JP7268027B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成とその特性について説明する。
以下では、先の実施の形態に示す半導体装置の具体的な構成の一例について、図2乃至図19を用いて説明する。
図2(A)、図2(B)、および図2(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、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。トランジスタ200は、先の実施の形態に示すトランジスタ20に対応している。
図2に示すように、トランジスタ200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の上および導電体205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、酸化物230c、および酸化物230d)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、酸化物230bの上面と接する導電体242aおよび導電体242bと、導電体242aの上に配置された絶縁体244aと、導電体242bの上に配置された絶縁体244bと、絶縁体244aの上に配置された酸化物絶縁体280aと、絶縁体244bの上に配置された酸化物絶縁体280bと、酸化物絶縁体280a、酸化物絶縁体280b、および導電体260を覆って配置された絶縁体274と、を有する。ここで、図2(A)(B)に示すように、導電体260、絶縁体250、酸化物230c、および酸化物230dの一部が、酸化物絶縁体280aの一部、および酸化物絶縁体280bの一部と重畳する。
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。
トランジスタ200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、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、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。
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。
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、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。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。
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。
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。
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。
次に、図2に示す、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図4乃至図12を用いて説明する。また、図4乃至図12において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)に示す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200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200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。
以下では、図13乃至図19を用いて、先の<半導体装置の構成例>で示したものとは異なる、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。
図13に示すトランジスタ200は、絶縁体244および酸化物絶縁体280が、絶縁体224、酸化物230a、酸化物230b、および導電体242を覆って設けられている点において、図2に示すトランジスタ200と異なる。図13では、絶縁体244が、導電体242aの上面および側面と、導電体242bの上面および側面と、酸化物230bの側面に接して設けられる。また、酸化物絶縁体280が絶縁体244の上面に接して設けられる。
図18に示すトランジスタ200は、酸化物絶縁体280の上面が平坦化されている点において、図13に示すトランジスタ200と異なる。図18(B)に示すように、酸化物絶縁体280の膜厚が、酸化物230bと重畳する領域では、酸化物230bと重畳しない領域より薄くなる。酸化物絶縁体280の上面を平坦化することで、絶縁体274の被覆性を良好にし、酸化物絶縁体280と絶縁体281をより確実に離隔することができる。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図20を用いて説明する。
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置(記憶装置)の一例を図20に示す。本発明の一態様の半導体装置は、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。なお、本実施の形態に係る半導体装置は、例えば、CPU(Central Processing Unit)またはGPU(Graphics Processing Unit)に代表されるロジック回路、あるいはDRAM(Dynamic Random Access Memory)またはNVM(Non-Volatile Memory)に代表されるメモリ回路に適用することができる。
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体316、ゲート絶縁体として機能する絶縁体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。トランジスタ300は、pチャネル型、またはnチャネル型のいずれでもよい。
容量素子100は、トランジスタ200の上方に設けられる。容量素子100は、第1の電極として機能する導電体110、第2の電極として機能する導電体120、および誘電体として機能する絶縁体130を有する。
各構造体の間には、層間膜、配線、プラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、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。
なお、トランジスタ200に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
本実施の形態では、図21および図22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場合がある)、および容量素子が適用されている記憶装置(以下、OSメモリ装置と呼ぶ場合がある)について説明する。OSメモリ装置は、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記憶装置である。OSトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、OSメモリ装置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。
図21(A)にOSメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置1400は、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470を有する。周辺回路1411は、行回路1420、列回路1430、出力回路1440、およびコントロールロジック回路1460を有する。
図22(A)乃至(C)に、DRAMのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、1OSトランジスタ1容量素子型のメモリセルを用いたDRAMを、DOSRAMと呼ぶ場合がある。図22(A)に示す、メモリセル1471は、トランジスタM1と、容量素子CAと、を有する。なお、トランジスタM1は、ゲート(トップゲートと呼ぶ場合がある)、及びバックゲートを有する。
図22(D)乃至(G)に、2トランジスタ1容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図22(D)に示す、メモリセル1474は、トランジスタM2と、トランジスタM3と、容量素子CBと、を有する。なお、トランジスタM2は、トップゲート(単にゲートと呼ぶ場合がある)、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタM2にOSトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM)と呼ぶ場合がある。
本実施の形態では、図23を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ1200の一例を示す。チップ1200には、複数の回路(システム)が実装されている。このように、複数の回路(システム)を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ(System on Chip:SoC)と呼ぶ場合がある。
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図24にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
本発明の一態様に係る半導体装置は、CPUやGPUなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図25に、本発明の一態様に係るCPUやGPUなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
本発明の一態様に係るGPU又はチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
図25(A)には、情報端末の一種である携帯電話(スマートフォン)が図示されている。情報端末5500は、筐体5510と、表示部5511と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部5511に備えられ、ボタンが筐体5510に備えられている。
図25(B)には、デスクトップ型情報端末5300が図示されている。デスクトップ型情報端末5300は、情報端末の本体5301と、ディスプレイ5302と、キーボード5303と、を有する。
図25(C)は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫5800を示している。電気冷凍冷蔵庫5800は、筐体5801、冷蔵室用扉5802、冷凍室用扉5803等を有する。
図25(D)は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機5200を示している。携帯ゲーム機は、筐体5201、表示部5202、ボタン5203等を有する。
本発明の一態様のGPU又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
本発明の一態様のGPU又はチップは、放送システムに適用することができる。
Claims (8)
- 第1および第2の酸化物と、第1乃至第3の絶縁体と、第1乃至第3の導電体と、第1および第2の酸化物絶縁体と、を有し、
前記第1の導電体は、前記第1の酸化物の上に配置され、
前記第2の導電体および前記第3の導電体は、前記第1の導電体を挟んで、前記第1の酸化物の上に配置され、
前記第1の酸化物絶縁体は、前記第2の導電体の上に配置され、
前記第2の酸化物絶縁体は、前記第3の導電体の上に配置され、
前記第2の酸化物は、前記第1の酸化物絶縁体の側面、前記第2の酸化物絶縁体の側面、および前記第1の酸化物の上面に接して配置され、
前記第1の絶縁体は、前記第1の導電体と前記第2の酸化物の間に配置され、
前記第2の絶縁体は、前記第2の導電体と前記第1の酸化物絶縁体の間に配置され、
前記第3の絶縁体は、前記第3の導電体と前記第2の酸化物絶縁体の間に配置され、
前記第1の酸化物絶縁体および前記第2の酸化物絶縁体は、前記第1乃至前記第3の導電体、前記第1の絶縁体、および前記第1の酸化物と、接しない、半導体装置。 - 第1および第2の酸化物と、第1乃至第4の絶縁体と、第1乃至第3の導電体と、第1および第2の酸化物絶縁体と、を有し、
前記第1の導電体は、前記第1の酸化物の上に配置され、
前記第2の導電体および前記第3の導電体は、前記第1の導電体を挟んで、前記第1の酸化物の上に配置され、
前記第1の酸化物絶縁体は、前記第2の導電体の上に配置され、
前記第2の酸化物絶縁体は、前記第3の導電体の上に配置され、
前記第2の酸化物は、前記第1の酸化物絶縁体の側面、前記第2の酸化物絶縁体の側面、および前記第1の酸化物の上面に接して配置され、
前記第1の絶縁体は、前記第1の導電体と前記第2の酸化物の間に配置され、
前記第1の導電体は、前記第1の酸化物絶縁体と重なる領域と、前記第2の酸化物絶縁体と重なる領域と、を有し、
前記第1の絶縁体は、前記第1の酸化物絶縁体と重なる領域と、前記第2の酸化物絶縁体と重なる領域と、を有し、
前記第2の酸化物は、前記第1の酸化物絶縁体と重なる領域と、前記第2の酸化物絶縁体と重なる領域と、を有し、
前記第2の絶縁体は、前記第2の導電体と前記第1の酸化物絶縁体の間に配置され、
前記第3の絶縁体は、前記第3の導電体と前記第2の酸化物絶縁体の間に配置され、
前記第4の絶縁体は、前記第1の酸化物絶縁体、前記第2の酸化物絶縁体、および前記第1の導電体を覆って配置され、
前記第1の酸化物絶縁体は、前記第2の絶縁体、前記第2の酸化物、および前記第4の絶縁体によって、前記第1の導電体、前記第2の導電体、前記第1の絶縁体、および前記第1の酸化物と、離隔され、
前記第2の酸化物絶縁体は、前記第3の絶縁体、前記第2の酸化物、および前記第4の絶縁体によって、前記第1の導電体、前記第3の導電体、前記第1の絶縁体、および前記第1の酸化物と、離隔される、半導体装置。 - 第1および第2の酸化物と、第1乃至第4の絶縁体と、第1乃至第3の導電体と、第1および第2の酸化物絶縁体と、を有し、
前記第1の導電体は、前記第1の酸化物の上に配置され、
前記第2の導電体および前記第3の導電体は、前記第1の導電体を挟んで、前記第1の酸化物の上に配置され、
前記第1の酸化物絶縁体は、前記第2の導電体の上に配置され、
前記第2の酸化物絶縁体は、前記第3の導電体の上に配置され、
前記第2の酸化物は、前記第1の酸化物絶縁体の側面、前記第2の酸化物絶縁体の側面、および前記第1の酸化物の上面に接して配置され、
前記第1の絶縁体は、前記第1の導電体と前記第2の酸化物の間に配置され、
前記第1の導電体は、前記第1の酸化物絶縁体と重なる領域と、前記第2の酸化物絶縁体と重なる領域と、を有し、
前記第1の絶縁体は、前記第1の酸化物絶縁体と重なる領域と、前記第2の酸化物絶縁体と重なる領域と、を有し、
前記第2の酸化物は、前記第1の酸化物絶縁体と重なる領域と、前記第2の酸化物絶縁体と重なる領域と、を有し、
前記第4の絶縁体は、前記第2の導電体の側面と、前記第1の酸化物の側面に接して配置され、
前記第4の絶縁体は、前記第3の導電体の側面と、前記第1の酸化物の側面に接して配置され、
前記第4の絶縁体は、前記第1の酸化物絶縁体、前記第2の酸化物絶縁体、および前記第1の導電体の上に配置され、
前記第1の酸化物絶縁体は、前記第2の絶縁体、前記第2の酸化物、および前記第4の絶縁体によって、前記第1の導電体、前記第2の導電体、前記第1の絶縁体、および前記第1の酸化物と、離隔され、
前記第2の酸化物絶縁体は、前記第3の絶縁体、前記第2の酸化物、および前記第4の絶縁体によって、前記第1の導電体、前記第3の導電体、前記第1の絶縁体、および前記第1の酸化物と、離隔される、半導体装置。 - 請求項2または請求項3において、
前記第4の絶縁体は、前記第1の酸化物絶縁体の上面および前記第2の酸化物絶縁体の上面に接する、半導体装置。 - 請求項2または請求項3において、
前記第4の絶縁体は、アルミニウムを含む酸化物である、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第1の酸化物、および前記第2の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有する、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
さらに、前記第1の酸化物の下に第3の酸化物が設けられ、
前記第3の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、
前記第3の酸化物における元素Mに対するInの原子数比は、前記第1の酸化物における元素Mに対するInの原子数比より小さい、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
さらに、前記第2の酸化物と前記第1の絶縁体の間に第4の酸化物が設けられ、
前記第4の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、
前記第4の酸化物における元素Mに対するInの原子数比は、前記第2の酸化物における元素Mに対するInの原子数比より小さい、半導体装置。
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