMN64がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタMN64をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線RWLに、トランジスタMN64のゲートが有する電荷によって、トランジスタMN64のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位(読み出し電位)を与える。そして、ソース線SLに定電位を与え、ビット線RBLに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線SL-ビット線RBL間の複数のトランジスタMN64は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線SL-ビット線RBL間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタMN64の状態(オン状態またはオフ状態)によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタMN64のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線RBLの電位は異なる値をとることになる。ビット線RBLの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル1615から情報を読み出すことができる。 Also, for example, the read operation can be performed as follows. First, a word line RWL that is not connected to a memory cell column to be read is applied with a potential that turns on the transistor MN64 regardless of the charge applied to the gate of the transistor MN64. Transistors other than MN64 are turned on. Then, a potential (read potential) is applied to the word line RWL connected to the memory cell column to be read so that the on state or off state of the transistor MN64 is selected by the charge of the gate of the transistor MN64. Then, a constant potential is applied to the source line SL, and the read circuit connected to the bit line RBL is put into an operating state. Here, since the plurality of transistors MN64 between the source line SL and the bit line RBL are in the ON state except for the memory cell column to be read, the conductance between the source line SL and the bit line RBL is It is determined by the state (on state or off state) of transistor MN64 in the memory cell column. Since the conductance of the transistor differs depending on the charge held by the gate of the transistor MN64 in the memory cell column to be read, the potential of the bit line RBL takes on a different value accordingly. By reading the potential of the bit line RBL with the reading circuit, information can be read from the memory cell 1615 in the specified memory cell column.
容量素子C61、容量素子C62、または容量素子C63の充放電によってデータを書き換えるため、NOSRAM1600は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。 Since data is rewritten by charging and discharging the capacitive element C61, the capacitive element C62, or the capacitive element C63, the
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1611、メモリセル1612、メモリセル1613、メモリセル1614、メモリセル1615に用いる場合、OSトランジスタMO61、OSトランジスタMO62、OSトランジスタMO63としてトランジスタ200を用い、容量素子C61、容量素子C62、容量素子C63として容量素子100を用い、トランジスタMP61、トランジスタMP62、トランジスタMP63、トランジスタMN61、トランジスタMN62、トランジスタMN63、トランジスタMN64としてトランジスタ300を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。 When the semiconductor device described in any of the above embodiments is used as the
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態17)
本実施の形態では、図126および図127を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、DOSRAMについて説明する。DOSRAM(登録商標)とは、「Dynamic Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、1T(トランジスタ)1C(容量)型のメモリセルを有するRAMを指す。DOSRAMも、NOSRAMと同様に、OSメモリが適用されている。(Embodiment 17)
In this embodiment, a DOSRAM will be described with reference to FIGS. 126 and 127 as an example of a memory device to which an OS transistor and a capacitor according to one embodiment of the present invention are applied. DOSRAM (registered trademark) is an abbreviation for "Dynamic Oxide Semiconductor RAM" and refers to a RAM having 1T (transistor) 1C (capacitor) type memory cells. The OS memory is applied to the DOSRAM as well as the NOSRAM.
<<DOSRAM1400>>
図126にDOSRAMの構成例を示す。図126に示すように、DOSRAM1400は、コントローラ1405、行回路1410、列回路1415、メモリセルおよびセンスアンプアレイ1420(以下、「MC-SAアレイ1420」と呼ぶ。)を有する。<<DOSRAM1400>>
FIG. 126 shows a configuration example of the DOSRAM. As shown in FIG. 126,
行回路1410はデコーダ1411、ワード線ドライバ回路1412、列セレクタ1413、センスアンプドライバ回路1414を有する。列回路1415はグローバルセンスアンプアレイ1416、入出力回路1417を有する。グローバルセンスアンプアレイ1416は複数のグローバルセンスアンプ1447を有する。MC-SAアレイ1420はメモリセルアレイ1422、センスアンプアレイ1423、グローバルビット線GBLL、グローバルビット線GBLRを有する。
(MC-SAアレイ1420)
MC-SAアレイ1420は、メモリセルアレイ1422をセンスアンプアレイ1423上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線GBLL、グローバルビット線GBLRはメモリセルアレイ1422上に積層されている。DOSRAM1400では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。(MC-SA array 1420)
MC-
メモリセルアレイ1422は、N個(Nは2以上の整数)のローカルメモリセルアレイ1425<0>乃至ローカルメモリセルアレイ1425<N-1>を有する。図127(A)にローカルメモリセルアレイ1425の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ1425は、複数のメモリセル1445、複数のワード線WL、複数のビット線BLL、複数のビット線BLRを有する。図127(A)の例では、ローカルメモリセルアレイ1425の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。 The
図127(B)に共通のビット線BLL(ビット線BLR)に接続される、ペア状の一組のメモリセル1445aおよびメモリセル1445bの回路構成例を示す。メモリセル1445aはトランジスタMW1a、容量素子CS1a、端子B1a、端子B2aを有し、ワード線WLa、ビット線BLL(ビット線BLR)に接続される。また、メモリセル1445bはトランジスタMW1b、容量素子CS1b、端子B1b、端子B2bを有し、ワード線WLb、ビット線BLL(ビット線BLR)に接続される。なお、以下において、メモリセル1445aおよびメモリセル1445bのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル1445およびそれに付属する構成にaまたはbの符号を付さない場合がある。 FIG. 127B shows a circuit configuration example of a pair of
トランジスタMW1aは容量素子CS1aの充放電を制御する機能をもち、トランジスタMW1bは容量素子CS1bの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタMW1aのゲートはワード線WLaに電気的に接続され、第1端子はビット線BLL(ビット線BLR)に電気的に接続され、第2端子は容量素子CS1aの第1端子に電気的に接続されている。また、トランジスタMW1bのゲートはワード線WLbに電気的に接続され、第1端子はビット線BLL(ビット線BLR)に電気的に接続され、第2端子は容量素子CS1bの第1端子に電気的に接続されている。このように、ビット線BLL(ビット線BLR)がトランジスタMW1aの第1端子とトランジスタMW1bの第1端子に共通で用いられる。 The transistor MW1a has a function of controlling charging/discharging of the capacitive element CS1a, and the transistor MW1b has a function of controlling charging/discharging of the capacitive element CS1b. The transistor MW1a has a gate electrically connected to the word line WLa, a first terminal electrically connected to the bit line BLL (bit line BLR), and a second terminal electrically connected to the first terminal of the capacitive element CS1a. It is The gate of the transistor MW1b is electrically connected to the word line WLb, the first terminal is electrically connected to the bit line BLL (bit line BLR), and the second terminal is electrically connected to the first terminal of the capacitor CS1b. It is connected to the. Thus, the bit line BLL (bit line BLR) is commonly used for the first terminal of the transistor MW1a and the first terminal of the transistor MW1b.
トランジスタMW1は容量素子CS1の充放電を制御する機能をもつ。容量素子CS1の第2端子は端子B2に電気的に接続されている。端子B2には、定電位(例えば、低電源電位)が入力される。 The transistor MW1 has a function of controlling charging/discharging of the capacitive element CS1. A second terminal of the capacitive element CS1 is electrically connected to the terminal B2. A constant potential (for example, a low power supply potential) is input to the terminal B2.
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1445a、メモリセル1445bに用いる場合、トランジスタMW1aとしてトランジスタ200a、トランジスタMW1bとしてトランジスタ200bを用い、容量素子CS1aとして容量素子100aを用い、容量素子CS1bとして容量素子100bを用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。 When the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the
トランジスタMW1はボトムゲートを備えており、ボトムゲートは端子B1に電気的に接続されている。そのため、端子B1の電位によって、トランジスタMW1のしきい値電圧を変更することができる。例えば、端子B1の電位は固定電位(例えば、負の定電位)であってもよいし、DOSRAM1400の動作に応じて、端子B1の電位を変化させてもよい。 Transistor MW1 has a bottom gate, which is electrically connected to terminal B1. Therefore, the threshold voltage of the transistor MW1 can be changed by the potential of the terminal B1. For example, the potential of the terminal B1 may be a fixed potential (for example, a constant negative potential), or the potential of the terminal B1 may be changed according to the operation of the
トランジスタMW1のボトムゲートをトランジスタMW1のゲート、第1端子、または第2端子に電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタMW1にボトムゲートを設けなくてもよい。 The bottom gate of transistor MW1 may be electrically connected to the gate, first terminal, or second terminal of transistor MW1. Alternatively, the transistor MW1 may not have a bottom gate.
センスアンプアレイ1423は、N個のローカルセンスアンプアレイ1426<0>乃至ローカルセンスアンプアレイ1426<N-1>を有する。ローカルセンスアンプアレイ1426は、1のスイッチアレイ1444、複数のセンスアンプ1446を有する。センスアンプ1446には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ1446は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電位差を増幅する機能、この電位差を保持する機能を有する。スイッチアレイ1444は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対との間を導通状態にする機能を有する。 The
ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される2本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される2本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線BLLとビット線BLRが1組のビット線対を成す。グローバルビット線GBLLとグローバルビット線GBLRとが1組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対(BLL,BLR)、グローバルビット線対(GBLL,GBLR)とも表す。 Here, a bit line pair means two bit lines that are simultaneously compared by a sense amplifier. A global bit line pair is two global bit lines that are simultaneously compared by a global sense amplifier. A bit line pair can be called a pair of bit lines, and a global bit line pair can be called a pair of global bit lines. Here, the bit line BLL and the bit line BLR form one bit line pair. Global bit line GBLL and global bit line GBLR form one global bit line pair. Hereinafter, it will also be referred to as a bit line pair (BLL, BLR) and a global bit line pair (GBLL, GBLR).
(コントローラ1405)
コントローラ1405は、DOSRAM1400の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ1405は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路1410、列回路1415の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。(Controller 1405)
(行回路1410)
行回路1410は、MC-SAアレイ1420を駆動する機能を有する。デコーダ1411はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路1412は、アクセス対象行のワード線WLを選択する選択信号を生成する。(row circuit 1410)
列セレクタ1413、センスアンプドライバ回路1414はセンスアンプアレイ1423を駆動するための回路である。列セレクタ1413は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ1413の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ1426のスイッチアレイ1444が制御される。センスアンプドライバ回路1414の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ1426は独立して駆動される。 Column selector 1413 and sense
(列回路1415)
列回路1415は、データ信号WDA[31:0]の入力を制御する機能、データ信号RDA[31:0]の出力を制御する機能を有する。データ信号WDA[31:0]は書き込みデータ信号であり、データ信号RDA[31:0]は読み出しデータ信号である。(column circuit 1415)
The
グローバルセンスアンプ1447はグローバルビット線対(GBLL,GBLR)に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ1447はグローバルビット線対(GBLL,GBLR)間の電位差を増幅する機能、この電位差を保持する機能を有する。グローバルビット線対(GBLL,GBLR)へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路1417によって行われる。 A
DOSRAM1400の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路1417によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ1416によって保持される。アドレス信号が指定するローカルセンスアンプアレイ1426のスイッチアレイ1444によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ1426は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ1425において、行回路1410によって、対象行のワード線WLが選択され、選択行のメモリセル1445にローカルセンスアンプアレイ1426の保持データが書き込まれる。 An outline of the write operation of the
DOSRAM1400の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ1425の1行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ1425において、対象行のワード線WLが選択状態となり、メモリセル1445のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ1426によって、各列のビット線対の電位差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ1444によって、ローカルセンスアンプアレイ1426の保持データの内、アドレス信号が指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ1416は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ1416の保持データは入出力回路1417に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。 An outline of the read operation of the
容量素子CS1の充放電によってデータを書き換えるため、DOSRAM1400には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル1445の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。 Since data is rewritten by charging/discharging the capacitive element CS1, the
トランジスタMW1はOSトランジスタである。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子CS1から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、DOSRAM1400の保持時間はDRAMに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、DOSRAM1400は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。 The transistor MW1 is an OS transistor. Since the OS transistor has extremely low off-state current, leakage of charge from the capacitor CS1 can be suppressed. Therefore, the retention time of
MC-SAアレイ1420が積層構造であることによって、ローカルセンスアンプアレイ1426の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル1445の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ1426にスイッチアレイ1444を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、DOSRAM1400のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。 Since the MC-
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態18)
本実施の形態では、図128から図131を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)について説明する。本実施の形態のFPGAは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにOSメモリが適用されている。ここでは、このようなFPGAを「OS-FPGA」と呼ぶ。(Embodiment 18)
In this embodiment, a field programmable gate array (FPGA) will be described with reference to FIGS. 128 to 131 as an example of a semiconductor device to which an OS transistor and a capacitor according to one embodiment of the present invention are applied. . In the FPGA of this embodiment, an OS memory is applied to the configuration memory and registers. Here, such an FPGA is called an "OS-FPGA".
<<OS-FPGA>>
図128(A)にOS-FPGAの構成例を示す。図128(A)に示すOS-FPGA3110は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替えとPLE毎の細粒度パワーゲーティングを実行するNOFF(ノーマリーオフ)コンピューティングが可能である。OS-FPGA3110は、コントローラ(Controller)3111、ワードドライバ(Word driver)3112、データドライバ(Data driver)3113、プログラマブルエリア(Programmable area)3115を有する。<<OS-FPGA>>
FIG. 128A shows a configuration example of the OS-FPGA. The OS-FPGA 3110 shown in FIG. 128A is capable of NOFF (normally-off) computing that executes context switching with a multi-context structure and fine-grained power gating for each PLE. The OS-FPGA 3110 has a controller 3111 , a
プログラマブルエリア3115は、2個の入出力ブロック(IOB)3117、コア3119を有する。IOB3117は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア(Core)3119は、複数のロジックアレイブロック(LAB)3120、複数のスイッチアレイブロック(SAB)3130を有する。LAB3120は複数のPLE3121を有する。図128(B)には、LAB3120を5個のPLE3121で構成する例を示す。図128(C)に示すようにSAB3130はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック(SB)3131を有する。LAB3120は自身の入力端子と、SAB3130を介して4(上下左右)方向のLAB3120に接続される。
図129(A)乃至図129(C)を参照して、SB3131について説明する。図129(A)に示すSB3131には、data、datab、信号context[1:0]、信号word[1:0]が入力される。data、databはコンフィギュレーションデータであり、dataとdatabは論理が相補的な関係にある。OS-FPGA3110のコンテキスト数は2であり、信号context[1:0]はコンテキスト選択信号である。信号word[1:0]はワード線選択信号であり、信号word[1:0]が入力される配線がそれぞれワード線である。 The SB3131 will be described with reference to FIGS. 129A to 129C.
SB3131は、PRS(プログラマブルルーティングスイッチ)3133[0]、PRS3133[1]を有する。PRS3133[0]、PRS3133[1]は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ(CM)を有する。なお、PRS3133[0]とPRS3133[1]とを区別しない場合、PRS3133と呼ぶ。他の要素についても同様である。 The
図129(B)にPRS3133[0]の回路構成例を示す。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは同じ回路構成を有する。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号context[0]、信号word[0]はPRS3133[0]に入力され、信号context[1]、信号word[1]はPRS3133[1]に入力される。例えば、SB3131において、信号context[0]が“H”になることで、PRS3133[0]がアクティブになる。 FIG. 129B shows a circuit configuration example of PRS3133[0]. PRS3133[0] and PRS3133[1] have the same circuit configuration. PRS3133[0] and PRS3133[1] differ in the input context selection signal and word line selection signal. The signal context[0] and signal word[0] are input to PRS3133[0], and the signal context[1] and signal word[1] are input to PRS3133[1]. For example, in SB3131, PRS3133[0] becomes active when signal context[0] becomes "H".
PRS3133[0]は、CM3135、SiトランジスタM31を有する。SiトランジスタM31は、CM3135により制御されるパストランジスタである。CM3135は、メモリ回路3137、メモリ回路3137Bを有する。メモリ回路3137、メモリ回路3137Bは同じ回路構成である。メモリ回路3137は、容量素子C31、OSトランジスタMO31、OSトランジスタMO32を有する。メモリ回路3137Bは、容量素子CB31、OSトランジスタMOB31、OSトランジスタMOB32を有する。 PRS3133[0] has CM3135 and Si transistor M31. Si transistor M31 is a pass transistor controlled by CM3135. The
上記実施の形態に示す半導体装置をSAB3130に用いる場合、OSトランジスタMO31、OSトランジスタMOB31としてトランジスタ200を用い、容量素子C31、容量素子CB31として容量素子100を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。 When the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the SAB3130, the
OSトランジスタMO31、OSトランジスタMO32、OSトランジスタMOB31、OSトランジスタMOB32はボトムゲートを有し、これらボトムゲートはそれぞれ固定電位を供給する電源線に電気的に接続されている。 The OS transistor MO31, the OS transistor MO32, the OS transistor MOB31, and the OS transistor MOB32 have bottom gates, which are electrically connected to power supply lines that supply fixed potentials.
SiトランジスタM31のゲートがノードN31であり、OSトランジスタMO32のゲートがノードN32であり、OSトランジスタMOB32のゲートがノードNB32である。ノードN32、ノードNB32はCM3135の電荷保持ノードである。OSトランジスタMO32はノードN31と信号context[0]用の信号線との間の導通状態を制御する。OSトランジスタMOB32はノードN31と低電位電源線VSSとの間の導通状態を制御する。 The gate of the Si transistor M31 is the node N31, the gate of the OS transistor MO32 is the node N32, and the gate of the OS transistor MOB32 is the node NB32. Node N32 and node NB32 are charge retention nodes of CM3135. The OS transistor MO32 controls conduction between the node N31 and the signal line for the signal context[0]. The OS transistor MOB32 controls conduction between the node N31 and the low potential power supply line VSS.
メモリ回路3137、メモリ回路3137Bが保持するデータの論理は相補的な関係にある。したがって、OSトランジスタMO32またはOSトランジスタMOB32の何れか一方が導通する。 The logic of data held by the
図129(C)を参照して、PRS3133[0]の動作例を説明する。PRS3133[0]にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、PRS3133[0]のノードN32は“H”であり、ノードNB32は“L”である。 An operation example of PRS3133[0] will be described with reference to FIG. Configuration data has already been written to PRS3133[0], node N32 of PRS3133[0] is at "H", and node NB32 is at "L".
信号context[0]が“L”である間はPRS3133[0]は非アクティブである。この期間に、PRS3133[0]の入力端子(input)が“H”に遷移しても、SiトランジスタM31のゲートは“L”が維持され、PRS3133[0]の出力端子(output)も“L”が維持される。 PRS3133[0] is inactive while signal context[0] is "L". During this period, even if the input terminal (input) of PRS3133[0] transitions to "H", the gate of the Si transistor M31 is maintained at "L", and the output terminal (output) of PRS3133[0] is also at "L". ” is maintained.
信号context[0]が“H”である間はPRS3133[0]はアクティブである。信号context[0]が“H”に遷移すると、CM3135が記憶するコンフィギュレーションデータによって、SiトランジスタM31のゲートは“H”に遷移する。 PRS3133[0] is active while the signal context[0] is "H". When the signal context[0] transitions to "H", the gate of the Si transistor M31 transitions to "H" according to the configuration data stored by the CM3135.
PRS3133[0]がアクティブである期間に、入力端子が“H”に遷移すると、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32がソースフォロアであるために、ブースティング(boosting)によってSiトランジスタM31のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32は駆動能力を失い、SiトランジスタM31のゲートは浮遊状態となる。 When the input terminal transitions to "H" while PRS3133[0] is active, the gate voltage of the Si transistor M31 rises due to boosting because the OS transistor MO32 of the
マルチコンテキスト機能を備えるPRS3133において、CM3135はマルチプレクサの機能を併せ持つ。 In
図130にPLE3121の構成例を示す。PLE3121はルックアップテーブルブロック(LUT block)3123、レジスタブロック3124、セレクタ3125、CM3126を有する。LUTブロック3123は、入力inA、inB、inC、inDに従って内部のデータを選択し、出力する構成である。セレクタ3125は、CM3126が格納するコンフィギュレーションデータに従って、LUTブロック3123の出力またはレジスタブロック3124の出力を選択する。 FIG. 130 shows a configuration example of the PLE3121.
PLE3121は、パワースイッチ3127を介して電圧VDD用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ3127のオンオフは、CM3128が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各PLE3121にパワースイッチ3127を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないPLE3121をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。 The
NOFFコンピューティングを実現するため、レジスタブロック3124は、不揮発性レジスタで構成される。PLE3121内の不揮発性レジスタはOSメモリを備えるフリップフロップ(以下[OS-FF]と呼ぶ)である。 To implement NOFF computing, the
レジスタブロック3124は、OS-FF3140[1]、OS-FF3140[2]を有する。信号user_res、信号load、信号storeがOS-FF3140[1]、OS-FF3140[2]に入力される。クロック信号CLK1はOS-FF3140[1]に入力され、クロック信号CLK2はOS-FF3140[2]に入力される。図131(A)にOS-FF3140の構成例を示す。
OS-FF3140は、FF3141、シャドウレジスタ3142を有する。FF3141は、ノードCK、ノードR、ノードD、ノードQ、ノードQBを有する。ノードCKにはクロック信号が入力される。ノードRには信号use_resが入力される。信号user_resはリセット信号である。ノードDはデータ入力ノードであり、ノードQはデータ出力ノードである。ノードQとノードQBとは論理が相補関係にある。 OS-
シャドウレジスタ3142は、FF3141のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ3142は、信号storeに従いノードQ、ノードQBのデータをそれぞれバックアップし、また、信号loadに従い、バックアップしたデータをノードQ、ノードQBに書き戻す。
シャドウレジスタ3142は、インバータ回路3188、インバータ回路3189、SiトランジスタM37、SiトランジスタMB37、メモリ回路3143、メモリ回路3143Bを有する。メモリ回路3143、メモリ回路3143Bは、PRS3133のメモリ回路3137と同じ回路構成である。メモリ回路3143は容量素子C36、OSトランジスタMO35、OSトランジスタMO36を有する。メモリ回路3143Bは容量素子CB36、OSトランジスタMOB35、OSトランジスタMOB36を有する。ノードN36、ノードNB36はOSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB36のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードN37、ノードNB37は、SiトランジスタM37、SiトランジスタMB37のゲートである。
上記実施の形態に示す半導体装置をLAB3120に用いる場合、OSトランジスタMO35、OSトランジスタMOB35としてトランジスタ200を用い、容量素子C36、容量素子CB36として容量素子100を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。 When the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the
OSトランジスタMO35、OSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB35、OSトランジスタMOB36はボトムゲートを有し、これらボトムゲートはそれぞれ固定電位を供給する電源線に電気的に接続されている。 The OS transistor MO35, the OS transistor MO36, the OS transistor MOB35, and the OS transistor MOB36 have bottom gates, which are electrically connected to power supply lines that supply fixed potentials.
図131(B)を参照して、OS-FF3140の動作方法例を説明する。 An example of the operating method of the OS-
(バックアップ(Backup))
“H”の信号storeがOS-FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はFF3141のデータをバックアップする。ノードN36は、ノードQのデータが書き込まれることで、“L”となり、ノードNB36は、ノードQBのデータが書き込まれることで、“H”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ3127をオフにする。FF3141のノードQ、ノードQBのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ3142はバックアップしたデータを保持する。(Backup)
When the "H" signal store is input to the OS-
(リカバリ(Recovery))
パワースイッチ3127をオンにし、PLE3121に電源を供給する。しかる後、“H”の信号loadがOS-FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はバックアップしているデータをFF3141に書き戻す。ノードN36は“L”であるので、ノードN37は“L”が維持され、ノードNB36は“H”であるので、ノードNB37は“H”となる。よって、ノードQは“H”になり、ノードQBは“L”になる。つまり、OS-FF3140はバックアップ動作時の状態に復帰する。(Recovery)
細粒度パワーゲーティングと、OS-FF3140のバックアップ/リカバリ動作とを組み合わせることで、OS-FPGA3110の消費電力を効果的に低減できる。 Combining fine-grained power gating with the backup/recovery operation of OS-
メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。OSトランジスタを用いたOSメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、OSメモリを搭載することで、信頼性の高いOS-FPGA3110を提供することができる。 Errors that can occur in memory circuits include soft errors due to incidence of radiation. Soft errors are secondary cosmic events caused by nuclear reactions between alpha rays emitted from materials that make up memory and packages, and primary cosmic rays that enter the atmosphere from outer space. This is a phenomenon in which a transistor is irradiated with ray neutrons, etc., and electron-hole pairs are generated, causing malfunctions such as inversion of data held in memory. An OS memory using an OS transistor has high resistance to soft errors. Therefore, by mounting the OS memory, it is possible to provide a highly reliable OS-FPGA 3110 .
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態19)
本実施の形態では、図132を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、AIシステムについて説明を行う。(Embodiment 19)
In this embodiment, an AI system to which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied will be described with reference to FIG.
図132はAIシステム4041の構成例を示すブロック図である。AIシステム4041は、演算部4010と、制御部4020と、入出力部4030と、を有する。 FIG. 132 is a block diagram showing a configuration example of the
演算部4010は、アナログ演算回路4011と、DOSRAM4012と、NOSRAM4013と、FPGA4014と、を有する。DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014として、上記実施の形態に示す、DOSRAM1400、NOSRAM1600、およびOS-FPGA3110を用いることができる。 The
制御部4020は、CPU(Central Processing Unit)4021と、GPU(Graphics Processing Unit)4022と、PLL(Phase Locked Loop)4023と、SRAM(Static Random Access Memory)4024と、PROM(Programmable Read Only Memory)4025と、メモリコントローラ4026と、電源回路4027と、PMU(Power Management Unit)4028と、を有する。 制御部4020は、CPU(Central Processing Unit)4021と、GPU(Graphics Processing Unit)4022と、PLL(Phase Locked Loop)4023と、SRAM(Static Random Access Memory)4024と、PROM(Programmable Read Only Memory)4025 , a
入出力部4030は、外部記憶制御回路4031と、音声コーデック4032と、映像コーデック4033と、汎用入出力モジュール4034と、通信モジュール4035と、を有する。 The input/
演算部4010は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。 The
アナログ演算回路4011はA/D(アナログ/デジタル)変換回路、D/A(デジタル/アナログ)変換回路、および積和演算回路を有する。 The analog
アナログ演算回路4011はOSトランジスタを用いて形成することが好ましい。OSトランジスタを用いたアナログ演算回路4011は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。 The analog
DOSRAM4012は、OSトランジスタを用いて形成されたDRAMであり、DOSRAM4012は、CPU4021から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。DOSRAM4012は、OSトランジスタを含むメモリセルと、Siトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、DOSRAM4012は、全体の回路面積を小さくすることができる。 The
ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが1000を超えることがある。上記入力データをSRAMに格納する場合、SRAMは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。DOSRAM4012は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、SRAMに比べて記憶容量が大きい。そのため、DOSRAM4012は、上記入力データを効率よく格納することができる。 Calculations using neural networks may have more than 1000 input data. When the input data is stored in the SRAM, the SRAM has a limited circuit area and a small storage capacity, so the input data must be divided and stored. The
NOSRAM4013はOSトランジスタを用いた不揮発性メモリである。NOSRAM4013は、フラッシュメモリや、ReRAM(Resistive Random Access Memory)、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやReRAMのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。 A
また、NOSRAM4013は、1ビットの2値データの他に、2ビット以上の多値データを記憶することができる。NOSRAM4013は多値データを記憶することで、1ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。 The
また、NOSRAM4013は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路4011は、NOSRAM4013をアナログメモリとして用いることもできる。NOSRAM4013は、アナログデータのまま記憶することができるため、D/A変換回路やA/D変換回路が不要である。そのため、NOSRAM4013は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、3ビット(8値)以上の分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。 Also, the
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、NOSRAM4013に格納することができる。上記データやパラメータは、CPU4021を介して、AIシステム4041の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたNOSRAM4013の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、NOSRAM4013は、DOSRAM4012よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。 Data and parameters used for neural network calculation can be temporarily stored in the
FPGA4014は、OSトランジスタを用いたFPGAである。AIシステム4041は、FPGA4014を用いることによって、ハードウェアで後述する、ディープニューラルネットワーク(DNN)、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、自己符号化器、深層ボルツマンマシン(DBM)、深層信念ネットワーク(DBN)などの、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。 The
FPGA4014はOS-FPGAである。OS-FPGAは、SRAMで構成されるFPGAよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、OS-FPGAはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
AIシステム4041は、アナログ演算回路4011、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014を1つのダイ(チップ)の上に設けることができる。そのため、AIシステム4041は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路4011、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、AIシステム4041は、低コストで作製することができる。
なお、演算部4010は、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014を、全て有する必要はない。AIシステム4041が解決したい課題に応じて、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014の一または複数を、選択して設ければよい。 Note that the
AIシステム4041は、解決したい課題に応じて、ディープニューラルネットワーク(DNN)、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、自己符号化器、深層ボルツマンマシン(DBM)、深層信念ネットワーク(DBN)などの手法を実行することができる。PROM4025は、これらの手法の少なくとも1つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、NOSRAM4013に保存してもよい。 The
ライブラリとして存在する既存のプログラムは、GPUの処理を前提としているものが多い。そのため、AIシステム4041はGPU4022を有することが好ましい。AIシステム4041は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部4010で実行し、それ以外の積和演算をGPU4022で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。 Many existing programs that exist as libraries assume GPU processing. Therefore,
電源回路4027は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路4027はOSメモリを用いてもよい。電源回路4027は、基準電位をOSメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。 The
PMU4028は、AIシステム4041の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。 The
CPU4021およびGPU4022は、レジスタとしてOSメモリを有することが好ましい。CPU4021およびGPU4022はOSメモリを有することで、電力供給がオフになっても、OSメモリ中にデータ(論理値)を保持し続けることができる。その結果、AIシステム4041は、電力を節約することができる。 The
PLL4023は、クロックを生成する機能を有する。AIシステム4041は、PLL4023が生成したクロックを基準に動作を行う。PLL4023はOSメモリを有することが好ましい。PLL4023はOSメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。 The
AIシステム4041は、DRAMなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、AIシステム4041は、外部のDRAMとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ4026を有することが好ましい。また、メモリコントローラ4026は、CPU4021またはGPU4022の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。 The
制御部4020に示す回路の一部または全ては、演算部4010と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、AIシステム4041は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。 Part or all of the circuitry shown in
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置(HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)など)に保存される場合が多い。そのため、AIシステム4041は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路4031を有することが好ましい。 Data used for neural network calculations are often stored in an external storage device (HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), etc.). Therefore, the
ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、AIシステム4041は音声コーデック4032および映像コーデック4033を有する。音声コーデック4032は、音声データのエンコード(符号化)およびデコード(復号)を行い、映像コーデック4033は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。 Since learning and inference using neural networks often deal with audio and video,
AIシステム4041は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、AIシステム4041は汎用入出力モジュール4034を有する。汎用入出力モジュール4034は、例えば、USB(Universal Serial Bus)やI2C(Inter-Integrated Circuit)などを含む。
AIシステム4041は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、AIシステム4041は、通信モジュール4035を有することが好ましい。
アナログ演算回路4011は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する(演算回路とメモリを同じダイの上に形成する)ことが非常に難しい。 The analog
また、アナログ演算回路4011は、ReRAMをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ReRAMは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、2端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。 Further, the
また、アナログ演算回路4011は、MRAMをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、MRAMは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。 Also, the
以上を鑑み、アナログ演算回路4011は、OSメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。 In view of the above, the
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態20)
<AIシステムの応用例>
本実施の形態では、上記実施の形態に示すAIシステムの応用例について図133を用いて説明を行う。(Embodiment 20)
<Application example of AI system>
In this embodiment, an application example of the AI system shown in the above embodiment will be described with reference to FIG.
図133(A)は、図132で説明したAIシステム4041を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、AIシステム4041Aである。 FIG. 133(A) shows an
図133(A)に図示するAIシステム4041Aは、複数のAIシステム4041_1乃至AIシステム4041_n(nは自然数)を有する。AIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nは、バス線4098を介して互いに接続されている。 An
また図133(B)は、図132で説明したAIシステム4041を図133(A)と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、AIシステム4041Bである。 Also, FIG. 133(B) is an
図133(B)に図示するAIシステム4041Bは、複数のAIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nを有する。AIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nは、ネットワーク4099を介して互いに接続されている。 The
ネットワーク4099は、AIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばWorld Wide Web(WWW)の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、PAN(Personal Area Network)、LAN(Local Area Network)、CAN(Campus Area Network)、MAN(Metropolitan Area Network)、WAN(Wide Area Network)、GAN(Global Area Network)等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、LTE(Long Term Evolution)、GSM(Global System for Mobile Communication:登録商標)、EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)、CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000)、W-CDMA(登録商標)などの通信規格、またはWi-Fi(登録商標)、Bluetooth(登録商標)、ZigBee(登録商標)等のIEEEにより通信規格化された仕様を用いることができる。 The
図133(A)、(B)の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のAIシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のAIシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のAIシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのAIシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのAIシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。 With the configurations of FIGS. 133A and 133B, analog signals obtained by external sensors or the like can be processed by separate AI systems. For example, like biological information, information such as brain waves, pulse, blood pressure, body temperature, etc. can be acquired by various sensors such as brain wave sensors, pulse wave sensors, blood pressure sensors, and temperature sensors, and analog signals can be processed by separate AI systems. can. By performing signal processing or learning in each of the separate AI systems, the amount of information processing per AI system can be reduced. Therefore, signal processing or learning can be performed with a smaller amount of calculation. As a result, recognition accuracy can be improved. From the information obtained by each AI system, it can be expected that changes in complexly changing biological information can be instantly and comprehensively grasped.
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態21)
本実施の形態では、上記実施の形態に示すAIシステムが組み込まれたICの一例を示す。(Embodiment 21)
This embodiment mode shows an example of an IC in which the AI system described in the above embodiment mode is incorporated.
上記実施の形態に示すAIシステムは、CPU等のSiトランジスタでなるデジタル処理回路と、OSトランジスタを用いたアナログ演算回路、OS-FPGAおよびDOSRAM、NOSRAM等のOSメモリを、1のダイに集積することができる。 The AI system shown in the above embodiment integrates a digital processing circuit made of Si transistors such as a CPU, an analog arithmetic circuit using an OS transistor, an OS-FPGA and an OS memory such as DOSRAM and NOSRAM on one die. be able to.
図134に、AIシステムを組み込んICの一例を示す。図134に示すAIシステムIC7000は、リード7001及び回路部7003を有する。AIシステムIC7000は、例えばプリント基板7002に実装される。このようなICチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板7002上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板7004)が完成する。回路部7003には、上記実施の形態で示した各種の回路が1のダイに設けられている。回路部7003は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Siトランジスタ層7031、配線層7032、OSトランジスタ層7033に大別される。OSトランジスタ層7033をSiトランジスタ層7031に積層して設けることができるため、AIシステムIC7000の小型化が容易である。 FIG. 134 shows an example of an IC incorporating an AI system. An
図134では、AIシステムIC7000のパッケージにQFP(Quad Flat Package)を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。 Although a QFP (Quad Flat Package) is applied to the package of the
CPU等のデジタル処理回路と、OSトランジスタを用いたアナログ演算回路、OS-FPGA、DOSRAM、NOSRAM等のOSメモリは、全て、Siトランジスタ層7031、配線層7032およびOSトランジスタ層7033に形成することができる。すなわち、上記AIシステムを構成する素子は、同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、本実施の形態に示すICは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記AIシステムを低コストで組み込むことができる。 A digital processing circuit such as a CPU, an analog arithmetic circuit using an OS transistor, an OS memory such as an OS-FPGA, a DOSRAM, and a NOSRAM can all be formed in the
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態22)
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図135乃至図137に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。(Embodiment 22)
<Electronic equipment>
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. 135 to 137 illustrate specific examples of electronic devices using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
図135(A)に示すロボット2100は、演算装置2110、照度センサ2101、マイクロフォン2102、上部カメラ2103、スピーカ2104、ディスプレイ2105、下部カメラ2106、障害物センサ2107、および移動機構2108を備える。 A
マイクロフォン2102は、使用者の話し声及び環境音等を検知する機能を有する。また、スピーカ2104は、音声を発する機能を有する。ロボット2100は、マイクロフォン2102およびスピーカ2104を用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。 A
ディスプレイ2105は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット2100は、使用者の望みの情報をディスプレイ2105に表示することが可能である。ディスプレイ2105は、タッチパネルを搭載していてもよい。 The
上部カメラ2103および下部カメラ2106は、ロボット2100の周囲を撮像する機能を有する。また、障害物センサ2107は、移動機構2108を用いてロボット2100が前進する際の進行方向における障害物の有無を察知することができる。ロボット2100は、上部カメラ2103、下部カメラ2106および障害物センサ2107を用いて、周囲の環境を認識し、安全に移動することが可能である。
図135(B)に示す飛行体2120は、演算装置2121と、プロペラ2123と、カメラ2122と、を有し、自立して飛行する機能を有する。 A flying
飛行体2120において、演算装置2121およびカメラ2122に上記電子部品を用いることができる。 In the flying
図135(C)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、カメラ2981等を有する。また、自動車2980は、赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサなどを備える。自動車2980は、カメラ2981が撮影した画像を解析し、歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。 FIG. 135(C) is an external view showing an example of an automobile. A
図135(D)に、互いに別々の言語で話す複数の人間のコミュニケーションにおいて、携帯電子機器2130に同時通訳を行わせる状況を示す。 FIG. 135(D) shows a situation in which simultaneous interpretation is performed by the portable
携帯電子機器2130は、マイクロフォンおよびスピーカ等を有し、使用者の話し声を認識してそれを話し相手の話す言語に翻訳する機能を有する。 The portable
また、図135(D)において、使用者は携帯型マイクロフォン2131を有する。携帯型マイクロフォン2131は、無線通信機能を有し、検知した音声を携帯電子機器2130に送信する機能を有する。 Also, in FIG. 135(D), the user has a
図136(A)は、ペースメーカの一例を示す断面模式図である。 FIG. 136(A) is a schematic cross-sectional view showing an example of a pacemaker.
ペースメーカ本体5300は、バッテリー5301aと、バッテリー5301bと、レギュレータと、制御回路と、アンテナ5304と、右心房へのワイヤ5302、右心室へのワイヤ5303とを少なくとも有している。 The
ペースメーカ本体5300は手術により体内に設置され、二本のワイヤは、人体の鎖骨下静脈5305及び上大静脈5306を通過させて一方のワイヤ先端が右心室、もう一方のワイヤ先端が右心房に設置されるようにする。 The pacemaker
また、アンテナ5304で電力が受信でき、その電力はバッテリー5301a、バッテリー5301bに充電され、ペースメーカの交換頻度を少なくすることができる。ペースメーカ本体5300は複数のバッテリーを有しているため、安全性が高く、一方が故障したとしてももう一方が機能することができるため、補助電源としても機能する。 Further, power can be received by the
また、電力を受信できるアンテナ5304とは別に、生理信号を送信できるアンテナを有していてもよく、例えば、脈拍、呼吸数、心拍数、体温などの生理信号を外部のモニタ装置で確認できるような心臓活動を監視するシステムを構成してもよい。 In addition to the
図136(B)に示すセンサ5900は、接着パッド等を用いて人体に取り付けられる。センサ5900は、配線5932を介して人体に取り付けられた電極5931等に信号を与えて心拍数、心電図等の生体情報等を取得する。取得された情報は無線信号として、読み取り器等の端末に送信される。 A
図137は、掃除ロボットの一例を示す模式図である。 FIG. 137 is a schematic diagram showing an example of a cleaning robot.
掃除ロボット5100は、上面に配置されたディスプレイ5101、側面に配置された複数のカメラ5102、ブラシ5103、操作ボタン5104を有する。また図示されていないが、掃除ロボット5100の下面には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット5100は、その他に赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなどの各種センサを備えている。また、掃除ロボット5100は、無線による通信手段を備えている。 The
掃除ロボット5100は自走し、ゴミ5120を検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。 The
また、掃除ロボット5100はカメラ5102が撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシ5103に絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシ5103の回転を止めることができる。 Also, the
ディスプレイ5101には、バッテリーの残量や、吸引したゴミの量などを表示することができる。掃除ロボット5100が走行した経路をディスプレイ5101に表示させてもよい。また、ディスプレイ5101をタッチパネルとし、操作ボタン5104をディスプレイ5101に設けてもよい。 The
掃除ロボット5100は、スマートフォンなどの携帯電子機器5140と通信することができる。カメラ5102が撮影した画像は、携帯電子機器5140に表示させることができる。そのため、掃除ロボット5100の持ち主は、外出先からでも、部屋の様子を知ることができる。また、ディスプレイ5101の表示をスマートフォンなどの携帯電子機器5140で確認することもできる。 The
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。 For example, a storage device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can retain control information, control programs, and the like of the above electronic devices for a long period of time. With the use of the semiconductor device of one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be achieved.
また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記AIシステムが組み込まれたICを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、AIシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。 Further, for example, an IC in which the AI system is incorporated can be used in an arithmetic unit of the electronic device described above. Thus, the electronic device described in this embodiment can operate accurately according to the situation with low power consumption by the AI system.
本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with structures described in other embodiments, examples, and the like.
(実施の形態23)
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図138および図139に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。(Embodiment 23)
<Electronic equipment>
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. 138 and 139 illustrate specific examples of electronic devices using the semiconductor device of one embodiment of the present invention.
図138(A)に示すロボット2000は、演算装置2001、センサ2002、ライト2003、リフト2004、駆動部2005、移動機構2011を備えており、移動しながら静止画や動画を撮影することができる。このようなロボットは、警備システムや、監視システムとして用いることができる。 A
ロボット2000は、さらに、通信手段2006、スピーカ2007、マイクロフォン2008、表示部2009、発光部2010などを備えていてもよい。 The
演算装置2001には、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。また、演算装置2001には、本発明の一態様に係るAIシステムが組み込まれたICを用いることができる。センサ2002は、ロボット2000の周囲を撮影する、カメラとしての機能を有する。ライト2003は、センサ2002でロボット2000の周囲を撮影する際のライトとして用いることができる。なお、センサ2002で、静止画を撮影する際には、ライト2003は、フラッシュライトとして機能することが好ましい。センサ2002は、リフト2004を介して、ロボット本体と接続されている。センサ2002の高さは、リフト2004により調整することができる。リフト2004は、伸縮式であることが好ましい。また、リフト2004は、複数のブームにより構成された折り畳み式のものでもよい。また、ロボット2000には、駆動部2005と、駆動部2005に接続された移動機構2011が設けられているため、センサ2002による撮像範囲、すなわち監視範囲が広がり、好ましい。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for the
通信手段2006は、センサ2002により撮像された情報を管理者や、管理者が所有するサーバへ送信することができる。また、センサ2002により撮像された情報を演算装置2001にて解析し、犯罪、事故、火災などの非常事態と判断された場合は、警備会社、警察、消防、医療機関、土地や建物のオーナーへ連絡することができる。スピーカ2007は、犯罪者への警告、怪我人や急病人への問いかけ、避難の誘導など、ロボット周囲に情報の発信を行うことができる。マイクロフォン2008は、ロボット2000の周囲の音声の取得に用いることができる。また、通信手段2006、およびスピーカ2007と合わせて用いることで、ロボット2000は電話としての機能を有することができる。ロボット2000の周囲にいる人は、管理者や任意の人と会話することができる。表示部2009は、任意の情報を表示することができる。非常時の場合は、災害情報や避難経路を表示することができる。また、通信手段2006、スピーカ2007、およびマイクロフォン2008と合わせて用いることで、ロボット2000はテレビ電話としての機能を有することができる。ロボット2000の周囲にいる人は、管理者や任意の人と表示部2009を見ながら会話することができる。 A
発光部2010は、ロボット2000の進行方向や停止状態を文字や光で示すことができる。また、非常事態を示してもよい。 The
図138(B)は、ロボット2000の構成を示すブロック図である。演算装置2001は、センサ2002により得られた映像などの情報から、ライト2003の点灯や消灯、明るさの調整を行う。また、リフト2004の高さの調整、あるいは、駆動部2005の制御を行い、ロボット2000や、センサ2002の位置合わせを行う。また、駆動部2005の動作状況を、発光部2010を用いて示すことができる。また、通信手段2006を用いて、センサ2002やマイクロフォン2008から得られたロボット2000の周囲の情報を管理者、または管理者が所有するサーバに送信することができる。また、演算装置2001や、管理者の判断により、スピーカ2007や表示部2009を用いて、ロボット2000の周囲に情報を発信することができる。 FIG. 138B is a block diagram showing the configuration of
センサ2002に用いるセンサとして、周囲が暗くても撮像が可能なセンサを用いる場合は、ライト2003は設けなくてもよい。このようなセンサとして、受光部にセレン(Se)を用いたイメージセンサを用いることができる。 The light 2003 may not be provided when a sensor capable of capturing an image even in a dark environment is used as the
このようなロボット2000は、商業施設や、オフィスの警備に用いることができる。センサ2002やマイクロフォン2008から得られた情報は、演算装置2001やサーバに保存される。保存された情報は、AIシステムにより解析され、物品の紛失や破損、不審者の侵入、火災などの災害などの異常の有無を判断する。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。異常が発生したと判断した場合、ロボット2000は、管理者への連絡および周囲への情報発信を行い、周囲の状況を記録する。 Such a
また、ロボット2000は、農作物の生育状況の監視に用いてもよい。田んぼや畑に設置されたロボット2000は、センサ2002により、農作物の葉、あるいは実の形、大きさ、色を監視し、病気になっていないか、害虫の付着が無いかを判断する。ロボット2000には、移動機構2011が設けられているため、広範囲の農作物の生育状況を監視することができる。また、ロボット2000には、リフト2004が設けられているため、農作物の種類や、生育状況によらず、任意の高さの葉や実を監視することができる。監視結果は、通信手段2006を用いて生産者に送られ、生産者は、農作物に必要な肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断することができる。また、演算装置2001を用いて、監視結果を、AIシステムにより解析し、農作物に必要な、肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断して、生産者に通知してもよい。監視結果の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。 Also, the
図139(A)は、ロボット3001を用いた、仕分けシステム3000を示す。ロボット3001は、演算装置3002、ブーム3003、およびアーム3004を備えている。また、ロボット3001は有線、または無線の通信手段3011を備えていてもよい。また、仕分けシステム3000は、センサ3009を有する筐体3008を備えている。筐体3008は、通信手段3010を有している。筐体3008は、仕分けシステム3000、または仕分け作業エリアの天井、壁、梁(いずれも図示せず)に設けられる。また、筐体3008は、ロボット3001に設けられていてもよい。例えば、ブーム3003、またはアーム3004に設けられていてもよい。筐体3008がロボット3001に設けられている場合は、センサ3009により得られた情報は、通信手段3010、および通信手段3011を介さず、演算装置3002に送られ、処理されてもよい。 FIG. 139(A) shows a
ブーム3003は、可動式となっており、アーム3004を所望の位置に配置することができる。また、アーム3004は伸縮式としてもよい。所望の物品3007上に配置されたアームを伸ばし、所望の物品3007を掴み、アーム3004を縮めた後、ブーム3003によりアーム3004を移動してもよい。
仕分けシステム3000は、容器3005内の物品3007を容器3006に移動させることができる。容器3005と容器3006は、同一形状でも良いし、異なる形状でもよい。また、一つの容器3005に入れられた複数の物品3007を複数の容器3006に振り分けて移動してもよい。
容器3005、および容器3006として、コンテナ、段ボール箱、商品を梱包する箱、ケース、フィルム、または袋、食品保管用のバット、弁当箱などが用いられる。また、容器3005、および容器3006の少なくとも一方は、鍋やフライパンなどの調理器具でもよい。 As
演算装置3002には、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。また、演算装置3002には、本発明の一態様に係るAIシステムが組み込まれたICを用いることができる。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for the
センサ3009は、容器3005の位置、容器3006の位置、容器3005内、および容器3005内の物品3007の状態を読み取り、通信手段3010を用いて演算装置3002に情報を送信する。情報の送信は無線または、有線で行う。また、通信手段3010を用いずに、有線にて情報を送信してもよい。演算装置3002は、送信された情報の解析を行う。ここで、物品3007の状態とは、形、数、物品3007同士の重なりなどのことを指す。演算装置3002は、センサ3009からの情報をもとに解析を行い、物品3007の詳細情報を導出する。演算装置3002、またはロボット3001と通信可能なサーバに保存されたデータと比較し、物品3007の三次元形状や、堅さ(柔らかさ)を導出する。また、物品3007の三次元形状や堅さ(柔らかさ)から、アーム3004の形状を変えることができる。 The
物品3007の詳細情報を導出するには、AIシステムを用いた解析を利用することができる。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。 Analysis using an AI system can be used to derive detailed information about the
図139(B)は、一対の板3021が水平方向に移動し、物品3007を挟むことができるアームである。一対の板3021が中心に向かって水平方向に移動することで、物品3007を挟むことができる。このようなアームは、物品3007を面で捉えることができ、立方体や直方体など、柱状の形を有する物品3007を掴むのに適している。図139(C)は、複数のバー3022が水平方向に移動し、物品3007を挟むことができるアームである。複数のバー3022が中心に向かって水平方向に移動することで、物品3007を挟むことができる。このようなアームは、物品3007を点で捉えることができ、球状の形を有する物品3007、または物品3007の形が一定でない場合、すなわち不定形な物品3007を掴むのに適している。なお、図139(C)では、バー3022の数を4本としたが、本実施の形態はこれに限らない。バー3022は3本でもよいし、5本以上でも良い。図139(D)は、一対の板3023が、共通の軸を中心に、お互いが近づくように回転することで物品3007を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品3007を面で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品3007を掴むのに適している。図139(E)は、一対のかぎ状の板3024が、共通の軸を中心に、お互いの先端が近づくように回転することで物品3007を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品3007を点、または線で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品3007や、より小さい粒状の形を有する物品3007を掴むのに適している。また、図139(F)に示すように、アームの先端にヘラ3025を取り付け、より小さい粒状の形を有する物品3007をすくってもよい。 FIG. 139(B) shows an arm in which a pair of
図139(A)乃至図139(F)に示すアームは、一例であり、本発明の一態様はこれらの形状に限らない。また、各アームの用途の説明も一例であり、本発明の一態様はこれらの記載に限らない。 The arms illustrated in FIGS. 139A to 139F are examples, and one embodiment of the present invention is not limited to these shapes. Further, the description of the application of each arm is also an example, and one embodiment of the present invention is not limited to these descriptions.
ロボット3001は、演算装置3002からの信号に基づき、ブーム3003を動かし、アーム3004を、容器3005内の所望の物品3007上に移動する。伸縮式のアーム3004の場合、アーム3004を伸ばし、アーム3004の先端を物品3007の高さまで降ろす。アームの先端を動かし、所望の物品3007を掴む。物品3007を掴んだまま、アームを縮める。再びブーム3003を動かし、アーム3004を、容器3006上の所望の位置に移動する。このとき、容器3006に対する物品3007の角度を調整する為、アーム3004を回転してもよい。アーム3004を伸ばし、物品3007を容器3006に配置し、アーム3004は、物品3007を放す。以上の操作を繰り返し行い、ロボット3001は、物品3007を容器3005から容器3006に移動させることができる。
容器3005、および容器3006の位置情報、ならびに物品3007の状態をAIシステムを用いて解析しているため、物品3007の形状や堅さによらず、確実に物品3007を移動することができる。物品3007の例としては、立方体、直方体、または任意の形状の箱またはケースに詰められた物品だけでなく、卵、ハンバーグやコロッケなど、成形された加工食品、ジャガイモやトマトなど、不定形な野菜などの食品、ネジやナットなどの機械部品、紙やフィルムなどの薄膜などが挙げられる。本実施の形態に示した仕分けシステム3000は、物品3007の形状や堅さを考慮してアームの形状を変えることができるため、上記に例示した物品3007を、形状や堅さによらず、容器3005から容器3006に移動させることができる。 Since the position information of the
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。 For example, a storage device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can retain control information, control programs, and the like of the above electronic devices for a long period of time. With the use of the semiconductor device of one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be achieved.
また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記AIシステムが組み込まれたICを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、AIシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。 Further, for example, an IC in which the AI system is incorporated can be used in an arithmetic unit of the electronic device described above. Thus, the electronic device described in this embodiment can operate accurately according to the situation with low power consumption by the AI system.
本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with structures described in other embodiments, examples, and the like.
本実施例では、酸化物上に金属化合物を形成したときの、酸化物のシート抵抗の推移を測定した。シート抵抗測定器には、測定上限が6.0×106Ω/sq.であるものを用いた。酸化物のシート抵抗の推移を図140に示す。シート抵抗の推移の評価に用いたサンプルを以下に説明する。In this example, changes in sheet resistance of an oxide were measured when a metal compound was formed on the oxide. The sheet resistance measuring instrument has a measurement upper limit of 6.0×10 6 Ω/sq. was used. FIG. 140 shows changes in the sheet resistance of the oxide. The samples used for evaluation of changes in sheet resistance are described below.
サンプル1の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素(HCl)雰囲気で熱処理し、基板上に100nmの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて、膜厚5nmの酸化物を形成し、さらに、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、膜厚15nmの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の加熱処理を行う、第1の加熱処理を実施した。サンプル1の酸化物のシート抵抗を測定したところ、オーバーレンジとなり、酸化物のシート抵抗が6.0×106Ω/sq.以上であることがわかった。A method for manufacturing
次に、サンプル2の作製方法について説明する。サンプル1と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第1の加熱処理を行った。第1の加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ti:Al=1:1[原子数比]のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚2nmの金属化合物を形成した。得られた金属化合物は、チタン、アルミニウム、および窒素を含んでおり、TiAlNxと表記することができる。サンプル2の酸化物のシート抵抗を測定したところ、3.8×103Ω/sq.であった。酸化物上に金属化合物を形成することで、酸化物のシート抵抗値が低減した。Next, a method for manufacturing
次に、サンプル3の作製方法について説明する。サンプル2と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第1の加熱処理を行った。第1の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の第2の加熱処理を行った。サンプル3の酸化物のシート抵抗を測定したところ、2.9×103Ω/sq.であった。金属化合物の形成により低減した酸化物のシート抵抗値にほぼ変動は無いが、サンプル2と比較して、サンプル3の酸化物のシート抵抗値は、低減した。Next, a method for manufacturing
次に、サンプル4の作製方法について説明する。サンプル3と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第1の加熱処理を行った。第1の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第2の加熱処理を行った。第2の加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム(Al2O3)を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚20nmの酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成により、酸化物に酸素(過剰酸素)が供給されると考えられる。ここで、酸化物に酸素が供給されることで、酸化物の抵抗値は増加し、I型半導体に近づく場合がある。サンプル4の酸化物のシート抵抗を測定したところ、1.9×103Ω/sq.であった。なお、サンプル4において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成によるシート抵抗値の上昇は見られず、サンプル3と比較して、サンプル4の酸化物のシート抵抗値は、低減した。Next, a method for manufacturing
次に、サンプル5の作製方法について説明する。サンプル4と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第1の加熱処理を行った。第1の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第2の加熱処理を行った。第2の加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の加熱処理を行う、第3の加熱処理を実施した。第3の加熱処理により、酸化アルミニウムに含まれる酸素が酸化物に拡散することが考えられる。サンプル5の酸化物のシート抵抗を測定したところ、1.5×103Ω/sq.であった。なお、サンプル5において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成、および第3の加熱処理によるシート抵抗値の上昇は見られなかった。また、サンプル3、およびサンプル4と比較して、サンプル5の酸化物のシート抵抗値は低減した。Next, a method for manufacturing
本実施例は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with structures described in other embodiments, examples, and the like.
本実施例では、酸化物上に金属化合物が設けられ、該金属化合物上に金属酸化物が設けられた試料の、酸化物中の水素濃度を評価した結果について説明する。水素濃度の評価には、SSDP(Substrate Side Depth Profile)-SIMS分析を用いた。 Example 1 In this example, the results of evaluating the hydrogen concentration in an oxide of a sample in which a metal compound is provided over an oxide and a metal oxide is provided over the metal compound will be described. SSDP (Substrate Side Depth Profile)-SIMS analysis was used to evaluate the hydrogen concentration.
以下に、SSDP-SIMS分析に用いたサンプル6及びサンプル7の作製方法について説明する。 A method for producing
サンプル6の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素(HCl)雰囲気で熱処理し、基板上に100nmの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、膜厚50nmの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の第1の加熱処理を行った。第1の加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ti:Al=1:1[原子数比]のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚2nmの金属化合物を形成した。次に、金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の第2の加熱処理を行った。第2の加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム(Al2O3)を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚20nmの酸化アルミニウムを形成し、サンプル6を得た。A method for manufacturing
次に、サンプル7の作製方法について説明する。サンプル6と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第1の加熱処理を行った。第1の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第2の加熱処理を行った。第2の加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の第3の加熱処理を行った。 Next, a method for manufacturing
以上のようにして作製したサンプル6、およびサンプル7に、SSDP-SIMS分析を行って水素を検出した結果を図141に示す。図141で横軸は深さ(Depth)[nm]をとり、縦軸は水素の濃度(H concentration)[atoms/cm3]をとる。サンプル6の水素濃度を破線で示し、サンプル7の水素濃度を実践で示す。また、本SSDP-SIMS分析における水素濃度のバックグラウンドレベルは、3.8×1018atoms/cm3であり、グラフ中、長破線にて示している。サンプル6、およびサンプル7のSSDP-SIMS分析は、シリコンウェハ側から試料を掘り進めて行った。また、サンプル6、およびサンプル7のSSDP-SIMS分析は、酸化物(図中、IGZOと表記する)を定量して酸化物(IGZO)の水素濃度を換算した。なお、SIMS分析は、アルバック・ファイ社製四重極型質量分析装置(ADEPT1010)を用いた。また、サンプル6、およびサンプル7の検出領域は60μm×60μmとした。FIG. 141 shows the results of detecting hydrogen by performing SSDP-SIMS analysis on
図141に示すように、サンプル6において、酸化物(IGZO)中に水素が検出されている。一方、加熱処理を行ったサンプル7において、酸化物(IGZO)中の水素濃度は低減しており、特に、金属化合物側での水素濃度は、バックグラウンドレベルまで低下している。 As shown in FIG. 141, in
以上より、酸化物上に金属化合物が設けられ、該金属化合物上に金属酸化物が設けられた試料において、加熱処理を行うことで酸化物中の水素濃度が低減した。本評価により、酸化物中の水素は、金属化合物越しに、金属酸化物に引き抜かれていることが示唆された。すなわち、酸化物近傍に、金属酸化物を設けることにより、酸化物中の水素が金属酸化物に引き抜かれることが示唆された。このように、金属酸化物が酸化物中の水素引き抜く現象は、ゲッタリングと呼ぶことができる。 As described above, in the sample in which the metal compound was provided over the oxide and the metal oxide was provided over the metal compound, the hydrogen concentration in the oxide was reduced by heat treatment. This evaluation suggested that the hydrogen in the oxide was extracted by the metal oxide through the metal compound. In other words, it was suggested that hydrogen in the oxide is extracted by the metal oxide by providing the metal oxide in the vicinity of the oxide. Such a phenomenon in which a metal oxide abstracts hydrogen from the oxide can be called gettering.
本実施例は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with structures described in other embodiments, examples, and the like.
本実施例では、本発明の一態様である、図1に示す、金属化合物を有するトランジスタ200Aを作製し(試料1Aとする。)、電気特性を測定した。 Example 1 In this example, a
以下に、試料1Aの作製方法を説明する。 A method for manufacturing Sample 1A will be described below.
まず、p型シリコン単結晶ウエハ上に、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を400nmの膜厚で成膜した。該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、絶縁体210として、酸化アルミニウム膜を40nmの膜厚で成膜した。 First, a silicon oxide film having a thickness of 400 nm was formed on a p-type silicon single crystal wafer by a thermal oxidation method. A 40-nm-thick aluminum oxide film was formed as the
絶縁体210上に、導電体203となる導電膜として、スパッタリング法によって、タングステン膜を150nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該導電膜の一部をエッチングした。該エッチングはドライエッチングを用いた。 As a conductive film to be the
次に、絶縁体212となる絶縁膜として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を350nmの膜厚で成膜した。次に、第1のCMP処理によって、上記導電膜の上面に達するまで、該絶縁膜を研磨し、プラグ電極、および配線層としての機能を有する導電体203、ならびに絶縁体212を形成した。 Next, as an insulating film to be the
次に、絶縁体216として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を160nmの膜厚で成膜した。 Next, as the
絶縁体216上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を35nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。 A tungsten film with a thickness of 35 nm was formed over the
次に、ダマシン法によって、上記ハードマスクを用いて、絶縁体216を加工し、コンタクトホールおよび配線となる溝を形成した。該コンタクトホールおよび該溝に、導電体205の第1の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって、窒化タンタル膜を成膜し、導電体205の第1の導電体となる導電膜上に、導電体205の第2の導電体となる導電膜として、ALD法によって、窒化チタン膜を成膜し、導電体205の第2の導電体となる導電膜上に、導電体205の第3の導電体となる導電膜として、CVD法によって、タングステン膜を成膜した。 Next, the
次に、第2のCMP処理によって、絶縁体216の上面に達するまで、導電体205となる導電膜の一部、ならびに上記ハードマスクを研磨し、上記コンタクトホール内および上記溝に導電体205を埋め込み、プラグ電極、配線層、および第2のゲート電極を形成した。 Next, by a second CMP process, part of the conductive film that will become the
次に、絶縁体220として、酸化窒化シリコン膜を、CVD法によって10nmの膜厚で成膜し、絶縁体222として、酸化ハフニウム膜を、ALD法によって10nmの膜厚で成膜し、絶縁体224として、酸化窒化シリコン膜を、CVD法によって10nmの膜厚で成膜した。絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 Next, as the
次に第1の熱処理を行った。第1の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, a first heat treatment was performed. The first heat treatment was performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen.
次に、酸化膜230Aと酸化膜230Bを、連続成膜した。酸化膜230Aとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を5nmの膜厚で成膜した。酸化膜230Aは、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, an
酸化膜230Bとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を15nmの膜厚で成膜した。酸化膜230Bは、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、アルゴンガス流量40sccm、酸素ガス流量5sccm、圧力0.7Pa、基板温度130℃の条件にて成膜した。 As the
次に第2の熱処理を行った。第2の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 A second heat treatment was then performed. The second heat treatment was performed in an atmosphere containing nitrogen at a temperature of 400° C. for 1 hour, and then in an atmosphere containing oxygen at a temperature of 400° C. for 1 hour.
次に、酸化膜230B上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を10nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。 Next, a tungsten film having a thickness of 10 nm was formed on the
次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、酸化膜230B、および酸化膜230Aの一部を順にエッチングして、酸化物230a、および酸化物230bを形成した。該エッチングはドライエッチング法を用いた。その後、ドライエッチング法を用いて、上記ハードマスクを除去した。 Next, the
次に、酸化膜230Cとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を5nmの膜厚で成膜した。酸化膜230Cは、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, as the
次に、リソグラフィー法によって、酸化膜230Cの一部をエッチングして、酸化物230cを形成した。該エッチングはウエットエッチング法を用いた。 Next, a portion of the
次に、絶縁膜250Aとして、酸化窒化シリコン膜を、CVD法によって10nmの膜厚で成膜した。 Next, as the insulating
次に、金属酸化膜252Aとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を10nmの膜厚で成膜した。金属酸化膜252Aは、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, as the
次に、金属酸化膜252A上に、導電膜260Aとして、スパッタリング法によって、窒化チタン膜を10nmの膜厚で成膜し、導電膜260A上に、導電膜260Bとして、スパッタリング法によって、タングステン膜を30nmの膜厚で成膜した。導電膜260Aと導電膜260Bは、連続成膜した。 Next, a titanium nitride film with a thickness of 10 nm is formed as the
次に、導電膜260B上に、絶縁膜270Aとして、ALD法によって、酸化アルミニウム膜を7nmの膜厚で成膜した。 Next, an aluminum oxide film was formed with a thickness of 7 nm as an insulating
次に、絶縁膜270A上に、絶縁膜271Aとして、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を100nmの膜厚で成膜した。 Next, a silicon oxynitride film was formed with a thickness of 100 nm as an insulating
次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜271A、絶縁膜270A、導電膜260B、および導電膜260Aの一部を順にエッチングして、絶縁体271、絶縁体270、および導電体260(導電体260b、および導電体260a)を形成した。絶縁膜271A、絶縁膜270A、導電膜260B、および導電膜260Aのエッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, the insulating
次に、リソグラフィー法によって、金属酸化膜252Aの一部をエッチングして、金属酸化物252を形成した。金属酸化膜252Aのエッチングはウエットエッチング法を用いた。金属酸化物252、および導電体260は、第1のゲート電極としての機能を有する。 Next, a portion of the
次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜250Aの一部をエッチングして、第1のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体250を形成した。絶縁膜250Aのエッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, part of the insulating
次に、絶縁膜275Aとして、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を15nmの膜厚で成膜した。 Next, as the insulating
次に、絶縁膜275Aの一部をエッチングして、絶縁体275を形成した。絶縁膜275Aのエッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, an
次に、膜242Aとして、スパッタリング法によって、チタン、アルミニウム、および窒素を含む金属化合物(TiAlNxと表記する。)を2nmの膜厚で成膜した。TiAlNxは、Ti:Al=1:1[原子数比]のターゲットを用いて、アルゴンガス流量41sccm、窒素ガス流量9sccm、圧力0.4Pa、基板温度は室温の条件にて成膜した。 Next, as the
次に第3の熱処理を行い、層242を形成した。第3の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 A third heat treatment was then performed to form
次に、絶縁体273として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量25sccm、酸素ガス流量25sccm、圧力0.4Pa、基板温度250℃の条件にて10nmの膜厚で成膜した。 Next, as the
次に、第4の熱処理を行った。第4の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, a fourth heat treatment was performed. The fourth heat treatment was performed in an atmosphere containing nitrogen at a temperature of 400° C. for 1 hour, and then in an atmosphere containing oxygen at a temperature of 400° C. for 1 hour.
次に、絶縁体274として、CVD法によって、窒化シリコン膜をシラン(SiH4)ガス流量5sccm、窒素ガス流量125sccm、基板温度300℃の条件にて40nmの膜厚で成膜した。Next, as the
次に、絶縁体280として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を470nmの膜厚で成膜した。次に、第3のCMP処理を行い、絶縁体280を研磨し、絶縁体280の表面を平坦化した。 Next, as the
次に、絶縁体280上に、絶縁体282として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量25sccm、酸素ガス流量25sccm、圧力0.4Pa、基板温度250℃の条件にて40nmの膜厚で成膜した。 Next, an aluminum oxide film was formed as an
次に第5の熱処理を行った。第5の熱処理は、酸素を含む雰囲気にて温度350℃、1時間の処理を行った。 Next, a fifth heat treatment was performed. The fifth heat treatment was performed at a temperature of 350° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.
次に、絶縁体284として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を150nmの膜厚で成膜した。 Next, as an
次に、絶縁体284上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を90nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。 Next, a tungsten film with a thickness of 90 nm was formed over the
次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、導電体205または導電体203に達するコンタクトホール、導電体260に達するコンタクトホール、および酸化物230bに達するコンタクトホールを形成した。 Next, a contact hole reaching the
次に、導電体240の第1の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、スパッタリング法によって10nmの膜厚で成膜し、導電体240の第2の導電体となる導電膜として、窒化チタン膜を、ALD法によって20nmの膜厚で成膜し、導電体240の第3の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、CVD法によって250nmの膜厚で成膜した。 Next, as a conductive film to be the first conductor of the
次に、第4のCMP処理を行い、導電体240となる導電膜、および上記ハードマスクを、絶縁体284に達するまで研磨を行い、各コンタクトホール内に導電体240が埋め込まれたプラグを形成した。 Next, a fourth CMP process is performed to polish the conductive film to be the
次に、スパッタリング法によって、第1のチタン膜を20nmの膜厚で、第1の窒化チタン膜を30nmの膜厚で、アルミニウム膜を100nmの膜厚で、第2のチタン膜を5nmの膜厚で、第2の窒化チタン膜を45nmの膜厚で、連続成膜した。 Next, a first titanium film with a thickness of 20 nm, a first titanium nitride film with a thickness of 30 nm, an aluminum film with a thickness of 100 nm, and a second titanium film with a thickness of 5 nm are formed by a sputtering method. A second titanium nitride film was continuously formed to a thickness of 45 nm.
次に、リソグラフィー法によって、第1のチタン膜、第2の窒化チタン膜、アルミニウム膜、第2のチタン膜および第2の窒化チタン膜を加工し、配線層を形成した。 Next, the first titanium film, the second titanium nitride film, the aluminum film, the second titanium film and the second titanium nitride film were processed by lithography to form a wiring layer.
次に、塗布法によって、感光性ポリイミド膜を1.6μmの膜厚で形成し、リソグラフィー法によって、測定端子(測定パッド)となる部分の感光性ポリイミド膜を除去した。 Next, a photosensitive polyimide film having a thickness of 1.6 μm was formed by a coating method, and portions of the photosensitive polyimide film that would become measurement terminals (measurement pads) were removed by a lithography method.
最後に該感光性ポリイミド膜に温度300℃で1時間の熱処理を行った。 Finally, the photosensitive polyimide film was heat-treated at 300° C. for 1 hour.
以上により、試料1Aを作製した。 The sample 1A was produced by the above.
次に、試料1Aの電気特性を測定した。ソース-ドレイン間電圧(以下、ドレイン電圧Vdという。)を0.1V、1.2Vとし、ソース-ゲート間電圧(以下、ゲート電圧Vgという。)を-3.3Vから+3.3Vまで変化させたときのソース-ドレイン間電流(以下、ドレイン電流Idという。)の変化を測定した。すなわちId-Vg特性を測定した。ゲート電圧Vgとは、第1のゲート電極(トップゲート電極)の電圧を示しており以降も同様とする。本測定においては、第2のゲート電極(バックゲート電極)の電圧は0Vに設定した。また、本測定においては試料1AのトランジスタのId-Vg特性を測定した。図142に試料1AのId-Vg特性を示す。 Next, the electrical properties of Sample 1A were measured. Source-drain voltage (hereinafter referred to as drain voltage Vd) was set to 0.1V and 1.2V, and source-gate voltage (hereinafter referred to as gate voltage Vg) was varied from -3.3V to +3.3V. A change in the source-drain current (hereinafter referred to as drain current Id) was measured. That is, the Id-Vg characteristics were measured. The gate voltage Vg indicates the voltage of the first gate electrode (top gate electrode), and the same applies hereinafter. In this measurement, the voltage of the second gate electrode (back gate electrode) was set to 0V. In addition, in this measurement, the Id-Vg characteristics of the transistor of Sample 1A were measured. FIG. 142 shows the Id-Vg characteristics of Sample 1A.
試料1Aは、トランジスタ特性を得ることがわかった。よって、先の実施の形態で示すように、トランジスタに金属化合物を設けることで、良好な電気特性を有する半導体装置を作製することができる。 Sample 1A was found to have transistor characteristics. Therefore, by providing a transistor with a metal compound as described in the above embodiment mode, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be manufactured.
本実施例は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with structures described in other embodiments, examples, and the like.
本実施例では、本発明の一態様である、図1に示す、金属化合物を有するトランジスタ200Aを作製し(試料2Aとする。)、電気特性を測定した。 Example 1 In this example, a
以下に、試料2Aの作製方法を説明する。 A method for manufacturing Sample 2A is described below.
まず、p型シリコン単結晶ウエハ上に、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を400nmの膜厚で成膜した。該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、絶縁体210として、酸化アルミニウム膜を40nmの膜厚で成膜した。 First, a silicon oxide film having a thickness of 400 nm was formed on a p-type silicon single crystal wafer by a thermal oxidation method. A 40-nm-thick aluminum oxide film was formed as the
絶縁体210上に、導電体203となる導電膜として、スパッタリング法によって、タングステン膜を150nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該導電膜の一部をエッチングした。該エッチングはドライエッチングを用いた。 As a conductive film to be the
次に、絶縁体210および上記導電膜上に、絶縁体212となる絶縁膜として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を350nmの膜厚で成膜した。次に、第1のCMP処理によって、上記導電膜の上面に達するまで、該絶縁膜を研磨し、プラグ電極、配線層、および第2のゲート電極としての機能を有する導電体203、ならびに絶縁体212を形成した。 Next, as an insulating film to be the
次に、絶縁体220として、酸化窒化シリコン膜を、CVD法によって10nmの膜厚で成膜し、絶縁体222として、酸化ハフニウム膜を、ALD法によって10nmの膜厚で成膜し、絶縁体224として、酸化窒化シリコン膜を、CVD法によって10nmの膜厚で成膜した。絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 Next, as the
次に第1の熱処理を行った。第1の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 Next, a first heat treatment was performed. The first heat treatment was performed at a temperature of 400° C. for 1 hour in an atmosphere containing nitrogen.
次に、酸化膜230Aと酸化膜230Bを、連続成膜した。酸化膜230Aとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を5nmの膜厚で成膜した。酸化膜230Aは、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, an
酸化膜230Bとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を15nmの膜厚で成膜した。酸化膜230Bは、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、アルゴンガス流量40sccm、酸素ガス流量5sccm、圧力0.7Pa、基板温度130℃の条件にて成膜した。 As the
次に第2の熱処理を行った。第2の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度400℃、1時間の処理を行った。 A second heat treatment was then performed. The second heat treatment was performed in an atmosphere containing nitrogen at a temperature of 400° C. for 1 hour, and then in an atmosphere containing oxygen at a temperature of 400° C. for 1 hour.
次に、酸化膜230B上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を10nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。 Next, a tungsten film having a thickness of 10 nm was formed on the
次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、酸化膜230B、および酸化膜230Aの一部を順にエッチングして、酸化物230a、および酸化物230bを形成した。該エッチングはドライエッチング法を用いた。その後、ドライエッチング法を用いて、上記ハードマスクを除去した。 Next, the
次に、酸化膜230Cとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を5nmの膜厚で成膜した。酸化膜230Cは、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, as the
次に、リソグラフィー法によって、酸化膜230Cの一部をエッチングして、酸化物230cを形成した。該エッチングはウエットエッチング法を用いた。 Next, a portion of the
次に、絶縁膜250Aとして、酸化窒化シリコン膜を、CVD法によって10nmの膜厚で成膜した。 Next, as the insulating
次に、金属酸化膜252Aとして、スパッタリング法によって、In-Ga-Zn酸化物を10nmの膜厚で成膜した。金属酸化膜252Aは、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、酸素ガス流量45sccm、圧力0.7Pa、基板温度200℃の条件にて成膜した。 Next, as the
次に、金属酸化膜252A上に、導電膜260Aとして、スパッタリング法によって、窒化チタン膜を10nmの膜厚で成膜し、導電膜260A上に、導電膜260Bとして、スパッタリング法によって、タングステン膜を30nmの膜厚で成膜した。導電膜260Aと導電膜260Bは、連続成膜した。 Next, a titanium nitride film with a thickness of 10 nm is formed as the
次に、導電膜260B上に、絶縁膜270Aとして、ALD法によって、酸化アルミニウム膜を7nmの膜厚で成膜した。 Next, an aluminum oxide film was formed with a thickness of 7 nm as an insulating
次に、絶縁膜270A上に、絶縁膜271Aとして、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を100nmの膜厚で成膜した。 Next, a silicon oxynitride film was formed with a thickness of 100 nm as an insulating
次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜271A、絶縁膜270A、導電膜260B、および導電膜260Aの一部を順にエッチングして、絶縁体271、絶縁体270、および導電体260(導電体260b、および導電体260a)を形成した。絶縁膜271A、絶縁膜270A、導電膜260B、および導電膜260Aのエッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, the insulating
次に、リソグラフィー法によって、金属酸化膜252Aの一部をエッチングして、金属酸化物252を形成した。金属酸化膜252Aのエッチングはウエットエッチング法を用いた。金属酸化物252、および導電体260は、第1のゲート電極としての機能を有する。 Next, a portion of the
次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜250Aの一部をエッチングして、第1のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体250を形成した。絶縁膜250Aのエッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, part of the insulating
次に、絶縁膜275Aとして、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を15nmの膜厚で成膜した。 Next, as the insulating
次に、絶縁膜275Aの一部をエッチングして、絶縁体275を形成した。絶縁膜275Aのエッチングはドライエッチング法を用いた。 Next, an
次に、膜242Aとして、スパッタリング法によって、アルミニウム膜を2nmの膜厚で成膜した。膜242Aは、AIのターゲットを用いて、アルゴンガス流量50sccm、圧力0.4Pa、基板温度は室温の条件にて成膜した。 Next, as the
次に第3の熱処理を行い、層242を形成した。第3の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度350℃、1時間の処理を行った。 A third heat treatment was then performed to form
次に、ウエットエッチング法を用いて、層242を除去した。
次に、絶縁体273として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量25sccm、酸素ガス流量25sccm、圧力0.4Pa、基板温度250℃の条件にて10nmの膜厚で成膜した。 Next, as the
次に、第4の熱処理を行った。第4の熱処理は、酸素を含む雰囲気にて温度350℃、1時間の処理を行った。 Next, a fourth heat treatment was performed. The fourth heat treatment was performed at a temperature of 350° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.
次に、絶縁体274として、CVD法によって、窒化シリコン膜をシラン(SiH4)ガス流量5sccm、窒素ガス流量125sccm、基板温度300℃の条件にて40nmの膜厚で成膜した。Next, as the
次に、絶縁体280として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を470nmの膜厚で成膜した。次に、第2のCMP処理を行い、絶縁体280を研磨し、絶縁体280の表面を平坦化した。 Next, as the
次に、絶縁体280上に、絶縁体282として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量25sccm、酸素ガス流量25sccm、圧力0.4Pa、基板温度250℃の条件にて40nmの膜厚で成膜した。 Next, an aluminum oxide film was formed as an
次に第5の熱処理を行った。第5の熱処理は、酸素を含む雰囲気にて温度350℃、1時間の処理を行った。 Next, a fifth heat treatment was performed. The fifth heat treatment was performed at a temperature of 350° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.
次に、絶縁体284として、CVD法によって、酸化窒化シリコン膜を150nmの膜厚で成膜した。 Next, as an
次に、絶縁体284上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を90nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。 Next, a tungsten film with a thickness of 90 nm was formed over the
次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、導電体203に達するコンタクトホール、導電体260に達するコンタクトホール、および酸化物230bに達するコンタクトホールを形成した。 Next, a contact hole reaching the
次に、導電体240の第1の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、スパッタリング法によって10nmの膜厚で成膜し、導電体240の第2の導電体となる導電膜として、窒化チタン膜を、ALD法によって20nmの膜厚で成膜し、導電体240の第3の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、CVD法によって250nmの膜厚で成膜した。 Next, as a conductive film to be the first conductor of the
次に、第3のCMP処理を行い、導電体240となる導電膜、および上記ハードマスクを、絶縁体284に達するまで研磨を行い、各コンタクトホール内に導電体240が埋め込まれたプラグを形成した。 Next, a third CMP process is performed to polish the conductive film to be the
次に、スパッタリング法によって、第1のチタン膜を20nmの膜厚で、第1の窒化チタン膜を30nmの膜厚で、アルミニウム膜を100nmの膜厚で、第2のチタン膜を5nmの膜厚で、第2の窒化チタン膜を45nmの膜厚で、連続成膜した。 Next, a first titanium film with a thickness of 20 nm, a first titanium nitride film with a thickness of 30 nm, an aluminum film with a thickness of 100 nm, and a second titanium film with a thickness of 5 nm are formed by a sputtering method. A second titanium nitride film was continuously formed to a thickness of 45 nm.
次に、リソグラフィー法によって、第1のチタン膜、第1の窒化チタン膜、アルミニウム膜、第2のチタン膜および第2の窒化チタン膜を加工し、配線層を形成した。 Next, the first titanium film, the first titanium nitride film, the aluminum film, the second titanium film and the second titanium nitride film were processed by lithography to form a wiring layer.
次に、塗布法によって、感光性ポリイミド膜を1.6μmの膜厚で形成し、リソグラフィー法によって、測定端子(測定パッド)となる部分の感光性ポリイミド膜を除去した。 Next, a photosensitive polyimide film having a thickness of 1.6 μm was formed by a coating method, and portions of the photosensitive polyimide film that would become measurement terminals (measurement pads) were removed by a lithography method.
最後に該感光性ポリイミド膜に温度300℃で1時間の熱処理を行った。 Finally, the photosensitive polyimide film was heat-treated at 300° C. for 1 hour.
以上により、試料2Aを作製した。 Sample 2A was produced in the above manner.
次に、試料2Aの電気特性を測定した。ソース-ドレイン間電圧(以下、ドレイン電圧Vdという。)を0.1V、1.2Vとし、ソース-ゲート間電圧(以下、ゲート電圧Vgという。)を-3.3Vから+3.3Vまで変化させたときのソース-ドレイン間電流(以下、ドレイン電流Idという。)の変化を測定した。すなわちId-Vg特性を測定した。ゲート電圧Vgとは、第1のゲート電極(トップゲート電極)の電圧を示しており以降も同様とする。本測定においては、第2のゲート電極(バックゲート電極)の電圧は0Vに設定した。また、本測定においては試料2AのトランジスタのId-Vg特性を測定した。図143に試料2AのId-Vg特性を示す。 Next, the electrical properties of sample 2A were measured. Source-drain voltage (hereinafter referred to as drain voltage Vd) was set to 0.1V and 1.2V, and source-gate voltage (hereinafter referred to as gate voltage Vg) was varied from -3.3V to +3.3V. A change in the source-drain current (hereinafter referred to as drain current Id) was measured. That is, the Id-Vg characteristics were measured. The gate voltage Vg indicates the voltage of the first gate electrode (top gate electrode), and the same applies hereinafter. In this measurement, the voltage of the second gate electrode (back gate electrode) was set to 0V. Further, in this measurement, the Id-Vg characteristics of the transistor of Sample 2A were measured. FIG. 143 shows the Id-Vg characteristics of Sample 2A.
試料2Aは、トランジスタ特性を得ることがわかった。よって、先の実施の形態で示すように、トランジスタに金属化合物を設けることで、良好な電気特性を有する半導体装置を作製することができる。 Sample 2A was found to have transistor characteristics. Therefore, by providing a transistor with a metal compound as described in the above embodiment mode, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be manufactured.
本実施例は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with structures described in other embodiments, examples, and the like.
100:容量素子、100a:容量素子、100b:容量素子、110:導電体、112:導電体、120:導電体、120a:導電体、120b:導電体、130:絶縁体、150:絶縁体、200:トランジスタ、200a:トランジスタ、200A:トランジスタ、200b:トランジスタ、200B:トランジスタ、200C:トランジスタ、200D:トランジスタ、200E:トランジスタ、200F:トランジスタ、200G:トランジスタ、200H:トランジスタ、203:導電体、203a:導電体、203b:導電体、205:導電体、205a:導電体、205b:導電体、207:導電体、210:絶縁体、212:絶縁体、214:絶縁体、216:絶縁体、218:導電体、220:絶縁体、222:絶縁体、224:絶縁体、224A:絶縁膜、230:酸化物、230a:酸化物、230A:酸化膜、230b:酸化物、230B:酸化膜、230c:酸化物、230C:酸化膜、231:領域、231a:領域、231b:領域、232:領域、232a:領域、232b:領域、234:領域、239:領域、240:導電体、240a:導電体、240b:導電体、240c:導電体、242:層、242A:膜、242B:絶縁体、246:導電体、248:導電体、250:絶縁体、250A:絶縁膜、252:金属酸化物、252A:金属酸化膜、260:導電体、260a:導電体、260A:導電膜、260b:導電体、260B:導電膜、270:絶縁体、270A:絶縁膜、271:絶縁体、271A:絶縁膜、272:絶縁体、272A:絶縁膜、273:絶縁体、273A:絶縁膜、274:絶縁体、275:絶縁体、275A:絶縁膜、276:絶縁体、276a:絶縁体、276b:絶縁体、277:絶縁体、277A:絶縁膜、278:絶縁体、280:絶縁体、282:絶縁体、284:絶縁体、286:絶縁体、300:トランジスタ、311:基板、313:半導体領域、314a:低抵抗領域、314b:低抵抗領域、315:絶縁体、316:導電体、320:絶縁体、322:絶縁体、324:絶縁体、326:絶縁体、328:導電体、330:導電体、350:絶縁体、352:絶縁体、354:絶縁体、356:導電体、360:絶縁体、362:絶縁体、364:絶縁体、366:導電体、370:絶縁体、372:絶縁体、374:絶縁体、376:導電体、380:絶縁体、382:絶縁体、384:絶縁体、386:導電体、400:トランジスタ、403:導電体、405:導電体、424:絶縁体、430c:酸化物、431a:酸化物、431b:酸化物、432a:酸化物、432b:酸化物、450:絶縁体、452:金属酸化物、460:導電体、460a:導電体、460b:導電体、470:絶縁体、471:絶縁体、472:絶縁体、473:絶縁体、475:絶縁体、477:絶縁体、500:開口部、600:セル、600a:セル、600b:セル、610:回路、620:回路、650a:メモリセル、650b:メモリセル、1001:配線、1002:配線、1003:配線、1004:配線、1005:配線、1006:配線、1007:配線、1008:配線、1009:配線、1010:配線、1400:DOSRAM、1405:コントローラ、1410:行回路、1411:デコーダ、1412:ワード線ドライバ回路、1413:列セレクタ、1414:センスアンプドライバ回路、1415:列回路、1416:グローバルセンスアンプアレイ、1417:入出力回路、1420:MC-SAアレイ、1422:メモリセルアレイ、1423:センスアンプアレイ、1425:ローカルメモリセルアレイ、1426:ローカルセンスアンプアレイ、1444:スイッチアレイ、1445:メモリセル、1445a:メモリセル、1445b:メモリセル、1446:センスアンプ、1447:グローバルセンスアンプ、1600:NOSRAM、1610:メモリセルアレイ、1611:メモリセル、1612:メモリセル、1613:メモリセル、1614:メモリセル、1615:メモリセル、1615a:メモリセル、1615b:メモリセル、1640:コントローラ、1650:行ドライバ、1651:行デコーダ、1652:ワード線ドライバ、1660:列ドライバ、1661:列デコーダ、1662:ドライバ、1663:DAC、1670:出力ドライバ、1671:セレクタ、1672:ADC、1673:出力バッファ、2000:ロボット、2001:演算装置、2002:センサ、2003:ライト、2004:リフト、2005:駆動部、2006:通信手段、2007:スピーカ、2008:マイクロフォン、2009:表示部、2010:発光部、2011:移動機構、2100:ロボット、2101:照度センサ、2102:マイクロフォン、2103:上部カメラ、2104:スピーカ、2105:ディスプレイ、2106:下部カメラ、2107:障害物センサ、2108:移動機構、2110:演算装置、2120:飛行体、2121:演算装置、2122:カメラ、2123:プロペラ、2130:携帯電子機器、2131:携帯型マイクロフォン、2980:自動車、2981:カメラ、3000:システム、3001:ロボット、3002:演算装置、3003:ブーム、3004:アーム、3005:容器、3006:容器、3007:物品、3008:筐体、3009:センサ、3010:通信手段、3011:通信手段、3021:板、3022:バー、3023:板、3024:板、3025:ヘラ、3110:OS-FPGA、3111:コントローラ、3112:ワードドライバ、3113:データドライバ、3115:プログラマブルエリア、3117:IOB、3119:コア、3120:LAB、3121:PLE、3123:LUTブロック、3124:レジスタブロック、3125:セレクタ、3126:CM、3127:パワースイッチ、3128:CM、3130:SAB、3131:SB、3133:PRS、3135:CM、3137:メモリ回路、3137B:メモリ回路、3140:OS-FF、3141:FF、3142:シャドウレジスタ、3143:メモリ回路、3143B:メモリ回路、3188:インバータ回路、3189:インバータ回路、4010:演算部、4011:アナログ演算回路、4012:DOSRAM、4013:NOSRAM、4014:FPGA、4020:制部、4021:CPU、4022:GPU、4023:PLL、4025:PROM、4026:メモリコントローラ、4027:電源回路、4028:PMU、4030:入出力部、4031:外部記憶制御回路、4032:音声コーデック、4033:映像コーデック、4034:汎用入出力モジュール、4035:通信モジュール、4041:AIシステム、4041_n:AIシステム、4041_1:AIシステム、4041A:AIシステム、4041B:AIシステム、4098:バス線、4099:ネットワーク、5100:掃除ロボット、5101:ディスプレイ、5102:カメラ、5103:ブラシ、5104:操作ボタン、5120:ゴミ、5140:携帯電子機器、5300:ペースメーカ本体、5301a:バッテリー、5301b:バッテリー、5302:ワイヤ、5303:ワイヤ、5304:アンテナ、5305:鎖骨下静脈、5306:上大静脈、5900:センサ、5931:電極、5932:配線、7000:AIシステムIC、7001:リード、7002:プリント基板、7003:回路部、7004:実装基板、7031:Siトランジスタ層、7032:配線層、7033:OSトランジスタ層 100: capacitive element, 100a: capacitive element, 100b: capacitive element, 110: conductor, 112: conductor, 120: conductor, 120a: conductor, 120b: conductor, 130: insulator, 150: insulator, 200: Transistor, 200a: Transistor, 200A: Transistor, 200b: Transistor, 200B: Transistor, 200C: Transistor, 200D: Transistor, 200E: Transistor, 200F: Transistor, 200G: Transistor, 200H: Transistor, 203: Conductor, 203a : Conductor 203b: Conductor 205: Conductor 205a: Conductor 205b: Conductor 207: Conductor 210: Insulator 212: Insulator 214: Insulator 216: Insulator 218 : Conductor, 220: Insulator, 222: Insulator, 224: Insulator, 224A: Insulating film, 230: Oxide, 230a: Oxide, 230A: Oxide film, 230b: Oxide, 230B: Oxide film, 230c : oxide 230C: oxide film 231: region 231a: region 231b: region 232: region 232a: region 232b: region 234: region 239: region 240: conductor 240a: conductor , 240b: Conductor, 240c: Conductor, 242: Layer, 242A: Film, 242B: Insulator, 246: Conductor, 248: Conductor, 250: Insulator, 250A: Insulating film, 252: Metal oxide, 252A: Metal oxide film, 260: Conductor, 260a: Conductor, 260A: Conductive film, 260b: Conductor, 260B: Conductive film, 270: Insulator, 270A: Insulating film, 271: Insulator, 271A: Insulating film , 272: Insulator, 272A: Insulating film, 273: Insulator, 273A: Insulating film, 274: Insulator, 275: Insulator, 275A: Insulating film, 276: Insulator, 276a: Insulator, 276b: Insulator , 277: Insulator, 277A: Insulating film, 278: Insulator, 280: Insulator, 282: Insulator, 284: Insulator, 286: Insulator, 300: Transistor, 311: Substrate, 313: Semiconductor region, 314a : low resistance region 314b: low resistance region 315: insulator 316: conductor 320: insulator 322: insulator 324: insulator 326: insulator 328: conductor 330: conductor , 350: Insulator, 352: Insulator, 354: Insulator, 356: Conductor, 360: Insulator, 362: Insulator, 364: Insulator, 366: Conductor, 370: Insulator, 372: Insulator , 37 4: insulator, 376: conductor, 380: insulator, 382: insulator, 384: insulator, 386: conductor, 400: transistor, 403: conductor, 405: conductor, 424: insulator, 430c : oxide, 431a: oxide, 431b: oxide, 432a: oxide, 432b: oxide, 450: insulator, 452: metal oxide, 460: conductor, 460a: conductor, 460b: conductor, 470: Insulator, 471: Insulator, 472: Insulator, 473: Insulator, 475: Insulator, 477: Insulator, 500: Opening, 600: Cell, 600a: Cell, 600b: Cell, 610: Circuit , 620: circuit, 650a: memory cell, 650b: memory cell, 1001: wiring, 1002: wiring, 1003: wiring, 1004: wiring, 1005: wiring, 1006: wiring, 1007: wiring, 1008: wiring, 1009: wiring , 1010: wiring, 1400: DOSRAM, 1405: controller, 1410: row circuit, 1411: decoder, 1412: word line driver circuit, 1413: column selector, 1414: sense amplifier driver circuit, 1415: column circuit, 1416: global sense amplifier array, 1417: input/output circuit, 1420: MC-SA array, 1422: memory cell array, 1423: sense amplifier array, 1425: local memory cell array, 1426: local sense amplifier array, 1444: switch array, 1445: memory cell, 1445a: memory cell, 1445b: memory cell, 1446: sense amplifier, 1447: global sense amplifier, 1600: NOSRAM, 1610: memory cell array, 1611: memory cell, 1612: memory cell, 1613: memory cell, 1614: memory cell, 1615: memory cell, 1615a: memory cell, 1615b: memory cell, 1640: controller, 1650: row driver, 1651: row decoder, 1652: word line driver, 1660: column driver, 1661: column decoder, 1662: driver, 1663 : DAC, 1670: Output driver, 1671: Selector, 1672: ADC, 1673: Output buffer, 2000: Robot, 2001: Arithmetic device, 2002: Sensor, 2003: Light, 2004: Lift, 2005: Actuator, 2006: Communication means, 2007: speaker, 2008: microphone, 2009: display unit, 2010: light emitting unit, 2011: transfer Movement mechanism 2100: Robot 2101: Illuminance sensor 2102: Microphone 2103: Upper camera 2104: Speaker 2105: Display 2106: Lower camera 2107: Obstacle sensor 2108: Movement mechanism 2110: Computing device 2120: Flying object, 2121: Computing device, 2122: Camera, 2123: Propeller, 2130: Portable electronic device, 2131: Portable microphone, 2980: Automobile, 2981: Camera, 3000: System, 3001: Robot, 3002: Computing device , 3003: boom, 3004: arm, 3005: container, 3006: container, 3007: article, 3008: housing, 3009: sensor, 3010: communication means, 3011: communication means, 3021: plate, 3022: bar, 3023: Board 3024: Board 3025: Spatula 3110: OS-FPGA 3111: Controller 3112: Word driver 3113: Data driver 3115: Programmable area 3117: IOB 3119: Core 3120: LAB 3121: PLE , 3123: LUT block, 3124: register block, 3125: selector, 3126: CM, 3127: power switch, 3128: CM, 3130: SAB, 3131: SB, 3133: PRS, 3135: CM, 3137: memory circuit, 3137B : memory circuit, 3140: OS-FF, 3141: FF, 3142: shadow register, 3143: memory circuit, 3143B: memory circuit, 3188: inverter circuit, 3189: inverter circuit, 4010: arithmetic unit, 4011: analog arithmetic circuit, 4012: DOSRAM; 4013: NOSRAM; 4014: FPGA; Output unit 4031: External storage control circuit 4032: Audio codec 4033: Video codec 4034: General-purpose input/output module 4035: Communication module 4041: AI system 4041_n: AI system 4041_1: AI system 4041A: AI System, 4041B: AI system, 4098: Bus line, 4099: Network, 5100: Cleaning robot, 5101: Display, 5102: Camera, 5103: Brush, 5104: Operation button 5120: Garbage 5140: Portable electronic device 5300: Pacemaker body 5301a: Battery 5301b: Battery 5302: Wire 5303: Wire 5304: Antenna 5305: Subclavian vein 5306: Superior vena cava 5900: Sensor, 5931: Electrode, 5932: Wiring, 7000: AI system IC, 7001: Lead, 7002: Printed board, 7003: Circuit part, 7004: Mounting board, 7031: Si transistor layer, 7032: Wiring layer, 7033: OS transistor layer
Claims (3)
前記トランジスタは、
第1の絶縁層上の第1の金属酸化物層と、
前記第1の金属酸化物層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の金属酸化物層と、
前記第2の金属酸化物層上の第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第3の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の側面、前記第2の金属酸化物層の側面、前記第1の導電層の側面及び前記第3の絶縁層の側面の各々と接する領域を有する、第4の絶縁層と、
金属元素を有する層と、を有し、
前記第1の金属酸化物層は、第1の層と、前記第1の層上の第2の層と、前記第2の層上の第3の層と、を有する積層構造を有し、
前記トランジスタのチャネル長方向における断面視において、前記第3の層の端部は、前記第2の層上に位置し、
前記第4の絶縁層は、前記第3の層の側面に接する領域と、前記第2の層の上面に接する領域と、を有し、
前記トランジスタのチャネル長方向における断面視において、前記第2の絶縁層の端部は、前記第2の層上に位置し、
前記第1の導電層は、前記第2の金属酸化物層及び前記第2の絶縁層を介して、前記第1乃至前記第3の層の各々と重なり、
前記金属元素を有する層は、前記第4の絶縁層に接する領域と、前記第2の層の上面に接する領域と、を有し、
前記第1の金属酸化物層は、
前記第2の絶縁層と重なる前記チャネル形成領域と、前記第4の絶縁層と重なる第1の領域と、前記金属元素を有する層と重なり、且つ、前記第1の領域に接する第2の領域と、を有し、
前記第2の領域は、前記チャネル形成領域及び前記第1の領域よりも酸素濃度が低く、
前記第1の領域は、前記チャネル形成領域よりも酸素濃度が低く、
前記配線は、前記第2の領域と電気的に接続される、半導体装置。 A semiconductor device having a transistor having a metal oxide in a channel formation region and wiring,
The transistor is
a first metal oxide layer on the first insulating layer;
a second insulating layer on the first metal oxide layer;
a second metal oxide layer on the second insulating layer;
a first conductive layer on the second metal oxide layer;
a third insulating layer on the first conductive layer;
A fourth insulation having regions in contact with each of a side surface of the second insulation layer, a side surface of the second metal oxide layer, a side surface of the first conductive layer , and a side surface of the third insulation layer. layer and
a layer containing a metal element,
the first metal oxide layer has a laminated structure having a first layer, a second layer on the first layer, and a third layer on the second layer;
In a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor, an end portion of the third layer is positioned on the second layer,
the fourth insulating layer has a region in contact with the side surface of the third layer and a region in contact with the top surface of the second layer;
In a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor, an end portion of the second insulating layer is positioned on the second layer ,
the first conductive layer overlaps with each of the first to third layers via the second metal oxide layer and the second insulating layer ;
the layer containing the metal element has a region in contact with the fourth insulating layer and a region in contact with the upper surface of the second layer ;
The first metal oxide layer is
The channel formation region overlapping with the second insulating layer, a first region overlapping with the fourth insulating layer, and a second region overlapping with the layer containing the metal element and in contact with the first region. and
the second region has a lower oxygen concentration than the channel forming region and the first region;
the first region has a lower oxygen concentration than the channel forming region;
The semiconductor device, wherein the wiring is electrically connected to the second region.
前記トランジスタは、
第1の絶縁層上の第1の金属酸化物層と、
前記第1の金属酸化物層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の金属酸化物層と、
前記第2の金属酸化物層上の第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第3の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の側面、前記第2の金属酸化物層の側面、前記第1の導電層の側面及び前記第3の絶縁層の側面の各々と接する領域を有する、第4の絶縁層と、
金属元素を有する層と、を有し、
前記第1の金属酸化物層は、第1の層と、前記第1の層上の第2の層と、前記第2の層上の第3の層と、を有する積層構造を有し、
前記トランジスタのチャネル長方向における断面視において、前記第3の層の端部は、前記第2の層上に位置し、
前記第4の絶縁層は、前記第3の層の側面に接する領域と、前記第2の層の上面に接する領域と、を有し、
前記トランジスタのチャネル長方向における断面視において、前記第2の絶縁層の端部は、前記第2の層上に位置し、
前記第1の導電層は、前記第2の金属酸化物層及び前記第2の絶縁層を介して、前記第1乃至前記第3の層の各々と重なり、
前記金属元素を有する層は、前記第4の絶縁層に接する領域と、前記第2の層の上面に接する領域と、を有し、
前記第2の金属酸化物層は、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又はマグネシウムから選ばれた少なくとも一種を有し、
前記第1の金属酸化物層は、
前記第2の絶縁層と重なる前記チャネル形成領域と、前記第4の絶縁層と重なる第1の領域と、前記金属元素を有する層と重なり、且つ、前記第1の領域に接する第2の領域と、を有し、
前記第2の領域は、前記チャネル形成領域及び前記第1の領域よりも酸素濃度が低く、
前記第1の領域は、前記チャネル形成領域よりも酸素濃度が低く、
前記配線は、前記第2の領域と電気的に接続される、半導体装置。 A semiconductor device having a transistor having a metal oxide in a channel formation region and wiring,
The transistor is
a first metal oxide layer on the first insulating layer;
a second insulating layer on the first metal oxide layer;
a second metal oxide layer on the second insulating layer;
a first conductive layer on the second metal oxide layer;
a third insulating layer on the first conductive layer;
A fourth insulation having regions in contact with each of a side surface of the second insulation layer, a side surface of the second metal oxide layer, a side surface of the first conductive layer , and a side surface of the third insulation layer. layer and
a layer containing a metal element,
the first metal oxide layer has a laminated structure having a first layer, a second layer on the first layer, and a third layer on the second layer;
In a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor, an end portion of the third layer is positioned on the second layer,
the fourth insulating layer has a region in contact with the side surface of the third layer and a region in contact with the top surface of the second layer;
In a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor, an end portion of the second insulating layer is positioned on the second layer ,
the first conductive layer overlaps with each of the first to third layers via the second metal oxide layer and the second insulating layer ;
the layer containing the metal element has a region in contact with the fourth insulating layer and a region in contact with the upper surface of the second layer ;
The second metal oxide layer has at least one selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium,
The first metal oxide layer is
The channel formation region overlapping with the second insulating layer, a first region overlapping with the fourth insulating layer, and a second region overlapping with the layer containing the metal element and in contact with the first region. and
the second region has a lower oxygen concentration than the channel forming region and the first region;
the first region has a lower oxygen concentration than the channel forming region;
The semiconductor device, wherein the wiring is electrically connected to the second region.
前記第4の絶縁層は、
前記第2の絶縁層の側面、前記第2の金属酸化物層の側面、前記第1の導電層の側面、前記第3の絶縁層の側面、前記第3の層の側面及び前記第2の層の上面の各々に接する領域を有する第3の層と、
前記第3の層上の第4の層と、を有し、
前記第4の層は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む、半導体装置。
In claim 1 or 2,
The fourth insulating layer is
The side surface of the second insulating layer, the side surface of the second metal oxide layer, the side surface of the first conductive layer, the side surface of the third insulating layer, the side surface of the third layer , and the second a third layer having regions contacting each of the top surfaces of the layer ;
a fourth layer on the third layer;
The semiconductor device, wherein the fourth layer contains more oxygen than a stoichiometric composition.
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