JP7372388B2 - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、半導体装置、ならびに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 a semiconductor device. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor wafer, a module, and an electronic device.
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得る装
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 in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. Semiconductor elements such as transistors, semiconductor circuits, arithmetic devices, and storage devices are examples of semiconductor devices. Display devices (liquid crystal display devices, light emitting display devices, etc.), projection devices, lighting devices, electro-optical devices, power storage devices, storage devices, semiconductor circuits, imaging devices, electronic equipment, etc. may be said to have semiconductor devices. .
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 present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter.
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。酸化物半導体としては、例え
ば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化
物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In-Ga-Zn酸化物(以下
、IGZOとも呼ぶ。)に関する研究が盛んに行われている。
Although silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, oxide semiconductors are attracting attention as other materials. As oxide semiconductors, not only oxides of single-component metals such as indium oxide and zinc oxide, but also oxides of multi-component metals are known. Among multi-element metal oxides, research on In--Ga--Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO) has been actively conducted.
IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、C
AAC(c-axis aligned crystalline)構造およびnc(n
anocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3参照
。)。非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用い
てトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造
よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4お
よび非特許文献5に示されている。
Research on IGZO has revealed that C is neither single crystal nor amorphous in oxide semiconductors.
AAC (c-axis aligned crystalline) structure and nc (n
anocrystalline) structure was found (see Non-Patent
さらに、IGZOを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち(非
特許文献6参照。)、その特性を利用したLSIおよびディスプレイが報告されている(
非特許文献7および非特許文献8参照。)。
Furthermore, transistors using IGZO as an active layer have an extremely low off-state current (see Non-Patent Document 6), and LSIs and displays that utilize this property have been reported (
See Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8. ).
本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。
または、本発明の一態様は、高い周波数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。または、本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課
題の一つとする。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。または、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。または、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。
An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a large on-state current.
Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having high frequency characteristics. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with good reliability. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Alternatively, 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 that can retain data for a long period of time. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can write information at a 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 suppress power consumption. 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。
Note that the description of these issues does not preclude the existence of other issues. Note that one embodiment of the present invention does not need to solve all of these problems. In addition, problems other than these will become obvious from the description, drawings, claims, etc.
It is possible to extract problems other than these from the drawings, claims, etc.
本発明の一態様は、1の酸化物と、第1の酸化物上の第2の酸化物と、第1の酸化物、
および第2の酸化物を覆う、第3の酸化物と、第3の酸化物を覆う、第1の絶縁体と、第
1の絶縁体上に配置され、第1乃至第3の酸化物と重畳する、導電体と、第1の絶縁体の
上面、および導電体の側面と接する第2の絶縁体と、第2の絶縁体の上面、および導電体
の側面と接する第3の絶縁体と、導電体の上面、および第3の絶縁体の上面と接する第4
の絶縁体と、を有し、第2の酸化物は、第1の領域、第2の領域、第1の領域と第2の間
に位置する第3の領域、第1の領域と第3の領域の間に位置する第4の領域、および第2
の領域と第3の領域の間に位置する第5の領域を有し、第1の領域、および第2の領域の
抵抗は、第3の領域の抵抗より低く、第4の領域、および第5の領域の抵抗は、第3の領
域の抵抗より低く、かつ第1の領域、および第2の領域の抵抗より高く、導電体は、第3
の領域、第4の領域、および第5の領域と重畳するように、第3の領域、第4の領域、お
よび第5の領域の上方に設けられる、半導体装置である。
One embodiment of the present invention includes a first oxide, a second oxide on the first oxide, a first oxide,
and a third oxide that covers the second oxide; a first insulator that covers the third oxide; and a first to third oxide that is disposed on the first insulator; The conductor, the second insulator in contact with the top surface of the first insulator and the side surface of the conductor, and the third insulator in contact with the top surface of the second insulator and the side surface of the conductor, which overlap with each other. , the upper surface of the conductor, and the fourth insulator that is in contact with the upper surface of the third insulator.
an insulator, and the second oxide has a first region, a second region, a third region located between the first region and the second region, and a third region located between the first region and the third region. a fourth region located between the regions;
has a fifth region located between the region and the third region, the resistance of the first region and the second region is lower than the resistance of the third region, The resistance of the region No. 5 is lower than the resistance of the third region and higher than the resistance of the first region and the second region.
The semiconductor device is provided above the third region, the fourth region, and the fifth region so as to overlap with the region, the fourth region, and the fifth region.
上記において、導電体は、第1の領域および第2の領域の少なくとも一部と重畳する、
ことが好ましい。また、上記において、さらに、第1の絶縁体と第2の絶縁体の間に第5
の絶縁体を有し、第5の絶縁体は、導電体の側面に接する、ことが好ましい。
In the above, the conductor overlaps at least a portion of the first region and the second region,
It is preferable. Further, in the above, a fifth insulator is further provided between the first insulator and the second insulator.
The fifth insulator is preferably in contact with the side surface of the conductor.
上記において、第1の領域、第2の領域、第4の領域、および第5の領域は、リン、お
よびホウ素の一方を含む、ことが好ましい。また、上記において、第1の領域および第2
の領域は、第4の領域および第5の領域よりも、リン、またはホウ素を多く含む、ことが
好ましい。また、第1の領域、第2の領域、第4の領域、および第5の領域は、第3の領
域よりも、酸素欠損を多く有する、ことが好ましい。また、第1の領域、第2の領域、第
4の領域、および第5の領域は、第3の領域よりも、水素を多く有する、ことが好ましい
。
In the above, it is preferable that the first region, the second region, the fourth region, and the fifth region contain one of phosphorus and boron. In addition, in the above, the first region and the second region
Preferably, the region contains more phosphorus or boron than the fourth region and the fifth region. Further, it is preferable that the first region, the second region, the fourth region, and the fifth region have more oxygen vacancies than the third region. Further, it is preferable that the first region, the second region, the fourth region, and the fifth region contain more hydrogen than the third region.
また、本発明の他の一態様は、第1の酸化物、および第1の酸化物上の第2の酸化物を
形成し、第1の酸化物、および第2の酸化物を覆って第3の酸化物を成膜し、第3の酸化
物を覆って第1の絶縁膜を成膜し、第1の絶縁膜の上に、第2の酸化物を重畳して第1の
ダミーゲートを形成し、第1のダミーゲートをマスクとして、第2の酸化物に第1のドー
パントを添加し、第1のダミーゲートの一部を除去して第2のダミーゲートを形成し、第
2の酸化物の一部を、当該第2のダミーゲートから露出させ、第2のダミーゲートをマス
クとして、第2の酸化物に第2のドーパントを添加し、第1の絶縁膜、および第2のダミ
ーゲートを覆って、第2の絶縁膜を成膜し、第2の絶縁膜の上に第3の絶縁膜を成膜し、
第2の絶縁膜および第3の絶縁膜の一部を、第2のダミーゲートの上部が露出するまで除
去し、第2のダミーゲート、および第2の絶縁膜の一部を除去して、開口を形成し、開口
の中に埋め込むように、導電膜を成膜し、導電膜の一部を、第3の絶縁膜の上部が露出す
るまで除去する、半導体装置の作製方法である。
Further, in another embodiment of the present invention, a first oxide and a second oxide are formed on the first oxide, and a second oxide is formed to cover the first oxide and the second oxide. A first insulating film is formed covering the third oxide, and a second oxide is superimposed on the first insulating film to form a first dummy gate. a first dopant is added to the second oxide using the first dummy gate as a mask, a portion of the first dummy gate is removed to form a second dummy gate, and a second dummy gate is formed. A part of the oxide is exposed from the second dummy gate, a second dopant is added to the second oxide using the second dummy gate as a mask, and the first insulating film and the second dopant are added to the second oxide. forming a second insulating film to cover the dummy gate; forming a third insulating film on the second insulating film;
removing part of the second insulating film and the third insulating film until the upper part of the second dummy gate is exposed; removing part of the second dummy gate and the second insulating film; This is a method for manufacturing a semiconductor device in which an opening is formed, a conductive film is deposited to fill the opening, and a portion of the conductive film is removed until the top of a third insulating film is exposed.
また、上記において、第1のドーパント、および第2のドーパントとして、リンまたは
ホウ素を用いる、ことが好ましい。また、上記において、第1のドーパントの添加量は、
および第2のドーパントの添加量より多い、ことが好ましい。また、上記において、第1
のドーパントの添加、および第2のドーパントの添加は、イオン注入法、またはイオンド
ーピング法が用いられる、ことが好ましい。また、上記において、第1のダミーゲートは
、炭素を含むことが好ましい。また、上記において、第2のダミーゲートの形成は、酸素
ラジカルを用いたアッシング処理によって行われる、ことが好ましい。
Further, in the above, it is preferable to use phosphorus or boron as the first dopant and the second dopant. Furthermore, in the above, the amount of the first dopant added is:
The amount of the second dopant added is preferably larger than that of the second dopant. In addition, in the above, the first
It is preferable that an ion implantation method or an ion doping method be used for the addition of the dopant and the addition of the second dopant. Further, in the above, the first dummy gate preferably contains carbon. Further, in the above, the formation of the second dummy gate is preferably performed by an ashing process using oxygen radicals.
本発明の一態様により、オン電流が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、高い周波数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、信頼性が良好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、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、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、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 a large on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having high frequency characteristics 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 having good electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly productive semiconductor device 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、データ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 that can retain data for a long period of time can be provided. Alternatively, a semiconductor device with high data writing speed can be provided. Alternatively, a semiconductor device with a high degree of freedom in design can be provided. Alternatively, a semiconductor device that can reduce power consumption can be provided. Alternatively, a new 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. Note that effects other than these will become obvious from the description, drawings, claims, etc., and effects other than these can be extracted from the description, drawings, claims, etc. It 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。ただし、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. However, those skilled in the art will readily understand that the embodiments can be implemented in many different ways and that the form and details thereof can be changed in various ways without departing from the spirit and scope thereof. Ru. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the contents described in 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。
Additionally, in the drawings, the size, layer thickness, or region may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. Note that the drawings schematically show ideal examples and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. for example,
In actual manufacturing processes, layers, resist masks, etc. may be unintentionally reduced due to treatments such as etching, but they are sometimes omitted for ease of understanding. Also,
In the drawings, the same reference numerals are used for the same parts or parts having similar functions in different drawings, and repeated description thereof may be omitted. Furthermore, when referring to similar functions, the same hatch pattern may be used and no particular reference numeral 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。
Further, in order to facilitate understanding of the invention, particularly in top views (also referred to as "plan views") and perspective views, descriptions of some components may be omitted. In addition, some hidden lines may be omitted.
また、本明細書等において、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。
Further, in this specification and the like, ordinal numbers such as 1st, 2nd, etc. are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. Therefore, for example, "first" can be replaced with "second".
It can be explained by replacing it with "no" or "third" as appropriate. Furthermore, 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。
Furthermore, in this specification and the like, words indicating placement such as "above" and "below" are used for convenience in order to explain the positional relationship between structures with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the structures changes as appropriate depending on the direction in which each structure is depicted. Therefore, the words and phrases are not limited to those explained in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.
例えば、本明細書等において、XとYとが直接的に接続されている場合と、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, etc., when X and Y are directly connected, and when it is explicitly stated that X and Y are connected, A case where X and Y are functionally connected and a case where X and Y are functionally connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, the present invention is not limited to predetermined connection relationships, for example, connection relationships shown in the diagrams or text, and connection relationships other than those shown in the diagrams or text are also described in the diagrams or 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 (e.g., devices, elements, circuits, wiring, electrodes, terminals, conductive films,
layer, etc.).
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。
Furthermore, the functions of the source and drain may be interchanged when transistors with different polarities are used, or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain may be used interchangeably.
なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成さ
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 in this specification and the like, depending on the structure of the transistor, the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter also referred to as "effective channel width") and the channel width shown in the top view of the transistor (Hereinafter, also referred to as "apparent channel width."
) and may be different. For example, when a gate electrode covers the side surface of a semiconductor, the effective channel width becomes larger than the apparent channel width, and the effect thereof may become impossible to ignore. For example, in a transistor whose gate electrode is minute and covers the side surface of the semiconductor, a large proportion of the channel formation region is formed on the side surface of the semiconductor. In that case, the effective channel width becomes 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 cases, it may be difficult to estimate the effective channel width through actual measurements. 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, if the shape of the semiconductor is not accurately known, it is difficult to accurately measure the effective channel width.
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、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。
In this specification, when simply described as channel width, it may refer to the apparent channel width. Alternatively, in this specification, when simply described as channel width, it may refer to effective channel width. Note that the values of the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, etc. can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image 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 the term "impurity of a semiconductor" refers to, for example, something other than the main components constituting the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic % can be considered an impurity. For example, due to the inclusion of impurities,
In some cases, the DOS (Density of States) of the semiconductor increases or the crystallinity decreases. When the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of impurities that change the properties of the semiconductor include
These include hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. In the case of oxide semiconductors, water may also function as an impurity. Further, in the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed due to, for example, mixing of impurities. Further, when the semiconductor is silicon, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include oxygen,
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、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。また、窒化酸化シリコンとは、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。
Note that in this specification and the like, silicon oxynitride has a composition that contains more oxygen than nitrogen. Furthermore, silicon nitride oxide has a composition containing more nitrogen than oxygen.
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。
Further, in this specification and the like, the term "insulator" can be replaced with an insulating film or an insulating layer. Further, the term "conductor" can be translated as a conductive film or a conductive layer. Further, the term "semiconductor" can be translated as a semiconductor film or a semiconductor layer.
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が-10度以上10度以下の角
度で配置されている状態をいう。したがって、-5度以上5度以下の場合も含まれる。ま
た、「概略平行」とは、二つの直線が-30度以上30度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度以上100度以下の角度で配置され
ている状態をいう。したがって、85度以上95度以下の場合も含まれる。また、「概略
垂直」とは、二つの直線が60度以上120度以下の角度で配置されている状態をいう。
Furthermore, in this specification and the like, "parallel" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10 degrees or more and 10 degrees or less. Therefore, cases where the temperature is -5 degrees or more and 5 degrees or less are also included. Furthermore, "substantially parallel" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30 degrees or more and 30 degrees or less. Moreover, "perpendicular" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 degrees or more and 100 degrees or less. Therefore, cases where the angle is greater than or equal to 85 degrees and less than or equal to 95 degrees are also included. Moreover, "substantially perpendicular" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 degrees or more and 120 degrees or less.
なお、本明細書において、バリア膜とは、水、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、当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。
Note that in this specification, a barrier film is a film that has the function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen, and oxygen, and when the barrier film has conductivity, it is referred to as a conductive barrier film. I may call you.
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、トランジスタの半導体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, metal oxide refers to a metal oxide in a broad sense. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors or simply OS), and the like. For example, when a metal oxide is used for a semiconductor layer of a transistor, the metal oxide is sometimes called an oxide semiconductor. In other words, OS FET or OS
When described as a transistor, it can 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、ゲートに電位を印加しない、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 addition, in this specification, etc., normally-off means that when no potential is applied to the gate or when a ground potential is applied to the gate, the current per 1 μm of channel width flowing through the transistor is 1×10 -20 at room temperature. Below A means below 1×10 −18 A at 85°C, or below 1×10 −16 A 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200を有する半導体装置の具体的な構
成の一例について、図1乃至図19を用いて説明する。
(Embodiment 1)
An example of a specific structure of a semiconductor device including a
<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。
<Example of configuration of semiconductor device>
1(A), FIG. 1(B), FIG. 1(C), and FIG. 1(D) are a top view and a cross-sectional view of a
図1(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図1(
B)、および図1(C)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200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200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。また
、図2は、図1(B)における酸化物230bおよびその近傍の拡大図である。
FIG. 1A is a top view of a semiconductor device including a
B) and FIG. 1C are cross-sectional views of the semiconductor device. Here, FIG. 1B is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed line A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the
[トランジスタ200]
図1に示すように、トランジスタ200は、基板(図示しない。)の上に配置された酸
化物230aと、酸化物230aの上に配置された酸化物230bと、酸化物230a、
および酸化物230bを覆う、酸化物230cと、酸化物230cを覆う、絶縁体250
と、酸化物230bおよび酸化物230cに、互いに離隔して形成された層253a、お
よび層253bと、層253aと層253bの間に、互いに離隔して形成された層252
a、および層252bと、絶縁体250上に配置され、酸化物230a乃至酸化物230
cと重畳する、導電体260と、絶縁体250の上面、および導電体260の側面と接す
る絶縁体266と、絶縁体266の上面、および導電体260の側面と接し、層253a
と層253bの間に重畳して開口263が形成された絶縁体280と、を有する。ここで
、図1(B)(C)に示すように、導電体260の上面は、絶縁体280の上面と略一致
することが好ましい。
[Transistor 200]
As shown in FIG. 1, the
and an
, a
a, and a
The
and an
なお、以下において、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cをまと
めて酸化物230という場合がある。また、層252aおよび層252bをまとめて層2
52という場合がある。また、層253aおよび層253bをまとめて層253という場
合がある。
Note that in the following, the
52 in some cases. Further, the
なお、トランジスタ200では、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。)と、その近傍において、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物2
30c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、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230
cのそれぞれが2層以上の積層構造を有していてもよい。また、トランジスタ200では
、導電体260を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものでは
ない。例えば、導電体260が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であっ
てもよい。
Note that in the
Although a configuration in which three layers of 30c are laminated is shown, the present invention is not limited to this. For example, a two-layer structure of the
Each of c may have a laminated structure of two or more layers. Further, in the
例えば、酸化物230cが第1の酸化物と、第1の酸化物上の第2の酸化物からなる積
層構造を有する場合、第1の酸化物は、酸化物230bと同様の組成を有し、第2の酸化
物は、酸化物230aと同様の組成を有することが好ましい。
For example, when the
ここで、導電体260は、トランジスタのゲート電極として機能し、層252aおよび
層253a、ならびに層252bおよび層253bは、それぞれソース領域またはドレイ
ン領域として機能する。上記のように、導電体260は、絶縁体280、絶縁体266の
開口263、および層253aと層253bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成さ
れる。ここで、導電体260、層252a、層252b、層253aおよび層253bの
配置は、開口263に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ200に
おいて、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させること
ができる。よって、導電体260を位置合わせのマージンを設けることなく形成すること
ができるので、トランジスタ200の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、
半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
Here, the
It is possible to achieve miniaturization and high integration of semiconductor devices.
また、図1に示すように、導電体260は、開口263の内側に設けられた導電体26
0aと、導電体260aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体260bと、を有
することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 1, the
It is preferable to have a conductor 0a and a
また、トランジスタ200は、基板(図示しない。)の上に配置された絶縁体214と
、絶縁体214の上に配置された絶縁体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と導電体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、を有することが好ましい。絶縁体22
4の上に酸化物230aが配置されることが好ましい。
The
Preferably, an
また、トランジスタ200の上に、層間膜として機能する絶縁体274、および絶縁体
281が配置されることが好ましい。ここで、絶縁体274は、導電体260、および絶
縁体280の上面に接して配置されることが好ましい。
Further, it is preferable that an
絶縁体222、絶縁体266、および絶縁体274は、水素(例えば、水素原子、水素
分子など)の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体222、絶縁
体266、および絶縁体274は、絶縁体224、絶縁体250、および絶縁体280よ
り水素透過性が低いことが好ましい。また、絶縁体222、絶縁体266、および絶縁体
274は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の拡散を抑制する機能を有すること
が好ましい。例えば、絶縁体222、絶縁体266、および絶縁体274は、絶縁体22
4、絶縁体250、および絶縁体280より酸素透過性が低いことが好ましい。
The
4. It is preferable that the oxygen permeability is lower than that of the
ここで、絶縁体224、酸化物230a、酸化物230b、および絶縁体250は、絶
縁体280および絶縁体281から、絶縁体266、酸化物230c、および絶縁体27
4によって離隔されている。ゆえに、絶縁体280および絶縁体281に含まれる水素な
どの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体224、酸化物230a、酸化物230b、および
絶縁体250に、混入するのを抑制することができる。
Here,
separated by 4. Therefore, impurities such as hydrogen contained in the
また、図1(B)(D)に示すように、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)が設けられるこ
とが好ましい。なお、プラグとして機能する導電体240の側面に接して絶縁体241(
絶縁体241a、および絶縁体241b)が設けられる。つまり、絶縁体266、絶縁体
280、絶縁体274、および絶縁体281の開口の内壁に接して絶縁体241が設けら
れる。また、絶縁体241の側面に接して導電体240の第1の導電体が設けられ、さら
に内側に導電体240の第2の導電体が設けられる構成にしてもよい。ここで、導電体2
40の上面の高さと、絶縁体281の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ
200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24
0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。
Further, as shown in FIGS. 1B and 1D, a conductor 240 (a
An
The height of the top surface of the insulator 40 and the height of the top surface of the
0 may be provided as a single layer or a laminated structure of three or more layers. When the structure has a laminated structure, an ordinal number may be assigned to the order of formation to distinguish them.
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、酸化物230のチ
ャネル形成領域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、トランジスタの非導通状態におけるリーク電流(オフ電流)を極
めて小さくすることができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半
導体装置を提供できる。
The
, the
.. It is preferable to use a voltage of 5 eV or more. In this way, by using a metal oxide with a large band gap, leakage current (off current) in a non-conducting state of a transistor can be extremely reduced. By using such a transistor, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
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、錫、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。特に、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリ
ウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物230として、酸化インジウム、酸化亜鉛
、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物、Ga-Zn酸化物、または酸化ガリウムを用い
てもよい。
For example, as the
ここで、酸化物230は、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を
添加されることで、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。このような元素と
しては、代表的にはホウ素やリンが挙げられる。また、ホウ素やリン以外にも、水素、炭
素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いることができる。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、及びキセノン等があ
る。また、酸化物230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
元素を添加してもよい。上述した中でも、添加される元素は、ホウ素、及びリンが好まし
い。ホウ素およびリンの添加には、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製
造ラインの装置を使用することができるため、設備投資を抑制することができる。上記元
素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass
Spectrometry)などを用いて測定すればよい。
Here, by adding an element that forms oxygen vacancies or an element that combines with oxygen vacancies to the
The measurement may be performed using, for example, spectrometry.
特に、酸化物230中に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いること
が好ましい。このような元素としては、代表的にはホウ素、リン、アルミニウム、マグネ
シウム等がある。酸化物230中に添加された当該元素は、酸化物230中の酸素を奪っ
て酸化物を形成しうる。その結果、酸化物230中には多くの酸素欠損が生じる。当該酸
素欠損と、酸化物230中の水素とが結合することでキャリアが生じ、極めて低抵抗な領
域となる。さらに、酸化物230中に添加された元素は安定な酸化物の状態で酸化物23
0中に存在するため、その後の工程で高い温度を要する処理が行われたとしても、酸化物
230から脱離しにくい。すなわち、酸化物230に添加する元素として、酸化物を形成
しやすい元素を用いることで、酸化物230中に高温のプロセスを経ても高抵抗化しにく
い領域を形成できる。
In particular, as the element added to the
Since it exists in the
層252は、酸化物230に上記の元素が添加されて形成された層である。図1(B)
および図2に示すように、層252aおよび層252bは、導電体260を挟んで対向し
て形成されており、上面が絶縁体250と接することが好ましい。上面視において、層2
52aおよび層252bの少なくとも一部が導電体260と重畳することが好ましい。こ
こで、層252の上記元素の濃度は、酸化物230の層252および層253が形成され
ていない部分よりも高いことが好ましい。また、層252に含まれる酸素欠損の量は、酸
化物230の層252および層253が形成されていない部分の酸素欠損の量よりも高い
ことが好ましい。これにより、層252は、酸化物230の層252および層253が形
成されていない部分と比較して、キャリア密度が大きく、抵抗が低くなる。
The layer 252 is a layer formed by adding the above elements to the
As shown in FIG. 2, the
Preferably, at least a portion of layer 52a and
層253は、酸化物230に上記の元素が添加されて形成された層であり、層252よ
り多くの上記の元素が添加されて形成されている。図1(B)および図2に示すように、
層253aおよび層253bは、導電体260および層252を挟んで対向して形成され
ており、上面が絶縁体250と接することが好ましい。上面視において、層253aおよ
び層253bの導電体260側の側面は、導電体260の側面と一致する、または、層2
53aおよび層253bの一部が導電体260と重畳する、ことが好ましい。ここで、層
253の上記元素の濃度は、層252の上記元素の濃度と、同等、またはそれよりも高い
ことが好ましい。また、層253に含まれる酸素欠損の量は、酸化物230の層252お
よび層253が形成されていない部分の酸素欠損の量よりも高いことが好ましい。これに
より、層253は、酸化物230の層252および層253が形成されていない部分と比
較して、キャリア密度が大きく、抵抗が低くなる。
The layer 253 is a layer formed by adding the above elements to the
53a and a portion of
図2に示すように、酸化物230において、導電体260と重畳し、層252aおよび
層252bに挟まれる領域を領域234とし、層253と重畳する領域を領域231(領
域231a、および領域231b)とし、層252と重畳する領域を領域232(領域2
32a、および領域232b)とする。図2に示すように、領域234は、領域231a
と領域231bの間に位置し、領域232aは領域231aと領域234の間に位置し、
領域232bは領域231bと領域234の間に位置する。ここで、領域231は、領域
234と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域である。また、領域232は、領
域234と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域であり、領域231と比較して
、キャリア密度が低く、高抵抗な領域である。または、領域232は、領域231と同等
なキャリア密度を有し、同等な抵抗を有していてもよい。よって、領域234はトランジ
スタ200のチャネル形成領域として機能し、領域231はソース領域またはドレイン領
域として機能し、領域232は接合領域として機能する。
As shown in FIG. 2, in the
32a, and
and
以上のような構成にすることで、導電体260と重畳する層252が所謂オーバーラッ
プ領域(Lov領域ともいう)として機能する。よって、酸化物230のチャネル形成領
域とソース領域またはドレイン領域との間に、オフセット領域が形成されるのを防ぎ、実
効的なチャネル長が導電体260の幅より大きくなるのを抑制することができる。これに
より、トランジスタ200のオン電流を大きくし、S値を良好にし、周波数特性の向上を
図ることができる。
With the above configuration, the layer 252 that overlaps the
酸化物230にソース領域またはドレイン領域として機能する領域231を形成するこ
とで、金属で形成されたソース電極およびドレイン電極を設けることなく、領域231に
プラグとして機能する導電体240を接続することができる。酸化物230に接して金属
で形成されたソース電極およびドレイン電極を設けると、トランジスタ200の作製工程
または後工程において、高温の熱処理を行った場合、金属で形成されたソース電極および
ドレイン電極が酸化し、トランジスタ200のオン電流、S値、および周波数特性が劣化
する場合がある。しかしながら、本実施の形態に示す半導体装置では、金属で形成された
ソース電極およびドレイン電極を設ける必要がない。よって、トランジスタ200の作製
工程または後工程において、高温の熱処理を行っても、良好なオン電流、S値、および周
波数特性を示す半導体装置を提供することができる。例えば、本実施の形態に示す半導体
装置では、トランジスタ200の作製後に、450℃以上800℃以下、代表的には60
0℃以上750℃以下の高温がかかるプロセスを行うことができる。
By forming the region 231 that functions as a source region or a drain region in the
A process that requires high temperatures of 0° C. or more and 750° C. or less can be performed.
また、上記のように、層252および層253に酸素欠損を形成する元素を添加して、
熱処理を行うことで、チャネル形成領域として機能する領域234に含まれる水素を、層
253に含まれる酸素欠損で捕獲できる場合がある。ここで、層253または層252に
含まれる水素の濃度は、酸化物230の層252および層253が形成されていない部分
の水素の濃度よりも高いことが好ましい。これにより、トランジスタ200に安定な電気
特性を与え、信頼性の向上を図ることができる。
Further, as described above, by adding an element that forms oxygen vacancies to the layers 252 and 253,
By performing heat treatment, hydrogen contained in the
さらに、詳細は後述するが、本実施の形態に示す作製方法を用いてトランジスタ200
を形成することで、導電体260を自己整合的に、層253aと層253bの間に配置さ
せ、且つ層252aおよび層252bと重畳させることができる。よって、良好な電気特
性を有する半導体装置を歩留まり良く製造することができる。また、チャネル長(領域2
34のA1-A2方向の長さ、または層252aと層252bの距離ということもできる
。)を露光装置の解像限界以下にすることもできる。例えば、チャネル長を1nm以上6
0nm以下、より好ましくは15nm以上40nm以下にすることもできる。このように
、チャネル長を短くすることにより、トランジスタ200のオン電流を大きくし、S値を
良好にし、周波数特性の向上を図ることができる。
Further, although the details will be described later, the
By forming the
34 in the A1-A2 direction, or the distance between the
The thickness can also be set to 0 nm or less, more preferably 15 nm or more and 40 nm or less. By shortening the channel length in this manner, the on-current of the
また、半導体装置の作製方法について、詳細は後述するが、層252および層253は
、上記元素をドーパントとして、絶縁体250を介して酸化物230に添加することで形
成されることが好ましい。このとき、ドーパントは酸化物230だけでなく、絶縁体25
0にも添加される場合がある。
Further, although details of a method for manufacturing a semiconductor device will be described later, the layers 252 and 253 are preferably formed by adding the above element as a dopant to the
0 may also be added.
酸化物230の領域231および領域232に添加されたドーパントは、酸化物230
中の酸素と結合するため、領域231および領域232において、酸化物230には酸素
欠損が生成される。ここで、酸化物230の領域234に含まれる水素は、領域231お
よび領域232に拡散し、該酸素欠損に捕獲されるため、領域234の酸化物230は、
成膜後の抵抗値と比較して高抵抗化すると考えられる。一方、領域231の酸化物230
は、該酸素欠損が該水素を捕獲することで、成膜後の抵抗値と比較して低抵抗化すると考
えられる。
The dopant added to regions 231 and 232 of
Oxygen vacancies are generated in the
It is thought that the resistance becomes higher compared to the resistance value after film formation. On the other hand, the
It is thought that the oxygen vacancies capture the hydrogen, thereby lowering the resistance compared to the resistance value after film formation.
また、領域231と重畳する絶縁体250が酸素(あるいは後述する過剰酸素)を含む
場合、該酸素が酸化物230に拡散すると、領域231において酸化物230が高抵抗化
し、ソース領域、およびドレイン領域として十分機能しないことが懸念される。しかし、
絶縁体250に該ドーパントが添加されることで、絶縁体250に含まれる酸素は該ドー
パントに捕獲され、固定化される。よって、絶縁体250からの酸素の放出が抑制され、
領域231において酸化物230の抵抗値は、成膜後の抵抗値より低い状態を維持するこ
とができる。
Further, when the
By adding the dopant to the
In the region 231, the resistance value of the
以上のメカニズムにより、酸化物230において、領域234は、高い抵抗値を維持し
、チャネル形成領域として機能し、領域231は、低い抵抗値を維持し、ソース領域、あ
るいはドレイン領域として機能することができると考えられる。また、酸化物230に添
加されたドーパントは、後工程における加熱処理に対しても拡散などを起こさず、安定で
あるため、領域234、領域232および領域231は、該加熱処理が行われても、拡大
や縮小を起こさず、安定である。すなわち、本発明によるトランジスタは、加熱処理によ
りチャネル長の増加や減少、ソース領域とドレイン領域の接続といった電気特性上、およ
び信頼性上の不良を引き起こす恐れが低減される。
Due to the above mechanism, in the
なお、図2では、層252および層253が、酸化物230bおよび酸化物230cの
膜厚方向において、酸化物230bおよび酸化物230cと、絶縁体250の界面近傍に
形成されているが、これに限られない。例えば、層252および層253は、酸化物23
0bの膜厚と概略同じ厚さを有していてもよいし、酸化物230aにも、形成されていて
もよい。
Note that in FIG. 2, the layer 252 and the layer 253 are formed near the interface between the
It may have approximately the same thickness as the film thickness of 0b, or may be formed on the
また、酸化物230において、各領域の境界を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、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は
、領域ごと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、な
らびに水素、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。
Further, in the
なお、図2においては、導電体260が領域234および領域232(層252)と重
畳する構成について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図
3に示すように、導電体260が領域234、領域232(層252)、および領域23
1(層253)の一部と重畳する構成にしてもよい。このような構成にすることで導電体
260と重畳する層252に加えて、層253の一部もオーバーラップ領域として機能す
る。よって、酸化物230のチャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との間に
、オフセット領域が形成されるのをより確実に防ぎ、実効的なチャネル長が導電体260
の幅より大きくなるのを抑制することができる。これにより、トランジスタ200のオン
電流を大きくし、S値を良好にし、周波数特性の向上を図ることができる。
Note that although FIG. 2 shows a configuration in which the
1 (layer 253). With this configuration, in addition to the layer 252 overlapping with the
It is possible to prevent the width from becoming larger than the width of the . Thereby, the on-state current of the
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、高い周波数特性を有する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。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。
As described above, a semiconductor device including a transistor with a large on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with high frequency characteristics can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided.
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、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
205の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体205上面の平均面
粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは0.5nm以下、より好ましくは0.3nm以下
にすればよい。これにより、導電体205の上に形成される、絶縁体224の平坦性を良
好にし、酸化物230a、酸化物230bおよび酸化物230cの結晶性の向上を図るこ
とができる。
The
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200のVth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200のVth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
The drain current when the potential applied to is 0V can be reduced.
また、導電体205は、酸化物230におけるチャネル形成領域よりも、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。
Further, the
上記構成を有することで、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、酸化物230
のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
With the above structure, the
can electrically surround the channel forming region of.
また、図1(C)に示すように、導電体205は延伸させて、配線としても機能させて
いる。ただし、これに限られることなく、導電体205の下に、配線として機能する導電
体を設ける構成にしてもよい。また、導電体205は、必ずしも各トランジスタに一個ず
つ設ける必要はない。例えば、導電体205を複数のトランジスタで共有する構成にして
もよい。
Furthermore, as shown in FIG. 1C, the
また、導電体205は、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
び第2の導電体の高さと、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200では、導電体205の第1の導電体と第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。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。
Further, the
Further inside, a second conductor is formed. Here, the heights of the first conductor and the second conductor of the
また、導電体205の第1の導電体として、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。)導電体を用いてもよい。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。)導電体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。
Further, as the first conductor of the
A conductor having a function of suppressing the diffusion of impurities such as nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules ( N2O , NO, NO2, etc.), and copper atoms (the impurities are difficult to pass through) may be used. Or, it has the function of suppressing at least one diffusion of oxygen (e.g., oxygen atoms, oxygen molecules, etc.)
The above oxygen is difficult to permeate. ) It is preferable to use a conductor. In addition, in this specification,
The function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the impurities or oxygen.
導電体205の第1の導電体として、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体を用い
ることにより、導電体205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体としては、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20
5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。
By using a conductor having a function of suppressing oxygen diffusion as the first conductor of the
Examples of conductors that have the function of suppressing oxygen diffusion include tantalum, tantalum nitride,
It is preferable to use ruthenium or ruthenium oxide. Therefore, the conductor 20
The first conductor of No. 5 may be a single layer or a laminated layer of the above-mentioned conductive material.
また、導電体205の第2の導電体として、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。
Further, as the second conductor of the
絶縁体214は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200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21
4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
4 is hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO
It is preferable to use an insulating material that has a function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms (e.g., NO 2 ), copper atoms, etc. (the impurities are difficult to pass through). Alternatively, it has a function of suppressing the diffusion of at least one of oxygen (for example, oxygen atoms, oxygen molecules, etc.) (the above-mentioned oxygen is difficult to permeate).
) It is preferable to use an insulating material.
例えば、絶縁体214として、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンなどを用いること
が好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体214よりも基板側からト
ランジスタ200側に拡散するの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214よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。
For example, it is preferable to use aluminum oxide, silicon nitride, or the like as the
また、層間膜として機能する絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体281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。例えば、絶縁体216、絶縁体28
0、および絶縁体281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、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよ
い。
Further, it is preferable that the
0, and as the
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, silicon oxide having vacancies, or the like may be used as appropriate.
また、絶縁体216を積層構造にしてもよい。例えば、絶縁体216において、少なく
とも導電体205の側面と接する部分に、絶縁体214と同様の絶縁体を設ける構成にし
てもよい。このような構成にすることで、絶縁体216に含まれる酸素によって、導電体
205が酸化するのを抑制することができる。あるいは、導電体205により、絶縁体2
16に含まれる酸素が吸収されるのを抑制することができる。
Further, the
It is possible to suppress absorption of oxygen contained in 16.
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。
The
ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、加熱により酸素を脱離することが好ま
しい。本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶
縁体224は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。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200の信頼性を向上させることができる。
Here, it is preferable that the
絶縁体224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、TDS(Thermal D
esorption 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1.0×1019at
oms/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, as the
(esorption spectroscopy) analysis, the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen atoms is 1.0 x 10 18 atoms/cm 3 or more, preferably 1.0 x 10 19 at.
oms/cm 3 or more, more preferably 2.0×10 19 atoms/cm 3 or 3
.. The oxide film has an oxide density of 0×10 20 atoms/cm 3 or more. The surface temperature of the film during the above TDS analysis is 100°C or more and 700°C or less, or 100°C or more and 400°C.
The following ranges are preferred.
また、図1(C)に示すように、絶縁体224は、酸化物230bと重ならない領域の
膜厚が、それ以外の領域の膜厚より薄くなることが好ましい。また、絶縁体224は酸化
物230bと重なる島状の形状としてもよい。このような構成にすることで、導電体26
0の下端部をより下側に位置させることができるので、第1のゲート電極としての機能す
る導電体260の電界を、酸化物230の側面に作用させやすくなる。よって、トランジ
スタ200のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。また、絶縁体
224を、酸化物230bおよび酸化物230aと重畳させて、島状に設ける構成にして
もよい。
Further, as shown in FIG. 1C, the thickness of the
Since the lower end of the
絶縁体222は、絶縁体214などと同様に、水または水素などの不純物が、基板側か
らトランジスタ200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。例えば、絶縁体222は、絶縁体224より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁
体222、絶縁体266、および絶縁体274によって、絶縁体224、酸化物230、
および絶縁体250などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトラン
ジスタ200に侵入することを抑制することができる。
Like the
By surrounding the
さらに、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。例えば、絶
縁体222は、絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体222が、酸
素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が有する酸素が、基板側
へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体205が、絶縁体224や、
酸化物230が有する酸素と反応することを抑制することができる。
Further, it is preferable that the
Reaction with oxygen contained in the
絶縁体222は、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200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。
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, these insulators may contain, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide,
Zirconium oxide may also be added. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked on the above insulator.
また、絶縁体222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(SrT
iO3)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てもよい。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。
Further, the
Zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrT)
An insulator containing a so-called high-k material such as iO 3 ) or (Ba,Sr)TiO 3 (BST) may be used in a single layer or in a stack. As transistors become smaller and more highly integrated, problems such as leakage current may occur due to thinning of gate insulators. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
なお、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。例えば、絶縁体222の下に絶縁体224と同様の絶縁体を設ける構成にしてもよ
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2
30b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。
The
and
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 it is preferable that the
For the
酸化物230a、酸化物230bおよび酸化物230cは、結晶性を有することが好ま
しく、特に、CAAC-OSを用いることが好ましい。CAAC-OSなどの結晶性を有
する酸化物は、不純物や欠陥(酸素欠損など)が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有
している。このような酸化物230を有することで、トランジスタ200は、製造工程に
おける高い温度(所謂サーマルバジェット)に対して安定になる。
It is preferable 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が、酸化物23
0bの伝導帯下端のエネルギー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。この場合、酸化物230cは、酸化物230aに用いることができる
金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、酸化物230c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230c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
230c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。
Further, the energy at the lower end of the conduction band of the
It is preferable that the energy be higher than the energy at the lower end of the conduction band of 0b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the
In the metal oxide used for 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, at the junction of
The energy level at the bottom of the conduction band changes smoothly. In other words, it can be said that the energy level at the lower end of the conduction band 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てもよい。また、酸化物230cを積層構造としてもよい。例え
ば、In-Ga-Zn酸化物と、当該In-Ga-Zn酸化物上のGa-Zn酸化物との
積層構造、またはIn-Ga-Zn酸化物と、当該In-Ga-Zn酸化物上の酸化ガリ
ウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、In-Ga-Zn酸化物と、In
を含まない酸化物との積層構造を、酸化物230cとして用いても良い。
Specifically, the
By having a common element other than oxygen (making it the main component), a mixed layer with low defect level density can be formed. For example, when the
Gallium oxide or the like may also be used. Further, the
A stacked structure with an oxide not containing may be used as the
具体的には、酸化物230aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、ま
たは1:1:0.5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230bと
して、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、または3:1:2[原子数比]の金
属酸化物を用いればよい。また、酸化物230cとして、In:Ga:Zn=1:3:4
[原子数比]、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、Ga:Zn=2:1[原子
数比]、またはGa:Zn=2:5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸
化物230cを積層構造とする場合の具体例としては、In:Ga:Zn=4:2:3[
原子数比]とIn:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]との積層構造、In:Ga:Z
n=4:2:3[原子数比]と、Ga:Zn=2:1[原子数比]との積層構造、In:
Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、Ga:Zn=2:5[原子数比]との積層構造
、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、酸化ガリウムとの積層構造などが挙げ
られる。
Specifically, a metal oxide with In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio] or 1:1:0.5 [atomic ratio] may be used as the
[atomic ratio], In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio], Ga:Zn=2:1 [atomic ratio], or Ga:Zn=2:5 [atomic ratio] Metal oxides may be used. Further, as a specific example when the
Laminated structure of [atomic ratio] and In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio], In:Ga:Z
Laminated structure of n=4:2:3 [atomic ratio] and Ga:Zn=2:1 [atomic ratio], In:
Laminated structure of Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] and Ga:Zn=2:5 [atomic ratio], In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] , a laminated structure with gallium oxide, etc.
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230b、およびその界面近傍となる。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230
b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200は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸
化物230cを積層構造とした場合、上述の酸化物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効果に加え、酸化物230cが有する構成元素が、絶縁
体250側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物230c
を積層構造とし、積層構造の上方にInを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体25
0側に拡散しうるInを抑制することができる。絶縁体250は、ゲート絶縁体として機
能するため、Inが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物
230cを積層構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる
。
At this time, the main path of carriers is through the
The density of defect levels at the interface between the
has a laminated structure, and in order to position an oxide not containing In above the laminated structure, the insulator 25
In can be suppressed from diffusing to the 0 side. Since the
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、酸化物230cを覆って配置することが好ましい。絶縁体250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。
絶縁体250は、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。
Like the
また、後述するが、絶縁体250は、層252および層253を形成する際の保護膜と
しての機能を有してもよい。層252および層253の形成にイオンインプランテーショ
ンやイオンドーピングを用いる場合、保護膜として絶縁体250を設けることで、酸化物
230の表面がイオンやプラズマに直接曝されることが無く、層252および層253の
形成における酸化物230のダメージを抑制できるため、好ましい。ここで、酸化物23
0のダメージとは、酸化物230中における、過度の酸素欠損の形成や、過度の酸化物2
30の結晶性の低下などをいう。このような保護膜として機能する絶縁体250の上に、
さらに、上述のバリア絶縁膜を積層してもよい。
Further, as will be described later, the
0 damage means the formation of excessive oxygen vacancies in the
30, a decrease in crystallinity, etc. On top of the
Furthermore, the above-mentioned barrier insulating films may be stacked.
また、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から導電体260への酸素拡散を抑制することが好ましい。これによ
り、絶縁体250の酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。例えば、上
記の酸化物230cとして用いることができる金属酸化物を用いればよい。
Further, a metal oxide may be provided between the
また、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。ゲ
ート絶縁体を、絶縁体250と当該金属酸化物との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、ゲート絶縁体の物理
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。
Further, the metal oxide may function as part of a gate insulator. Therefore, when silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the
Further, it is possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of an insulator that functions as a gate insulator.
具体的には、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。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。
Specifically, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, etc. can be used. can. In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), etc., which are insulators containing oxides of one or both of aluminum and hafnium.
導電体260は、図1では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以
上の積層構造であってもよい。
Although the
導電体260aは、上述の、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
する導電体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。
The
It is preferable to use a conductive material that has the function of suppressing the diffusion of at least one of the following.
また、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に
含まれる酸素により、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。
Further, since the
また、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好ましい。また、導電体260は、配線としても機能するため、導
電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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構造としてもよい
。
Further, it is preferable that the
また、絶縁体250と導電体260aの間に、酸化物230として用いることができる
金属酸化物を設けてもよい。このとき、該金属酸化物は、導電体260と同様にゲート電
極として機能する。金属酸化物を設けることにより、絶縁体250、および酸化物230
の少なくとも一方に酸素を供給することができ、好ましい。また、該金属酸化物として、
酸素の透過を抑制する機能を有する金属酸化物を用いることにより、絶縁体250、また
は絶縁体280に含まれる酸素によって、導電体260が酸化するのを抑制することがで
きる。あるいは、絶縁体250に含まれる酸素が、導電体260に吸収されることを抑制
できる。
Furthermore, a metal oxide that can be used as the
Oxygen can be supplied to at least one of the two, which is preferable. Moreover, as the metal oxide,
By using a metal oxide that has a function of suppressing oxygen permeation, oxidation of the
また、図1(A)(C)に示すように、酸化物230bの層252および層253と重
ならない領域、言い換えると、酸化物230のチャネル形成領域において、酸化物230
の側面が導電体260で覆うように配置されている。これにより、第1のゲート電極とし
ての機能する導電体260の電界を、酸化物230の側面に作用させやすくなる。よって
、トランジスタ200のオン電流を大きくし、S値を良好にし、周波数特性の向上を図る
ことができる。
Further, as shown in FIGS. 1A and 1C, in a region of the
The
絶縁体266は、絶縁体214などと同様に、水または水素などの不純物が、絶縁体2
80側からトランジスタ200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。例えば、絶縁体266は、絶縁体224より水素透過性が低いことが好まし
い。さらに、図1(B)(C)に示すように、絶縁体266は、導電体260の側面の一
部、および絶縁体250の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、
絶縁体280に含まれる水素が、酸化物230および絶縁体224に侵入するのを抑制す
ることができる。
Similar to the
It is preferable that it functions as a barrier insulating film that suppresses infiltration into the
Hydrogen contained in the
さらに、絶縁体266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。例えば、絶
縁体266は、絶縁体280または絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。
Furthermore, it is preferable that the
また、絶縁体266は、スパッタリング法を用いて成膜される構成にしてもよい。絶縁
体266を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体25
0の絶縁体266と接する領域近傍に酸素を添加することができる。これにより、当該領
域から、絶縁体250を介して酸化物230中に酸素を供給することができる。ここで、
絶縁体266が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物23
0から絶縁体280へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体222が、下方へ
の酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物230から基板側へ拡散する
ことを防ぐことができる。このようにして、酸化物230のチャネル形成領域に酸素が供
給される。これにより、酸化物230の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオ
ン化を抑制することができる。
Further, the
Oxygen can be added near the region in contact with the zero
Since the
0 to the
絶縁体266としては、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。
As the
また、絶縁体266は、積層構造としてもよい。絶縁体266を積層構造とする場合、
スパッタリング法を用いて形成された第1の絶縁体上にALD法を用いて第2の絶縁体を
形成してもよい。このとき、第1の絶縁体と、第2の絶縁体は上述した材料から選ばれた
、同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。例えば、第1の絶縁体として
、スパッタリング法により形成された酸化アルミニウムを用い、第2の絶縁体として、A
LD法により形成された酸化アルミニウムを用いてもよい。ALD法により形成される膜
は被覆性が高く、酸化物230などの構造体による段差部にも高い均一性を有する膜を形
成することができる。また、スパッタリング法により形成された第1の絶縁膜における成
膜不良を補てんすることができ、好ましい。
Further, the
The second insulator may be formed using the ALD method on the first insulator formed using the sputtering method. At this time, the first insulator and the second insulator may be made of the same material selected from the materials mentioned above, or may be made of different materials. For example, aluminum oxide formed by sputtering is used as the first insulator, and A
Aluminum oxide formed by the LD method may also be used. A film formed by the ALD method has high coverage, and can form a film with high uniformity even on stepped portions formed by structures such as the
また、絶縁体266としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いればよい
。絶縁体266として、組成式がAlNx(xは0より大きく2以下の実数、好ましくは
、xは0.5より大きく1.5以下の実数)を満たす窒化物絶縁体を用いることが好まし
い。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トラ
ンジスタ200を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。また、絶縁体
266として、窒化アルミニウムチタン、窒化チタンなどを用いることもできる。この場
合、スパッタリング法を用いて成膜することで、成膜ガスに酸素またはオゾンなどの酸化
性の強いガスを用いずに成膜することができるので、好ましい。また、窒化シリコンまた
は窒化酸化シリコンなどを用いることもできる。
Further, as the
このように、水素に対してバリア性を有する絶縁体266によって、絶縁体250、お
よび酸化物230を覆うことで、絶縁体280は、絶縁体250、および酸化物230と
離隔されている。これにより、トランジスタ200の外方から水素などの不純物が浸入す
ることを抑制できるので、トランジスタ200に良好な電気特性および信頼性を与えるこ
とができる。
In this way, by covering the
また、絶縁体266としては、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。この場合、絶縁体266は、ALD法を用いて成膜されることが好ましい。ALD
法は、被覆性の良好な成膜法なので、被形成面の凹凸によって、段切れなどが形成される
のを防ぐことができる。
Further, as the
Since this method is a film forming method with good coverage, it is possible to prevent the formation of step breakage etc. due to the unevenness of the surface to be formed.
絶縁体280は、絶縁体266を介して、絶縁体224、酸化物230、および絶縁体
250上に設けられる。例えば、絶縁体280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、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、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料
は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
絶縁体280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。ま
た、絶縁体280の上面は、平坦化されていてもよい。
Preferably, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the
絶縁体274は、絶縁体214などと同様に、水または水素などの不純物が、上方から
絶縁体280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。例え
ば、絶縁体274は、絶縁体280より水素透過性が低いことが好ましい。
Like the
さらに、絶縁体274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。例えば、絶
縁体274は、絶縁体280より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体274が、酸
素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体280に含まれる酸素が外方拡散するの
を抑制することができる。
Furthermore, it is preferable that the
絶縁体274としては、例えば、絶縁体214、絶縁体222等に用いることができる
絶縁体を用いればよい。また、水または水素などの不純物に対するバリア絶縁膜と、酸素
の拡散を抑制する機能を有する絶縁膜を積層する構成にしてもよい。
As the
また、絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体281を設けることが好まし
い。絶縁体281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。
Further, it is preferable to provide an
また、絶縁体281、絶縁体274、絶縁体280、および絶縁体266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281の上面と、同一平面上としてもよい。
Further, the
なお、絶縁体281、絶縁体274、絶縁体280、および絶縁体266の開口の内壁
に接して、絶縁体241aが設けられ、その側面に接して導電体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層253aが位置しており、導
電体240aが層253aと接する。ここで、図1(D)に示すように、導電体240a
の第1の導電体は、層253aの上面および側面(酸化物230bの上面および側面とい
ってもよい。)と接することが好ましい。このように導電体240aを設けることで、導
電体240aと層253aの接触面積が増大するので、トランジスタ200のオン電流お
よび移動度の向上、ならびにS値の低減を図ることができる。同様に、絶縁体281、絶
縁体274、絶縁体280、および絶縁体266の開口の内壁に接して、絶縁体241b
が設けられ、その側面に接して導電体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層253bが位置しており、導電体240bが層253b
と接する。図示していないが、導電体240aと同様に、導電体240bの第1の導電体
は、層253bの上面および側面(酸化物230bの上面および側面といってもよい。)
と接することが好ましい。このように導電体240bを設けることで、導電体240bと
層253bの接触面積が増大するので、トランジスタ200のオン電流および移動度の向
上、ならびにS値の低減を図ることができる。
Note that an
The first conductor is preferably in contact with the top surface and side surfaces of the
is provided, and a first conductor of the
come into contact with Although not shown, like the
It is preferable that it be in contact with. By providing the
なお、図1(B)(D)等においては、導電体240が酸化物230cに形成された層
253と接する構成について示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない
。例えば、導電体240が酸化物230cを貫通し、酸化物230bに形成された層25
3に接する構成にしてもよい。
Note that although FIGS. 1B, 1D, and the like show a structure in which the
3 may be adopted.
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24
0bは積層構造としてもよい。
The
0b may have a laminated structure.
また、導電体240を積層構造とする場合、酸化物230a、酸化物230b、絶縁体
266、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体281と接する導電体には、上述の、水ま
たは水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体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拡散を抑制する機能
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に添加された酸素が導電体240aおよび導電体240bに吸収されるの
を防ぐことができる。また、絶縁体281より上層から水または水素などの不純物が、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 addition, when the
絶縁体241aおよび絶縁体241bとしては、絶縁体214等に用いることができる
絶縁体、例えば、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンなどを用いればよい。絶縁体24
1aおよび絶縁体241bは、絶縁体266に接して設けられるので、絶縁体280など
から水または水素などの不純物が、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。また、絶縁体280に含まれる酸素が導電
体240aおよび導電体240bに吸収されるのを防ぐことができる。
As the
1a and the
絶縁体241aおよび絶縁体241bの形成には、ALD法やCVD法を用いることが
できる。
An ALD method or a CVD method can be used to form 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。当該導電体は、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 shown, a conductor functioning as a wiring may be placed in contact with the upper surface of the
また、図示しないが、当該導電体を覆うように、抵抗率が1.0×1013Ωcm以上
1.0×1015Ωcm以下、好ましくは5.0×1013Ωcm以上5.0×1014
Ωcm以下の絶縁体を設けることが好ましい。当該導電体上に上記のような抵抗率を有す
る絶縁体を設けることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ200、当
該導電体等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタや、該トラン
ジスタを有する電子機器の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。
Although not shown, the resistivity is 1.0×10 13 Ωcm or more and 1.0×10 15 Ωcm or less, preferably 5.0×10 13 Ωcm or more and 5.0×10 14 so as to cover the conductor.
It is preferable to provide an insulator with a resistance of Ωcm or less. By providing an insulator having the above-mentioned resistivity over the conductor, the insulator can maintain insulating properties and disperse the charge accumulated between the
酸化物230c、および絶縁体274として、それぞれ積層絶縁膜を用い、さらに、絶
縁体256aおよび絶縁体256b(以下、まとめて絶縁体256と表記する場合がある
。)を設けたトランジスタ200について図4に示す。図1と同様に、図4(A)(B)
(C)(D)は、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。図4(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。ま
た、図4(B)、および図4(C)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図4(
B)は、図4(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2
00のチャネル長方向の断面図でもある。また、図4(C)は、図4(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。また、図4(D)は、図4(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図で
ある。なお、図4(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. 4 shows a
(C) and (D) are a top view and a cross-sectional view of the
B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed-dotted line on A1-A2 in FIG.
00 is also a sectional view in the channel length direction. In addition, FIG. 4(C) shows A3-A4 in FIG. 4(A).
2 is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line, and is also a cross-sectional view of the
図4に示すトランジスタ200では、酸化物230cとして、酸化物230c1とその
上に積層された酸化物230c2を用い、絶縁体274として、絶縁体274aとその上
に積層された絶縁体274bを用いている。
In the
ここで、酸化物230c1として、酸化物230bとして用いることができる金属酸化
物を、酸化物230c2として、酸化物230aとして用いることができる金属酸化物を
、用いればよい。例えば、酸化物230c1として、In:Ga:Zn=4:2:3[原
子数比]の金属酸化物を用い、酸化物230c2として、In:Ga:Zn=1:3:4
[原子数比]を用いればよい。
Here, a metal oxide that can be used as the
[Atomic ratio] may be used.
また、絶縁体274aとして、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を、絶縁体2
74bとして、水または水素などの不純物が混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機
能する絶縁体を、用いればよい。例えば、絶縁体274aとして、スパッタリング法で成
膜した酸化アルミニウムなどを用いることができる。また、絶縁体274bとして、窒化
シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウムなどを用いることができる。
Further, as the
As 74b, an insulator that functions as a barrier insulating film that suppresses the incorporation of impurities such as water or hydrogen may be used. For example, aluminum oxide or the like formed by sputtering can be used as the
さらに、図4に示すように、絶縁体250と絶縁体266の間に絶縁体256を設ける
ことが好ましい。図4に示すように、絶縁体256は、絶縁体256aとその上の絶縁体
256bの積層構造になっている。
Furthermore, as shown in FIG. 4, it is preferable to provide an insulator 256 between the
絶縁体256aは、層252および層253を形成する際の保護膜としての機能を有し
てもよい。層252および層253の形成にイオンインプランテーションやイオンドーピ
ングを用いる場合、保護膜として絶縁体256aを設けることで、酸化物230の表面が
イオンやプラズマに直接曝されることが無く、層252および層253の形成における酸
化物230のダメージを抑制できるため、好ましい。ここで、酸化物230のダメージと
は、酸化物230中における、過度の酸素欠損の形成や、過度の酸化物230の結晶性の
低下などをいう。
The
絶縁体256bは、絶縁体214などと同様に、水または水素などの不純物が、絶縁体
280側からトランジスタ200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。例えば、絶縁体256bは、絶縁体250より水素透過性が低いことが好
ましい。さらに、図4(B)(C)に示すように、絶縁体256bは、絶縁体250の上
面、および導電体260の側面に接するように配置されることが好ましい。この様な構成
とすることで、絶縁体280に含まれる水素が、酸化物230および絶縁体250に侵入
するのを抑制することができる。
Like the
このように、水素に対してバリア性を有する絶縁体266および絶縁体256bによっ
て、絶縁体224、絶縁体250、および酸化物230を覆うことで、絶縁体280は、
絶縁体224、酸化物230、および絶縁体250と離隔されている。これにより、トラ
ンジスタ200の外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できるので、トランジ
スタ200に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
In this way, by covering the
An
さらに、絶縁体256b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。例えば、
絶縁体256bは、絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体256b
が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が、絶縁体280が有する
過剰な酸素と反応することを抑制することができる。
Furthermore, it is preferable that the
However, by having the function of suppressing oxygen diffusion, the
絶縁体256bとしては、例えば、絶縁体266に用いることができるバリア絶縁膜を
用いればよい。ただし、絶縁体266が十分に水素に対するバリア性を有する場合、絶縁
体256bは必ずしも、バリア絶縁膜を用いなくてもよい。
As the
例えば、絶縁体256aとして、酸化物230および絶縁体250を形成する際の保護
膜としての機能する絶縁体を、絶縁体256bとして、水または水素などの不純物が混入
するのを抑制するバリア絶縁膜として機能する絶縁体を、用いればよい。例えば、絶縁体
256aとして、酸化窒化シリコンまたは酸化シリコンを用いることができる。また、絶
縁体256bとして、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミ
ニウムなどを用いることができる。
For example, the
なお、図4では、絶縁体256が、絶縁体256aと絶縁体256bの積層構造になっ
ているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。絶縁体256を単層にしてもよ
いし、3層以上の積層構造にしてもよい。
In FIG. 4, the insulator 256 has a laminated structure of an
<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。
<Constituent materials of semiconductor devices>
Below, constituent materials that can be used in the semiconductor device will be explained.
<<基板>>
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 the
Insulator) board, etc. Examples of the conductive substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there are substrates containing metal nitrides, substrates containing metal oxides, and the like. Furthermore, a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate,
There are substrates in which a semiconductor substrate is provided with a conductor or an insulator, and substrates in which a conductor substrate is provided with a semiconductor or an insulator. Alternatively, these substrates provided with elements may be used. Elements provided on the substrate include capacitive elements, resistive elements, switch elements, light emitting elements, and memory elements.
<<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>>
Examples of the insulator include oxides, nitrides, oxynitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxynitrides, and metal nitride oxides having insulating properties.
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。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 become smaller and more highly integrated, problems such as leakage current may occur due to thinning of gate insulators. An insulator that acts as a gate insulator,
By using a high-k material, 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 as the insulator that functions as an interlayer film, parasitic capacitance occurring between wirings can be reduced. Therefore, the material should be selected depending on 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 high dielectric constants 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. There are oxynitrides containing silicon and hafnium, and nitrides containing 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 low dielectric constants include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon,
Examples include silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide with pores, and resin.
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(絶縁体214、絶縁体222、絶縁体256、および絶縁体
274など)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。
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、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒
化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
In addition, a transistor using an oxide semiconductor can be surrounded by an insulator (such as the
Examples of insulators that have the function of suppressing the 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. , lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in a single layer or in a laminated manner.
Specifically, as an insulator that has the function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen,
Metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide, aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride oxide or Metal nitrides such as silicon nitride can be used.
また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有
する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する
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。
Further, the insulator functioning as the gate insulator is preferably an insulator having a region containing oxygen that is desorbed by heating. For example, by forming a structure in which silicon oxide or silicon oxynitride having a region containing oxygen that is released by heating is in contact with 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、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。
<<Conductor>>
Conductors include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, and lanthanum. It is preferable to use a metal element selected from the following, an alloy containing the above-mentioned metal elements as a component, an alloy containing a combination of the above-mentioned metal elements, or the like. For example, use of tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, etc. It is preferable. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material that maintains conductivity even if it absorbs oxygen. Further, a semiconductor having 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。
Further, a plurality of conductive layers formed of the above materials may be laminated and used. For example, a layered structure may be used in which a material containing the metal element described above and a conductive material containing oxygen are combined. Alternatively, a laminated structure may be used in which a material containing the aforementioned metal element and a conductive material containing nitrogen are combined. Alternatively, a laminated structure may be used in which a material containing the aforementioned metal element, a conductive material containing oxygen, and a 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 when an oxide is used in the channel formation region of a transistor, the conductor that functions as the gate electrode should have a stacked structure that is a combination of a material containing the aforementioned metal element and a conductive material containing oxygen. is preferred. In this case, it is preferable to provide a conductive material containing oxygen on the channel forming region side. By providing a conductive material containing oxygen on the side of the channel formation region, 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, it is preferable to use a conductive material containing oxygen and a metal element contained in the metal oxide in which the channel is formed as the conductor functioning as the gate electrode. Further, a conductive material containing the aforementioned metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. In addition, 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, it may be possible to capture hydrogen contained in the metal oxide in which the channel is formed. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed in from an external insulator or the like.
<<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>>
As the
酸化物半導体は、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、シリコン
、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 oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to include indium and zinc. Moreover, in addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be included.
ここでは、酸化物半導体が、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、シリコン、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。
Here, a case will be considered in which the oxide semiconductor is an In--M--Zn oxide containing 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, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium,
These include neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, as the element M, there are cases where a plurality of the above-mentioned 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 ox
ide)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(me
tal oxynitride)と呼称してもよい。
Note that in this specification and the like, a metal oxide containing nitrogen is also referred to as a metal oxide (metal oxide).
ide). In addition, metal oxides containing nitrogen can be replaced with metal oxynitrides (me
tal oxynitride).
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、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、多結晶酸化物半導体、および非晶質酸化物半導体
などが知られている。
Oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and non-single crystal oxide semiconductors. As non-single crystal oxide semiconductors, for example, polycrystalline oxide semiconductors, amorphous oxide semiconductors, and the like are known.
トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが
好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させること
ができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体
の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導
体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よっ
て、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
It is preferable to use a thin film with high crystallinity as an oxide semiconductor used for a semiconductor of a transistor. By using the thin film, stability or reliability of a transistor can be improved. Examples of the thin film include a single crystal oxide semiconductor thin film or a polycrystalline oxide semiconductor thin film. However, forming a single crystal oxide semiconductor thin film or a polycrystalline oxide semiconductor thin film on a substrate requires a high temperature or laser heating process. Therefore, the cost of the manufacturing process increases and the throughput also decreases.
2009年に、CAAC構造を有するIn-Ga-Zn酸化物(CAAC-IGZOと
呼ぶ。)が発見されたことが、非特許文献1および非特許文献2で報告されている。ここ
では、CAAC-IGZOは、c軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低
温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、CAAC-IGZOを用
いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
In 2009, it is reported in
また、2013年には、nc構造を有するIn-Ga-Zn酸化物(nc-IGZOと
呼ぶ。)が発見された(非特許文献3参照。)。ここでは、nc-IGZOは、微小な領
域(例えば、1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有し、異なる該
領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
Furthermore, in 2013, an In-Ga-Zn oxide having an nc structure (referred to as nc-IGZO) was discovered (see Non-Patent Document 3). Here, it has been reported that nc-IGZO has periodicity in its atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 3 nm or less), and that no regularity is observed in the crystal orientation between different regions. There is.
非特許文献4および非特許文献5では、上記のCAAC-IGZO、nc-IGZO、
および結晶性の低いIGZOのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイ
ズの推移が示されている。結晶性の低いIGZOの薄膜において、電子線が照射される前
でさえ、1nm程度の結晶性IGZOが観察されている。よって、ここでは、IGZOに
おいて、完全な非晶質構造(completely amorphous struct
ure)の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いIGZO
の薄膜と比べて、CAAC-IGZOの薄膜およびnc-IGZOの薄膜は電子線照射に
対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、CAA
C-IGZOの薄膜またはnc-IGZOの薄膜を用いることが好ましい。
In Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5, the above CAAC-IGZO, nc-IGZO,
The changes in average crystal size due to electron beam irradiation for each thin film of IGZO and IGZO with low crystallinity are shown. In a thin film of IGZO with low crystallinity, crystalline IGZO of about 1 nm is observed even before electron beam irradiation. Therefore, here, IGZO has a completely amorphous structure.
It is reported that the existence of ure) could not be confirmed. Furthermore, IGZO with low crystallinity
It has been shown that the CAAC-IGZO thin film and the nc-IGZO thin film have higher stability against electron beam irradiation than the nc-IGZO thin film. Therefore, CAA can be used as a transistor semiconductor.
It is preferable to use a thin film of C-IGZO or a thin film of nc-IGZO.
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
、具体的には、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流がyA/μm(10-
24A/μm)オーダである、ことが非特許文献6に示されている。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(非特許文献7参照。)。
A transistor using an oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conducting state. Specifically, the off-state current per 1 μm of transistor channel width is yA/μm (10 −
24 A/μm) order, as shown in Non-Patent Document 6. For example, a CPU with low power consumption that takes advantage of the low leakage current characteristic of a transistor using an oxide semiconductor has been disclosed (see Non-Patent Document 7).
また、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利用した、
該トランジスタの表示装置への応用が報告されている(非特許文献8参照。)。表示装置
では、表示される画像が1秒間に数十回切り換っている。1秒間あたりの画像の切り換え
回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼
ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労
の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画
像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させ
た駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を
、アイドリング・ストップ(IDS)駆動と呼ぶ。
In addition, taking advantage of the low leakage current characteristics of transistors using oxide semiconductors,
Application of the transistor to a display device has been reported (see Non-Patent Document 8). In a display device, the displayed image changes several dozen times per second. The number of times images are switched per second is called the refresh rate. The refresh rate is also sometimes called the drive frequency. Such high-speed screen switching, which is difficult for the human eye to perceive, is thought to be a cause of eye fatigue. Therefore, it has been proposed to lower the refresh rate of the display device to reduce the number of times images are rewritten. Further, by driving at a lower refresh rate, it is possible to reduce power consumption of the display device. Such a driving method is called idling stop (IDS) driving.
CAAC構造およびnc構造の発見は、CAAC構造またはnc構造を有する酸化物半
導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト
低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低
いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびLSIへの応用研究が進めら
れている。
The discovery of the CAAC structure and nc structure has contributed to improving the electrical characteristics and reliability of transistors using oxide semiconductors having a CAAC structure or nc structure, as well as reducing costs and improving throughput of manufacturing processes. In addition, research is underway to apply the transistor to display devices and LSIs, taking advantage of the transistor's low leakage current characteristics.
[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(C
loud-Aligned Composite)-OSの構成について説明する。
[Composition of metal oxide]
Below, CAC (C
The configuration of the loud-Aligned Composite)-OS will be explained.
なお、本明細書等において、CAAC(c-axis aligned crysta
l)、及び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 addition, in this specification etc., CAAC (c-axis aligned crystal
1), and CAC (Cloud-Aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a 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(またはホール)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/O
ff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 part of the material having a conductive function, a part of the material having an insulating function, and the entire material having a semiconductor function. Note that when CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the active layer of a transistor, the conductive function is to allow electrons (or holes) to flow as carriers, and the insulating function is to flow electrons (or holes) as carriers. This is a function that prevents the flow of Switching function (On/O
ff function) can be added to CAC-OS or CAC-metal oxide. By separating the functions of CAC-OS or CAC-metal oxide, the functions of both can be maximized.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、導電性領域、及び絶縁
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。
Further, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. Further, in a material, a conductive region and an insulating region may be separated at the nanoparticle level. Further, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. Further, the conductive regions may be observed to be connected in a cloud-like manner with the 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3n
m以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
In addition, in CAC-OS or CAC-metal oxide, a conductive region and
The insulating regions each have a thickness of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or more.
It may be dispersed in the material with a size of less than m.
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 ox
ide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
、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal ox
ide is composed of a component having a wide gap caused by the insulating region and a component having a narrow gap caused by the conductive region. In the case of this configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. Furthermore, the component having a narrow gap acts complementary to 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-mentioned CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel formation region of a transistor, a high current driving force, that is, a large on-state 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 is a matrix composite or a metal matrix composite.
It can also be called a matrix composite.
[金属酸化物の構造]
酸化物半導体は、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 al
igned crystalline oxide semiconductor)、多
結晶酸化物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide sem
iconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorph
ous-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 are divided into single-crystal oxide semiconductors and other non-single-crystal oxide semiconductors. Examples of non-single crystal oxide semiconductors include CAAC-OS (c-axis
igned crystalline oxide semiconductor), polycrystalline oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide SEM)
iconductor), pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS: amorph
ous-like oxide semiconductors) and amorphous oxide semiconductors.
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 c-axis orientation and a plurality of nanocrystals connected in the a-b plane direction, resulting in a distorted crystal structure. Note that distortion refers to a location where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is uniform and another region where the lattice arrangement is uniform 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)を確認することはできない。即ち、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と考えられる。
Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagonal shapes and may have irregular hexagonal shapes. In addition, the distortion may have a pentagonal or heptagonal lattice arrangement. Note that in CAAC-OS, clear grain boundaries (also referred to as grain boundaries) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the a-b plane direction, and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. It is thought that this is because of this.
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。
In addition, 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 element M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as a (M,Zn) layer) are laminated. They tend to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and element M can be substituted with each other, and when element M of the (M, Zn) layer is substituted with indium, (In, M, Zn
) layer. Furthermore, when indium in the In layer is replaced with element M, (In,
M) It can also be expressed as a layer.
CAAC-OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC-OSは、明確な
結晶粒界を確認することはできないため、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、酸化物半導体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)の少ない酸化
物半導体ともいえる。従って、CAAC-OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安
定する。そのため、CAAC-OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
CAAC-OS is a highly crystalline oxide semiconductor. On the other hand, in CAAC-OS, since clear grain boundaries cannot be confirmed, it can be said that reduction in electron mobility due to grain boundaries is less likely to occur. Further, since the crystallinity of an oxide semiconductor may be reduced due to the incorporation of impurities or the formation of defects, CAAC-OS can also be said to be an oxide semiconductor with few impurities or defects (such as oxygen vacancies). Therefore, an oxide semiconductor having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, an oxide semiconductor including a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
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 periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). Further, in nc-OS, no regularity is observed in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed throughout the film. Therefore, depending on the analysis method, nc-OS may be indistinguishable from a-like OS or amorphous oxide semiconductor.
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酸化物
半導体である。a-like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a-lik
e OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べて、結晶性が低い。
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between that of an nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. A-like OS has holes or low density areas. That is, a-lik
e OS has lower crystallinity compared to nc-OS and CAAC-OS.
酸化物半導体は、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、n
c-OS、CAAC-OSのうち、二種以上を有していてもよい。
Oxide semiconductors have a variety of structures, each with different properties. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention includes an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an n
It may have two or more types of c-OS and CAAC-OS.
[酸化物半導体を有するトランジスタ]
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
[Transistor with oxide semiconductor]
Next, a case where the above oxide semiconductor is used in a transistor will be described.
なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、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 oxide semiconductor for 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酸化物半導体を用いることが好ましい。
酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃
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言う。例えば、酸化物
半導体は、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。
Further, it is preferable to use an oxide semiconductor with low carrier density for the transistor.
In order to lower the carrier density of the oxide semiconductor film, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be lowered to lower the defect level density. In this specification etc., the impurity concentration is low,
Low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. For example, the oxide semiconductor has a carrier density of less than 8×10 11 /cm 3 , preferably 1×10 11 /cm 3
It is less than 1×10 10 /cm 3 , more preferably less than 1×10 −9 /cm 3 , and may be 1×10 −9 /cm 3 or more.
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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。
Further, since a high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide semiconductor film has a low defect level density, the trap level density may also be low.
また、酸化物半導体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
い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定とな
る場合がある。
In addition, charges captured in trap levels of an oxide semiconductor may take a long time to disappear, and may behave as if they were fixed charges. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed in an oxide semiconductor with a high trap level density may have unstable electrical characteristics.
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度
を低減することが有効である。また、酸化物半導体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 a transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor. In addition, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor,
Preferably, the impurity concentration in adjacent films is also reduced. Examples of impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, and silicon.
[不純物]
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
[impurities]
Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor will be described.
酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化
物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭
素の濃度と、酸化物半導体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2×1017a
toms/cm3以下とする。
When an oxide semiconductor contains silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, defect levels are formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon and carbon near the interface with the oxide semiconductor (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are ×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 a
toms/cm 3 or less.
また、酸化物半導体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。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属
が含まれている酸化物半導体を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、酸化物半導体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により得られる酸化物半導体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2×10
16atoms/cm3以下にする。
Further, when an alkali metal or an alkaline earth metal is contained in the oxide semiconductor, defect levels may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have normally-on characteristics.
Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10
16 atoms/ cm3 or less.
また、酸化物半導体において、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酸化物半導体を半導体
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。従って、該酸化物半導体にお
いて、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、酸化物半導体中の窒素
濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×10
18atoms/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。
Furthermore, when an oxide semiconductor contains nitrogen, electrons as carriers are generated, the carrier density increases, and the semiconductor becomes n-type. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor tends to have normally-on characteristics. Therefore, in the oxide semiconductor, nitrogen is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5×10 19 atoms/cm 3 , preferably 5×10 atoms/cm 3 in SIMS.
18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less, even more preferably 5×10 17 atoms/cm 3 or less.
また、酸化物半導体に含まれる水素は、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。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。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用
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、酸化物半導体中の水素
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、酸化物半導体において、SI
MS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。
Furthermore, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, which may result in the formation of oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons, which are carriers, may be generated. Further, a portion of hydrogen may combine with oxygen that is bonded to a metal atom to generate electrons, which are carriers. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor be reduced as much as possible. Specifically, in oxide semiconductors, SI
The hydrogen concentration obtained by MS is lower than 1×10 20 atoms/cm 3 , preferably 1×
It is less than 10 19 atoms/cm 3 , more preferably less than 5×10 18 atoms/cm 3 , even more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 .
不純物が十分に低減された酸化物半導体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 an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be provided.
[真空ベークの効果]
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いZn-O結合について説明し、該結合を構成す
る酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
[Effects of vacuum baking]
Here, a weak Zn--O bond contained in a metal oxide will be explained, and an example of a method for reducing the oxygen atoms and zinc atoms constituting the bond will be shown.
金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠
陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用
いたトランジスタは、閾値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性とな
りやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリ
ア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に
動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題
が生じる。
In a transistor using a metal oxide, oxygen vacancies are an example of defects that lead to poor electrical characteristics of the transistor. For example, a transistor using a metal oxide containing oxygen vacancies in its film tends to have a threshold voltage that fluctuates in the negative direction and tends to have normally-on characteristics. This is because donors are generated due to oxygen vacancies contained in the metal oxide, and the carrier concentration increases. When a transistor has normally-on characteristics, various problems arise, such as malfunctions being more likely to occur during operation or increased power consumption when not operating.
また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴(サーマル
バジェット)により、閾値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性
の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これら
の問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の
使用によって起こるトランジスタの特性変化(経年変化)を短時間で評価することができ
るストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、熱履歴の過程で行わ
れる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物
中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
In addition, due to thermal history (thermal budget) in the process of forming connection wiring for manufacturing modules, the electrical characteristics of transistors may deteriorate, such as fluctuations in threshold voltage and increases in parasitic resistance, and electrical There are problems such as increased variation in characteristics. These problems are directly linked to a decrease in manufacturing yield, so it is important to consider countermeasures. In addition, deterioration of electrical characteristics occurs even in stress tests that can quickly evaluate changes in transistor characteristics (changes over time) caused by long-term use. It is presumed that the deterioration of the electrical properties is caused by the loss of oxygen in the metal oxide due to the high temperature treatment performed during the thermal history process or the electrical stress applied during the stress test.
金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在す
る。特に、金属酸化物がIn-Ga-Zn酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが
弱い結合(弱いZn-O結合、ともいう)を形成しやすい。ここで、弱いZn-O結合と
は、熱履歴の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なスト
レスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合で
ある。弱いZn-O結合が金属酸化物中に存在すると、熱履歴または電流ストレスによっ
て、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱履
歴に対する耐性、ストレス試験における耐性などといった、トランジスタの安定性が低下
する。
Metal oxides contain oxygen atoms that have weak bonds with metal atoms and tend to become oxygen vacancies. In particular, when the metal oxide is an In-Ga-Zn oxide, zinc atoms and oxygen atoms tend to form weak bonds (also referred to as weak Zn-O bonds). Here, a weak Zn-O bond is a bond between a zinc atom and an oxygen atom that is strong enough to be broken by high-temperature treatment performed during thermal history or by electrical stress applied during a stress test. It is a combination that occurs in When weak Zn--O bonds exist in a metal oxide, the bonds are broken by thermal history or current stress, and oxygen vacancies are formed. The formation of oxygen vacancies reduces the stability of the transistor, such as resistance to thermal history and resistance to stress tests.
亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いZn
-O結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱
い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛
原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
The bond that occurs between the zinc atom and the oxygen atom, which is often bonded to the zinc atom, is a weak Zn
-O bond may be present. Compared to gallium atoms, zinc atoms have weaker bonds with oxygen atoms. Therefore, oxygen atoms that are bonded to many zinc atoms are likely to be deleted. That is, it is presumed that the bond formed between the zinc atom and the oxygen atom is weaker than the bond with other metals.
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いZn-O結合が形成されやすいと推
測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中
に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合す
る(OH結合ともいう。)場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、In-Ga-
Zn酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子4つと結合している。し
かしながら、水素原子と結合した酸素原子は、2つまたは3つの金属原子と結合している
場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損
しやすくなる。なお、OH結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、
該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
Furthermore, it is assumed that when impurities are present in the metal oxide, weak Zn--O bonds are likely to be formed. Examples of impurities in metal oxides include water molecules and hydrogen. Due to the presence of water molecules and hydrogen in the metal oxide, the hydrogen atoms may bond with the oxygen atoms constituting the metal oxide (also referred to as OH bond). The oxygen atoms constituting the metal oxide are In-Ga-
When the Zn oxide is a single crystal, it is bonded to four metal atoms constituting the metal oxide. However, an oxygen atom bonded to a hydrogen atom may be bonded to two or three metal atoms. As the number of metal atoms bonded to an oxygen atom decreases, the oxygen atom becomes more likely to be deficient. In addition, when a zinc atom is bonded to an oxygen atom forming an OH bond,
It is presumed that the bond between the oxygen atom and the zinc atom is weak.
また、弱いZn-O結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成され
る場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角
形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いZn
-O結合が形成されていると推測される。
In addition, weak Zn--O bonds may be formed in a strain that exists in a region where a plurality of nanocrystals are connected. Nanocrystals are basically hexagonal, but in this distortion, they have lattice arrangements such as pentagonal and heptagonal. In this strain, the bond distance between atoms is not uniform, so the weak Zn
It is presumed that an -O bond is formed.
また、弱いZn-O結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測さ
れる。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子4つ
または5つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合
する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると
、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は
、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
Furthermore, it is assumed that weak Zn--O bonds are likely to be formed when the metal oxide has low crystallinity. When the metal oxide has high crystallinity, the zinc atoms constituting the metal oxide are bonded to four or five oxygen atoms. However, as the crystallinity of the metal oxide decreases, the number of oxygen atoms bonded to zinc atoms tends to decrease. When the number of oxygen atoms bonded to a zinc atom decreases, the zinc atom becomes more likely to become defective. That is, it is presumed that the bond formed between the zinc atom and the oxygen atom is weaker than the bond formed in a single crystal.
上記の弱いZn-O結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱履歴
または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させる
ことができる。なお、弱いZn-O結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いZn-O
結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱
いZn-O結合が再形成される場合がある。したがって、弱いZn-O結合を構成する亜
鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
By reducing the oxygen atoms and zinc atoms that constitute the above-mentioned weak Zn--O bonds, it is possible to suppress the formation of oxygen vacancies due to thermal history or current stress, and improve the stability of the transistor. Note that only the oxygen atoms constituting the weak Zn-O bond are reduced, and the weak Zn-O
If the zinc atoms constituting the bond are not reduced, the weak Zn--O bond may be re-formed when oxygen atoms are supplied near the zinc atom. Therefore, it is preferable to reduce the number of zinc atoms and oxygen atoms that constitute weak Zn--O bonds.
弱いZn-O結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金
属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空
雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行う
ことで維持される。なお、処理室の圧力は、1×10-2Pa以下、好ましくは1×10
-3Pa以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、300℃以上、好ましく
は400℃以上とすればよい。
One method for reducing oxygen atoms and zinc atoms that constitute weak Zn--O bonds is to perform vacuum baking after forming a metal oxide film. Vacuum baking is a heat treatment performed in a vacuum atmosphere. The vacuum atmosphere is maintained by evacuation using a turbo molecular pump or the like. Note that the pressure in the processing chamber is 1×10 −2 Pa or less, preferably 1×10
-3 Pa or less is sufficient. Further, the temperature of the substrate during the heat treatment may be 300° C. or higher, preferably 400° C. or higher.
真空ベークを実施することで、弱いZn-O結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を
低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱
いZn-O結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する
原子が再配列することで、4つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって
、弱いZn-O結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いZn-
O結合が再形成されるのを抑制することができる。
By performing vacuum baking, oxygen atoms and zinc atoms that constitute weak Zn--O bonds can be reduced. In addition, since heat is applied to the metal oxide by vacuum baking, the oxygen atoms and zinc atoms that make up the weak Zn-O bond are reduced, and the atoms that make up the metal oxide rearrange, resulting in the formation of four metals. The number of oxygen atoms bonded to atoms increases. Therefore, the oxygen atoms and zinc atoms that constitute the weak Zn-O bond are reduced, and the weak Zn-
Re-formation of O bonds can be suppressed.
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化
物中の水分子または水素を放出し、OH結合を低減することができる。金属酸化物中のO
H結合が減少することで、4つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また
、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、4
つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いZn-O結合が再形成
されるのを抑制することができる。
Further, when impurities are present in the metal oxide, vacuum baking can release water molecules or hydrogen in the metal oxide and reduce OH bonds. O in metal oxides
By reducing the H-bonds, the proportion of oxygen atoms bonded to the four metal atoms increases. Also, when water molecules or hydrogen are released, the atoms constituting the metal oxide rearrange, resulting in 4
The number of oxygen atoms bonded to one metal atom increases. Therefore, reformation of weak Zn--O bonds can be suppressed.
以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いZn-O
結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程に
より、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向
上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
As described above, by performing vacuum baking after forming a metal oxide film, weak Zn-O
Oxygen atoms and zinc atoms that constitute bonds can be reduced. Therefore, this step can improve the stability of the transistor. Furthermore, by improving the stability of the transistor, the degree of freedom in selecting materials and formation methods increases.
<半導体装置の作製方法>
次に、図1に示す、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につ
いて、作製方法を図5乃至図14を用いて説明する。また、図5乃至図14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。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。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 semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device including the
is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed line A5-A6 in (A). In addition, in each figure (
In the top view of A), some elements are omitted for clarity.
まず、基板(図示しない。)を準備し、当該基板上に絶縁体214を成膜する。絶縁体
214の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vap
or 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ALD(Atomic Layer Deposi
tion)法などを用いて行うことができる。
First, a substrate (not shown) is prepared, and an
or Deposition) method, molecular beam epitaxy (MBE:Molecular
Beam Epitaxy) method, Pulsed Laser Deposition (PLD)
method, or ALD (Atomic Layer Deposition) method, or ALD (Atomic Layer Deposition) method.
This can be done using a method such as tion).
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 C
VD)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。
Note that the CVD method is plasma CVD (PECVD) that uses plasma.
Enhanced CVD) method, Thermal CVD (TCVD: Thermal C
It can be classified into the photo CVD method, which uses light, and the photo CVD method, which uses light. Furthermore, depending on the raw material gas used, metal CVD (MCVD) method, organometallic CVD method, etc.
(MOCVD: Metal Organic CVD) method.
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 a high quality film at a relatively low temperature. Further, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film forming method that can reduce plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitors, 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, etc. included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of a thermal CVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of semiconductor devices can be increased. Further, in the thermal CVD method, since plasma damage does not occur during film formation, a film with fewer defects can be obtained.
また、ALD法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積するこ
とができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホー
ルなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、および低温での成膜が可
能、などの効果がある。また、ALD法には、プラズマを利用した成膜方法PEALD(
Plasma Enhanced ALD)法も含まれる。プラズマを利用することで、
より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。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 Photoelectro
n Spectroscopy)を用いて行うことができる。
In addition, the ALD method uses the self-control property of atoms to deposit atoms one layer at a time, making it possible to form extremely thin films and structures with high aspect ratios. It has the following effects: it is possible to form a film with few defects such as holes, it is possible to form a film with excellent coverage, and it is possible to form a film at a low temperature. In addition, the ALD method includes PEALD (a film forming method using plasma).
Also included is the Plasma Enhanced ALD method. By using plasma,
It may be possible to form a film at a lower temperature, which may be preferable. Note that 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 a film formed by other film forming methods. The impurities can be quantified using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
n Spectroscopy).
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 an object, unlike film-forming methods in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, this is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be processed and 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 other film formation methods such as the CVD method, which has a fast 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 obtained film can be controlled by the flow rate ratio of source gases. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed by changing the flow rate ratio of source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, by changing the flow rate ratio of the raw material gas while forming the film, it is possible to form a film in which the composition changes continuously. When forming a film while changing the flow rate ratio of raw material gases, compared to forming a film using multiple film formation chambers, the time required for film formation is reduced because it does not require time for transportation or pressure adjustment. can do. Therefore, it may be possible to improve the productivity of semiconductor devices.
本実施の形態では、絶縁体214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214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, aluminum oxide is formed as the
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
In this embodiment, silicon oxide is formed as the
次に、リソグラフィー法を用いて、絶縁体216に、絶縁体214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214は、絶
縁体216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216に酸化シリコンを用
いた場合は、絶縁体214は、エッチングストッパとして機能する絶縁体として、窒化シ
リコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
Next, an opening reaching the
なお、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、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングな
どのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処
理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチ
ング処理を行うことができる。
Note that in the lithography method, the resist is first exposed to light through a mask. Next, a resist mask is formed by removing or leaving the exposed area using a developer. next,
By performing an etching process through the resist mask, a conductor, semiconductor, insulator, or the like can be processed into a desired shape. For example, a resist mask may be formed by exposing a resist to light 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. Further, instead of the light described above, an electron beam or an ion beam may be used. Note that when using an electron beam or an ion beam, a mask is not required. Note that the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, by performing a wet etching process, by performing a wet etching process after a dry etching process, or by performing a dry etching process after a wet etching process.
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、絶縁体216となる絶縁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。絶縁体216となる絶
縁膜のエッチングは、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。絶縁体216となる絶縁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。
Furthermore, a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of a resist mask. When using a hard mask, an insulating film or a conductive film that serves as a hard mask material is formed on the insulating film that will serve as 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 Coupl
ed 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) with parallel plate electrodes is used.
:Capacitively Coupled Plasma) etching apparatus can be used. A capacitively coupled plasma etching apparatus having parallel plate type electrodes may have a configuration in which a high frequency power source is applied to one electrode of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a configuration may be adopted in which a plurality of different high frequency power sources are applied to one electrode of a parallel plate type electrode. Alternatively, a configuration may be adopted in which a high frequency power source having the same frequency is applied to each of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a configuration may be adopted in which high frequency power sources having different frequencies are applied to each of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used. A dry etching apparatus having a high-density plasma source is, for example, an inductively coupled plasma (ICP).
A plasma etching device or the like can be used.
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。当該導電膜は
、不純物や酸素の透過を抑制する機能を有する導電性バリア膜を用いることが好ましい。
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 forming the opening, a conductive film that becomes the first conductor of the
For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, it can be a laminated film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and molybdenum-tungsten alloy. The conductive film that becomes 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、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205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、導電体205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205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, tantalum nitride, tantalum nitride,
Alternatively, a film in which titanium nitride is laminated on tantalum nitride is formed. By using such a metal nitride as 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。本実施の形態では、導電体2
05の第2の導電体となる導電膜として、タングステン、銅、アルミニウムなどの低抵抗
導電性材料を成膜する。
Next, a conductive film that will become the second conductor of the
This can be performed using a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, the
A low resistance conductive material such as tungsten, copper, or aluminum is formed as a conductive film to become the second conductor of No. 05.
次に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)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研磨により除去し、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5
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 a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process, part of the conductive film that will become the first conductor of the
reference. ). Note that part of the
なお、絶縁体216および導電体205の作製方法は上記に限られるものではない。例
えば、絶縁体214の上に導電体205となる導電膜を成膜し、リソグラフィー法を用い
て当該導電膜加工することで導電体205を形成する。次に、導電体205を覆うように
絶縁体216となる絶縁膜を設け、CMP処理により当該絶縁膜の一部を、導電体205
の一部が露出するまで除去することで導電体205、および絶縁体216を形成してもよ
い。
Note that the method for manufacturing the
The
上記のようにCMP処理を用いて導電体205、および絶縁体216を形成することで
、導電体205と絶縁体216の上面の平坦性を向上させることができ、後工程にて酸化
物230a、酸化物230bおよび酸化物230cを構成するCAAC-OSの結晶性を
向上させることができる。
By forming the
次に、絶縁体216、および導電体205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200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200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
It is preferable to form a film of an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium. Note that as the insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like. Insulators containing oxides of one or both of aluminum and hafnium have barrier properties against oxygen, hydrogen, and water. Since the
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A
LD法などを用いて行うことができる。
The film of the
This can be done using the LD method or the like.
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
。
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、窒素または不活性ガス雰囲気、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、窒素または不活性ガス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, it is preferable to perform heat treatment. The heat treatment may be performed at a temperature of 250°C or higher and 650°C or lower, preferably 300°C or higher and 500°C or lower, and 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, or in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of oxidizing gas. Further, the heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of oxidizing gas to compensate for the desorbed oxygen after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere. good.
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体224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、絶縁体224に含まれる水、水素
などの不純物を除去することなどができる。また、加熱処理は、絶縁体222の成膜後な
どのタイミングで行うこともできる。
In this embodiment, heat treatment is performed at 400° C. in a nitrogen atmosphere after the
Treatment is carried out at a temperature of 1 hour. Through the heat treatment, impurities such as water and hydrogen contained in 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、水素などの不純物を
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
It may also have a power supply that applies radio frequency). By using high-density plasma, high-density oxygen radicals can be generated, and by applying RF to the substrate side, the oxygen radicals generated by high-density plasma can be efficiently guided into the
Plasma treatment containing oxygen may be performed to compensate for the desorbed oxygen. Note that impurities such as water and hydrogen contained in the
次に、絶縁体224上に、酸化膜230A、および酸化膜230Bを順に成膜する(図
5参照。)。なお、上記酸化膜は、大気環境に曝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23
0Bとの界面近傍を清浄に保つことができる。
Next, an
The vicinity of the interface with 0B can be kept clean.
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
This can be carried out using a method such as a method, a PLD method, or an ALD method.
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酸化物ターゲットなどを用いることができる。また、ターゲット
には、直流(DC)電源または、高周波(RF)電源などの交流(AC)電源が接続され
、ターゲットの電気伝導度に応じて、必要な電力を印加することができる。
For example, when forming 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。
Particularly, when forming 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。また、基板を加熱し
ながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。ただし
、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化物230bとなる酸化膜をスパッタリング
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、30%を超えて100
%以下、好ましくは70%以上100%以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導
体が形成される。酸素過剰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
、比較的高い信頼性が得られる。
Furthermore, when the
% or less, preferably 70% or more and 100% or less, an oxygen-excess type oxide semiconductor is formed. A transistor using an oxygen-rich oxide semiconductor in a channel formation region has relatively high reliability.
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=1:1:0.5[原子数比](2:2:1[原子数比])、あるいは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2
30に求める特性に合わせて形成するとよい。
In this embodiment, the
Zn=1:1:0.5 [atomic ratio] (2:2:1 [atomic ratio]) or 1:3:4 [
A film is formed using a target with the following atomic ratio. Further, the
It is preferable to form it in accordance with the characteristics required for 30.
ここで、絶縁体222、絶縁体224、酸化膜230A、および酸化膜230Bを、大
気に暴露することなく成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装
置を用いればよい。
Here, it is preferable that 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、水素などの不
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. The heat treatment can remove impurities such as water and hydrogen 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6参照。)。なお、当該工程において、絶縁体224
の酸化物230aと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある。また、当該工程におい
て、絶縁体224を、酸化物230aと重畳する島状に加工し、絶縁体222の一部が露
出される構成にしてもよい。
Next, the
The film thickness may be thinner in a region that does not overlap with 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の側面と絶縁体2
22の上面のなす角が低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、絶縁体266などの被覆
性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。または、酸化物230bの側面は、
絶縁体222の上面に対し、概略垂直にしてもよい。酸化物230a、および酸化物23
0b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
200を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。
Here, the
22 may be configured so that the angle formed by the upper surface thereof is a small angle. In that case, the angle between the side surfaces of
It may be approximately perpendicular to the upper surface of the
Since the side surface of 0b is approximately perpendicular to the upper surface of the
また、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層の端部において、曲率半径が、3nm以上1
0nm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。
Further, a curved surface is provided between the side surface of the
The thickness is 0 nm or less, preferably 5 nm or more and 6 nm or less. By not having corners at the ends, the coverage of the film in the subsequent film forming process is improved.
なお、酸化膜230A、および酸化膜230B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ェ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 the
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, by performing a process such as dry etching, impurities caused by etching gas or the like may adhere to or diffuse into the surfaces or insides of 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
たウェット洗浄、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. Cleaning methods include wet cleaning using cleaning liquid, plasma treatment using plasma, and cleaning by heat treatment.
The above washing may be performed in combination as appropriate.
ウェット洗浄としては、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。
The wet cleaning may be performed using an aqueous solution of oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like diluted 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.
次に、酸化物230cとなる酸化膜の成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処
理は、100℃以上400℃以下で行えばよく、例えば200℃で行えばよい。あるいは
、酸化物230cとなる酸化膜の成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成
膜温度とは、成膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、酸
化物230cとなる酸化膜を300℃で成膜する場合、当該加熱処理は300℃とするこ
とが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行
ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰
囲気では、処理室の圧力は、1×10-2Pa以下、好ましくは1×10-3Pa以下と
すればよい。
Next, it is preferable to perform heat treatment before forming an oxide film that will become the
次に、酸化物230aおよび酸化物230bを覆って、酸化物230cとなる酸化膜を
成膜する(図6参照。)。また、上記加熱処理後、大気に暴露することなく、連続して酸
化物230cとなる酸化膜の成膜を行うことが好ましい。例えば、後述するマルチチャン
バー方式の成膜装置などを用いて、加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで、連続して
行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物230aおよび酸化物
230bの表面などに表面に吸着している水分、水素、炭素などの不純物を除去し、さら
に酸化物230aおよび酸化物230b中の水分濃度および水素濃度を低減させることが
できる。当該加熱処理により除去される不純物には、水素と炭素の結合を有する不純物や
、水素と酸素の結合を有する不純物なども含まれる。さらに、外気に曝さず連続で加熱処
理と成膜を行うことで、水素などの不純物が酸化物230に再侵入することを防ぐことが
できる。
Next, an oxide film to become the
酸化物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となる酸化膜に求め
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、
酸化物230cとなる酸化膜となる酸化膜を成膜すればよい。酸化物230cとなる酸化
膜として、In-Ga-Zn酸化物や、Inを含まない酸化物を用いることができる。I
nを含まない酸化物として、Ga-Zn酸化物や、酸化ガリウムなどを用いることができ
る。また、酸化物230cとなる酸化膜として、In-Ga-Zn酸化物とInを含まな
い酸化物の積層構造を用いてもよい。酸化物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]、4:2:4.1[原子数比
]、Ga:Zn=2:1[原子数比]、あるいはGa:Zn=2:5[原子数比]のター
ゲットを用いて成膜する。本実施の形態では、酸化物230cとなる酸化膜は、スパッタ
リング法によって、1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。
The oxide film that becomes
This can be carried out using a method such as a method, an ALD method, or the like. Using the same film formation method as the
An oxide film that becomes the
As the oxide that does not contain n, Ga--Zn oxide, gallium oxide, or the like can be used. Further, as the oxide film serving as the
また、酸化物230cとなる酸化膜は、第1の酸化膜と、第1の酸化膜上の第2の酸化
膜からなる積層構造を有していてもよく、酸化膜230Bの形成に用いたターゲットと同
様のターゲットを用いて第1の酸化膜を形成し、酸化膜230Aの形成に用いたターゲッ
トと同様のターゲットを用いて第2の酸化膜を形成してもよい。
Further, the oxide film that becomes the
酸化物230cとなる酸化膜の成膜は、基板を加熱しながら行うことが好ましい。この
とき、基板温度を300℃以上にすることで、酸化物230a、酸化物230b、および
酸化物230cとなる酸化膜中の酸素欠損を低減することができる。また、例えば、後述
する絶縁体250の成膜温度と同じ温度で成膜してもよい。また、このように基板を加熱
しながら成膜することで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cとな
る酸化膜の結晶性の向上を図ることもできる。
It is preferable to form an oxide film to become the
特に、酸化物230cとなる酸化膜の成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の
一部が酸化物230aおよび酸化物230bに供給される場合がある。したがって、酸化
物230cとなる酸化膜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。また、基板を加熱しながら成
膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。
In particular, when forming an oxide film to become the
次に、酸化物230cとなる酸化膜を島状に加工して、酸化物230cを形成する(図
6参照。)。図6に示すように、酸化物230cは、酸化物230aおよび酸化物230
bを覆うように加工する。なお、酸化物230cの形成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ェ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。酸化物230cの形成の
詳細は、酸化物230aおよび酸化物230bの形成方法を参照すればよい。
Next, the oxide film that will become the
Process to cover b. Note that the
次に、絶縁体250の成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、100℃
以上400℃以下で行えばよく、例えば200℃で行えばよい。あるいは、絶縁体250
の成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成膜中の基板温度
に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、絶縁体250を350℃で成膜す
る場合、当該加熱処理は350℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行う
ことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ
等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、1×10-2Pa
以下、好ましくは1×10-3Pa以下とすればよい。
Next, it is preferable to perform heat treatment before forming the
The above temperature may be 400°C or lower, for example, 200°C. Alternatively, the
It is preferable to perform the process at the same temperature as the film forming temperature. Here, the film-forming temperature is not limited to the substrate temperature during film-forming, but also includes the set temperature of the film-forming apparatus. For example, when forming the
Below, it is preferably 1×10 −3 Pa or less.
次に、酸化物230cを覆って、絶縁体250を成膜する(図6参照。)。絶縁体25
0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。絶縁体250としては、ALD法を用いて、酸化シリコン、酸化
ハフニウム、または酸化ガリウムなどを成膜することが好ましい。例えば、絶縁体250
として、酸化シリコンと、酸化シリコン上の酸化ガリウムの積層膜を用いればよい。なお
、絶縁体250を成膜する際の成膜温度は、300℃以上450℃未満、好ましくは30
0℃以上400℃未満、特に350℃前後とすることが好ましい。例えば、絶縁体250
を、350℃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。
Next, an
0 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the
For this purpose, a laminated film of silicon oxide and gallium oxide on silicon oxide may be used. Note that the film forming temperature when forming the
The temperature is preferably 0°C or higher and lower than 400°C, particularly around 350°C. For example,
By forming a film at 350° C., an insulator containing few impurities can be formed.
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
マに絶縁体250を曝すことで、絶縁体250へ酸素を導入することができる。
Note that oxygen can be introduced into the
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、絶縁体250の水分濃度および水素濃度を低減させることが
できる。
Further, heat treatment may be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. Through the heat treatment, the moisture concentration and hydrogen concentration of the
次に、絶縁体250の上に、ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜を成膜する。
Next, a dummy gate film that will become the
ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜は、加工してダミーゲートとして使用する
。ダミーゲートとは、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート262Aとな
るダミーゲート膜を加工することで、仮のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミ
ーゲートを除去し、代わりに導電膜等によるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲー
ト262Aとなるダミーゲート膜は微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用い
ることが好ましい。
The dummy gate film that becomes the
ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜の成膜は、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。例えば、絶縁体、半
導体、または導電体を用いることができる。具体的には、ポリシリコン、微結晶シリコン
、アモルファスシリコンなどのシリコン、アルミニウム、チタン、タングステンなどの金
属膜などを用いればよい。または、塗布法を用いて、炭素を含む膜、SOG(Spin
On Glass)、樹脂膜などを形成しても良い。例えば、フォトレジスト、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。SOG、樹脂膜を塗布法によって形成することで、
ダミーゲート膜の表面を平坦にすることができる。このように、ダミーゲート膜の表面を
平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去も容易である。
The dummy gate film that becomes the
This can be performed using an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, an insulator, a semiconductor, or a conductor can be used. Specifically, silicon such as polysilicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon, or a metal film such as aluminum, titanium, or tungsten may be used. Alternatively, using a coating method, a film containing carbon, SOG (Spin
On Glass), a resin film, etc. may be formed. Examples include photoresist, polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate or acrylic. By forming SOG and resin film by coating method,
The surface of the dummy gate film can be made flat. By flattening the surface of the dummy gate film in this manner, microfabrication is facilitated and removal is also facilitated.
ダミーゲートは、後述するドーパントの添加において、酸化物230を当該ドーパント
から保護する必要がある。このため、ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜は十分
な硬度を持っていることが好ましい。このようなダミーゲート膜としては、例えば、炭素
を含む膜が好適である。
The dummy gate needs to protect the
また、ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜は、異なる膜種を用いて多層膜とす
ることもできる。例えば、ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜を導電膜と該導電
膜上に樹脂膜を形成する2層構造の膜とすることができる。ダミーゲート膜をこのような
構造とすることで、例えば、後のCMP工程において、該導電膜がCMP処理のストッパ
膜として機能する場合がある。または、CMP処理の終点検出が可能となる場合があり、
加工ばらつきの低減が可能となる場合がある。
Further, the dummy gate film serving as the
It may be possible to reduce processing variations.
次に、リソグラフィー法によって、ダミーゲート262Aとなるダミーゲート膜をエッ
チングし、ダミーゲート262Aを形成する(図7参照。)。ダミーゲート262A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。
Next, the dummy gate film that will become the
It is formed so that at least a portion thereof overlaps with the
また、ダミーゲート262Aの形成後に熱処理を行って、ダミーゲート262Aを硬化
させてもよい。特に、ダミーゲート262Aの形状をアスペクト比が高い形状にする場合
、ダミーゲート262Aを硬化させておくことにより、ダミーゲート262Aの変形を防
ぐことができる。
Further, after forming the
次に、ダミーゲート262Aをマスクとして、酸化物230bおよび酸化物230cに
ドーパント257を添加する(図7参照。)。これにより、酸化物230bのダミーゲー
ト262Aと重畳していない領域に、ドーパント257を含む、層253aおよび層25
3bが形成される。このように、ダミーゲート262Aのチャネル長方向の長さによって
、層253aと層253bの間の距離、つまりチャネル長を制御することができる。
Next, using the
3b is formed. In this way, the distance between the
ドーパント257の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加す
るイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法
、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。質量
分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方
、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原
子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。
なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換え
てもよい。
As a method for adding the
Note that the dopant may also be referred to as an ion, donor, acceptor, impurity, element, or the like.
ドーパント257としては、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合す
る元素などを用いればよい。このような元素としては、代表的には、ホウ素、またはリン
が挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用い
てもよい。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、及びキセノン等がある。また、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
の金属元素を添加してもよい。上述した中でもドーパント257としては、ホウ素、及び
リンが好ましい。ホウ素、リンをドーパント257として用いる場合、アモルファスシリ
コン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、設備投
資を抑制することができる。
As the
特に、ドーパント257として、酸化物を形成しやすい元素を用いることが好ましい。
このような元素としては、代表的にはホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム等があ
る。
In particular, it is preferable to use an element that easily forms an oxide as the
Such elements typically include boron, phosphorus, aluminum, magnesium, and the like.
ドーパント257を添加する際に用いる原料ガスとしては、上記不純物元素を含むガス
を用いることができる。ホウ素を供給する場合、代表的にはB2H6ガスやBF3ガスな
どを用いることができる。またリンを供給する場合には、代表的にはPH3ガスを用いる
ことができる。また、これらの原料ガスを希ガスで希釈した混合ガスを用いてもよい。
As the raw material gas used when adding the
その他、原料ガスとして、CH4、N2、NH3、AlH3、AlCl3、SiH4、
Si2H6、F2、HF、H2及び希ガス等を用いることができる。また、イオン源はガ
スに限られず、液体または固体を気化させたものをイオン源としてもよい。
Other raw material gases include CH 4 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , SiH 4 ,
Si2H6 , F2 , HF, H2 , rare gas, etc. can be used. Further, the ion source is not limited to gas, and may be a vaporized liquid or solid.
ドーパント257の添加は、絶縁体250、および酸化物230bの組成や密度、厚さ
などを考慮して、加速電圧やドーズ量などの条件を設定することで制御することができる
。特に、ドーパント257が、絶縁体250のダミーゲート262Aと接していない部分
を貫通できるように、十分なエネルギーを与えることが好ましい。
Addition of the
ドーパント257の添加量は、後述するドーパント258の添加量よりも多いことが好
ましい。これにより、層252よりも高濃度に元素が注入された層253を形成すること
ができる。また、ドーパント257の添加は、ドーパント258よりも高い加速電圧で行
ってもよい。これにより、層252よりも深くまで元素が分布した層253を形成するこ
とができる。
It is preferable that the amount of
また、図7では、ドーパント257を絶縁体214の上面に略垂直に添加しているが、
これに限られず、ドーパント257の添加を絶縁体214の上面に対して傾斜させて行っ
てもよい。絶縁体214の上面に対して傾斜させてドーパントを添加させることにより、
ダミーゲート262Aと重畳する領域の一部に層253aおよび層253bを形成するこ
とが容易になる。
Furthermore, in FIG. 7, the
The present invention is not limited to this, and the
It becomes easy to form the
また、本実施の形態の作成方法では、ドーパント257は、絶縁体250を介して酸化
物230に添加される。当該作製方法とすることで、絶縁体250にもドーパント257
が添加される。すなわち、酸化物230、及び絶縁体250の双方がドーパント257に
含まれる元素を有する。また、絶縁体250が過剰酸素を有する場合、ドーパント257
によって、外部への過剰酸素の拡散を抑制できる場合がある。また、酸化物230b、酸
化物230cおよび絶縁体250の下に設けられている、酸化物230a、絶縁体224
および絶縁体222にもドーパント257が添加される場合がある。よって、酸化物23
0a、絶縁体224および絶縁体222がドーパント257に含まれる元素を有する場合
がある。
Further, in the manufacturing method of this embodiment, the
is added. That is, both the
In some cases, the diffusion of excess oxygen to the outside can be suppressed. Further, the
A
0a, the
次に、ダミーゲート262Aの一部を除去して(以下において、スリミング処理という
場合がある。)、ダミーゲート262Bを形成する(図8参照)。ダミーゲート262B
は、ダミーゲート262Bを縮小したような形状である。よって、図8(B)に示すよう
に、酸化物230bおよび酸化物230cの層253が形成されていない領域の一部をダ
ミーゲート262Bから露出させることができる。この酸化物230bの層253が形成
されていない領域の一部は、後の工程でドーパント258を添加させて層252となる。
言い換えると、酸化物230bのダミーゲート262Bが重畳している領域が、チャネル
形成領域として機能する領域234になる。
Next, a portion of the
The shape is like a scaled-down
In other words, the region of the
スリミング処理としては、例えば、ラジカル状態の酸素(酸素ラジカル)を用いたアッ
シング処理を適用することができる。ただし、スリミング処理は、ダミーゲート262A
をより微細なパターンに加工できる処理であれば、上述のアッシング処理に限定する必要
はない。例えば、酸素を含む雰囲気下でのプラズマ処理もしくは加熱処理、またはオゾン
雰囲気下に曝した状態で紫外光を照射する処理、ドライエッチング処理またはウェットエ
ッチング処理などを用いることができる。なお、ダミーゲート262Bによってトランジ
スタ200のチャネル長が決定されるので、当該スリミング処理としては、制御性の良い
処理を適用することが望ましい。
As the slimming process, for example, an ashing process using oxygen in a radical state (oxygen radicals) can be applied. However, the slimming process is performed using the
It is not necessary to limit the process to the above-mentioned ashing process as long as the process can process the process into a finer pattern. For example, plasma treatment or heat treatment in an atmosphere containing oxygen, treatment in which ultraviolet light is irradiated under an ozone atmosphere, dry etching treatment, wet etching treatment, etc. can be used. Note that since the channel length of the
スリミング処理によって、ダミーゲート262AのA1-A2方向の長さを、露光装置
の解像限界以下、例えば、解像限界の1/2以下、好ましくは1/3以下の線幅まで微細
化することが可能である。これにより、例えば、トランジスタ200のチャネル長を、1
nm以上60nm以下、より好ましくは15nm以上40nm以下とすることができる。
このように、チャネル長を短くすることにより、トランジスタ200のオン電流を大きく
し、S値を良好にし、周波数特性の向上を図ることができる。
By slimming processing, the length of the
The thickness can be 15 nm or more and 40 nm or less, more preferably 15 nm or more and 40 nm or less.
By shortening the channel length in this manner, the on-current of the
次に、ダミーゲート262Bをマスクとして、酸化物230bおよび酸化物230cに
ドーパント258を添加する(図9参照。)。これにより、酸化物230bおよび酸化物
230cのダミーゲート262Bと重畳しておらず、且つ層253が形成されていない領
域に、ドーパント258を含む、層252aおよび層252bが形成される。このように
、ダミーゲート262BのA1-A2方向の幅によって、層252aと層252bの距離
、すなわち、トランジスタ200のチャネル長を制御することができる。
Next, a
ドーパント258の添加方法は、上記のドーパント257の添加方法と同様の方法を用
いることができる。このとき、ドーパント258が、絶縁体250のダミーゲート262
Bと接していない部分を貫通できるように、十分なエネルギーを与えることが好ましい。
また、ドーパント258としては、ドーパント257と同様に、上述の酸素欠損を形成す
る元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。ただし、ドーパント258
の添加量は、ドーパント257の添加量よりも少ないことが好ましい。
The method for adding the
It is preferable to apply sufficient energy so that the portion that is not in contact with B can be penetrated.
Further, as the
It is preferable that the amount of
また、図9では、ドーパント258を絶縁体214の上面に略垂直に添加しているが、
これに限られず、ドーパント258の添加を絶縁体214の上面に対して傾斜させて行っ
てもよい。絶縁体214の上面に対して傾斜させてドーパントを添加させることにより、
ダミーゲート262Bと重畳する領域の一部にも層252aおよび層252bを形成する
ことができる場合がある。
Furthermore, in FIG. 9, the
The present invention is not limited to this, and the
The
また、本実施の形態の作成方法では、ドーパント258は、絶縁体250を介して酸化
物230に添加される。当該作製方法とすることで、絶縁体250にもドーパント258
が添加される。すなわち、酸化物230b、及び絶縁体250の双方がドーパント258
に含まれる元素を有する。また、絶縁体250が過剰酸素を有する場合、ドーパント25
8によって、外部への過剰酸素の拡散を抑制できる場合がある。また、ドーパント258
は、層253にも添加されるので、層253がドーパント258に含まれる元素を有する
場合がある。また、酸化物230b、酸化物230cおよび絶縁体250の下に設けられ
ている、酸化物230a、絶縁体224および絶縁体222にもドーパント258が添加
される場合がある。よって、酸化物230a、絶縁体224および絶縁体222がドーパ
ント258に含まれる元素を有する場合がある。
Further, in the manufacturing method of this embodiment, the
is added. That is, both the
It has elements contained in. Additionally, if the
8, it may be possible to suppress the diffusion of excess oxygen to the outside. In addition,
is also added to layer 253, so layer 253 may have elements included in
以上のように、ダミーゲート262Aおよびダミーゲート262Bをマスクとして、層
252および層253を形成することにより、後の工程で形成する導電体260を、層2
53aと層253bの間に自己整合的に配置させ、且つ層252aと層252bの上に自
己整合的に重畳させることができる。
As described above, by forming the layer 252 and the layer 253 using the
It can be self-aligned between layer 53a and
なお、ドーパント257の添加後、またはドーパント258の添加後に熱処理を行って
もよい。当該熱処理により、チャネル形成領域として機能する領域234に含まれる水素
を、層253に含まれる酸素欠損で捕獲できる場合がある。これにより、トランジスタ2
00に安定な電気特性を与え、信頼性の向上を図ることができる。また、当該熱処理は、
以降の工程で行ってもよい。
Note that heat treatment may be performed after adding the
It is possible to provide stable electrical characteristics to 00 and improve reliability. In addition, the heat treatment is
It may be performed in subsequent steps.
次に、絶縁体250、およびダミーゲート262Bを覆って、絶縁膜266Aを成膜す
る(図10参照。)。絶縁膜266A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266Aは、水素などの不純物や、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁膜を
用いることが好ましい。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、酸素を含むガスを用いて酸化アルミニ
ウム膜を成膜することによって、絶縁体250中へ酸素を注入することができる。つまり
、絶縁体250は過剰酸素を有することができる。
As the insulating
また、絶縁膜266Aとして、高温で基板加熱を行いながら、酸化アルミニウムを成膜
してもよい。絶縁膜266A成膜時の基板加熱温度は、200℃以上、好ましくは250
℃以上、より好ましくは350℃以上にすればよい。このとき、絶縁膜266Aを成膜す
る前に、ALD法を用いて酸化アルミニウムを成膜しておくことにより、上記の温度で絶
縁膜266Aを成膜したときに、ダミーゲート262Bが変形することを防ぐことができ
る。
Further, as the insulating
℃ or higher, more preferably 350℃ or higher. At this time, by forming aluminum oxide using the ALD method before forming the insulating
後の工程において、ダミーゲート262Bと絶縁膜266Aのダミーゲート262Bに
接している部分を除去して、開口263を形成する。つまり、絶縁膜266Aの膜厚によ
って、開口263の大きさを制御することができる。ここで、層252および層253は
、ダミーゲート262Bの配置に対して自己整合的に形成されている。開口263は、ダ
ミーゲート262Bの位置を中心として、大きさを制御することができる。よって、開口
263を大きくすることで、導電体260を層252と重畳させることができる。さらに
開口263を大きくすることで、導電体260を層253と重畳させることもできる。こ
のように、酸化物230のチャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との間に、
オフセット領域が形成されるのを防ぎ、実効的なチャネル長が導電体260の幅より大き
くなるのを抑制することができる。これにより、トランジスタ200のオン電流を大きく
し、S値を良好にし、周波数特性の向上を図ることができる。なお、開口263の大きさ
、つまりトランジスタ200のオーバーラップ領域の大きさは、トランジスタ200に要
求される電気特性に合わせて適宜設定することができる。
In a later step, the
Formation of an offset region can be prevented, and the effective channel length can be prevented from becoming larger than the width of the
次に、絶縁体250、絶縁膜266A、およびダミーゲート262B上に、絶縁膜28
0Aを成膜する(図10参照。)。絶縁膜280A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, the insulating film 28 is placed on the
A film of 0A is formed (see FIG. 10). The insulating
This can be carried out using a method such as a method, an MBE method, a PLD method, or an ALD method.
次に、絶縁膜280A、絶縁膜266A、およびダミーゲート262Bの一部を、ダミ
ーゲート262Bの一部が露出するまで除去し、絶縁体280、絶縁体266B、および
ダミーゲート262を形成する(図11参照。)。絶縁体280、絶縁体266B、およ
びダミーゲート262の形成にはCMP処理を用いることが好ましい。
Next, parts of the insulating
また、上述のようにダミーゲート262Bを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を
形成する2層構造の膜とすることで、CMP工程において、該導電膜がCMP処理のスト
ッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜がCMP処理の終点検出が可能とな
る場合があり、ダミーゲート262の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図
11(B)に示すように、ダミーゲート262の上面と、絶縁体266Bおよび絶縁体2
80の上面が略一致する。
Further, as described above, by making the
The upper surfaces of 80 substantially match.
次に、ダミーゲート262と、絶縁膜266Aの絶縁体280から露出した部分を除去
し、開口263を形成する(図12参照。)。ダミーゲート262、および絶縁膜266
Aの除去は、絶縁体280をマスクとして、ウェットエッチング、ドライエッチング、ま
たはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合
わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うな
どがある。このとき、絶縁体250がエッチングストッパとして機能することが好ましい
。絶縁膜266Aの一部を除去することにより、絶縁体266を形成する。ダミーゲート
262、および絶縁膜266Aの一部を除去することにより、開口263から絶縁体25
0の表面の一部が露出する。
Next, the
Removal of A can be performed using wet etching, dry etching, ashing, or the like using the
Part of the surface of 0 is exposed.
なお、絶縁体250は必ずしもエッチングストッパとして機能しなくてもよい。例えば
、上記エッチング処理で絶縁体250の絶縁体280から露出した部分も除去し、その後
、開口263に埋め込むように、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を成膜してもよい。
Note that 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、開口263を介して、絶縁体250、酸化物230a、および
酸化物230b中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。例えば、窒素雰
囲気にて600℃の温度で熱処理を行えばよい。
Next, heat treatment may be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. By heat treatment, impurities such as water and hydrogen in the
また、導電膜260Aaおよび導電膜260Abの成膜前に、イオン注入法、イオンド
ーピング法、プラズマ処理法、およびプラズマイマージョンイオンインプランテーション
法から選ばれた一、または複数の方法を用いて、酸化物230b、酸化物230cおよび
絶縁体280に酸素を添加してもよい。このとき、イオン化された原料ガスを質量分離し
て添加するイオン注入法を用いることで、酸化物230b、酸化物230cおよび絶縁体
280に制御よく酸素を添加できるため、好ましい。
Furthermore, before forming the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab, one or more methods selected from ion implantation, ion doping, plasma treatment, and plasma immersion ion implantation are used to form an oxide. Oxygen may be added to 230b,
次に、開口263に埋め込むように、導電膜260Aaおよび導電膜260Abを成膜
する(図13参照。)。導電膜260Aaおよび導電膜260Ab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。
例えば、CVD法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ALD法を用いて、導電
膜260Aaを成膜し、CVD法を用いて導電膜260Abを成膜する。
Next, a conductive film 260Aa and a conductive film 260Ab are formed so as to fill the opening 263 (see FIG. 13). The conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
For example, it is preferable to use the CVD method. In this embodiment, a conductive film 260Aa is formed using an ALD method, and a conductive film 260Ab is formed using a CVD method.
次に、CMP処理によって、導電膜260Aaおよび導電膜260Abを絶縁体280
が露出するまで研磨することによって、導電体260(導電体260aおよび導電体26
0b)を形成する(図14参照。)。
Next, the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab are removed from the
By polishing until the conductor 260 (
0b) (see FIG. 14).
次に加熱処理を行っても良い。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、絶縁体280の水分濃度および水素濃度を低減させることがで
きる。または、絶縁体274となる絶縁膜の成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加
熱処理は、100℃以上400℃以下で行えばよく、例えば200℃で行えばよい。ある
いは、該絶縁膜の成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成
膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、該絶縁膜を250
℃で成膜する場合、当該加熱処理は250℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減
圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ
分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、1×1
0-2Pa以下、好ましくは1×10-3Pa以下とすればよい。
Next, heat treatment may be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. Through the heat treatment, the moisture concentration and hydrogen concentration of the
When forming a film at .degree. C., the heat treatment is preferably performed at 250.degree. The heat treatment is preferably performed under reduced pressure, and may be performed, for example, in a vacuum atmosphere. The vacuum atmosphere is maintained by evacuation using a turbo molecular pump or the like. In a vacuum atmosphere, the pressure in the processing chamber is 1×1
It may be 0 −2 Pa or less, preferably 1×10 −3 Pa or less.
次に、絶縁体280上に、絶縁体274となる絶縁膜を形成する(図14参照。)。絶
縁体274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274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、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 that will become the
Alternatively, it can be performed using an ALD method or the like. As the insulating film serving as the
次に加熱処理を行っても良い。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、絶縁体280の水分濃度および水素濃度を低減させることがで
きる。
Next, heat treatment may be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. Through the heat treatment, the moisture concentration and hydrogen concentration of the
次に絶縁体274上に、絶縁体281となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体281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(図14参照。)。
Next, an insulator that will become the
This can be done using a method or the like (see FIG. 14).
次に、絶縁体266、絶縁体280、絶縁体274および絶縁体281に、層253a
および層253b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。
Next,
and forming an
次に、絶縁体241となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体
241を形成する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PL
D法、またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁体241となる絶縁膜として
は、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ALD
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。また、ALD法やCVD法
を用いて、窒化シリコン膜を成膜してもよい。ALD法を用いて窒化シリコン膜を成膜す
る場合、シリコンおよびハロゲンを含むプリカーサや、アミノシラン類のプリカーサを用
いることができる。シリコンおよびハロゲンを含むプリカーサとして、SiCl4、Si
H2Cl2、Si2Cl6、Si3Cl8等を用いることができる。また、アミノシラン
類のプリカーサとして、1価、2価、または3価のアミノシラン類を用いることができる
。また、窒化ガスとしてアンモニアや、ヒドラジンを用いることができる。また、異方性
エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような
構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体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24
0b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。
Next, an insulating film that will become the
This can be performed using the D method, the ALD method, or the like. As the insulating film serving as the
It is preferable to form the aluminum oxide film by a method. Alternatively, a silicon nitride film may be formed using an ALD method or a CVD method. When forming a silicon nitride film using the ALD method, a precursor containing silicon and halogen or an aminosilane precursor can be used. As a precursor containing silicon and halogen, SiCl 4 , Si
H2Cl2 , Si2Cl6 , Si3Cl8 , etc. can be used . Moreover, monovalent, divalent, or trivalent aminosilanes can be used as precursors of aminosilanes. Furthermore, ammonia or hydrazine can be used as the nitriding gas. Further, the anisotropic etching may be performed by, for example, a dry etching method. By configuring the side wall portion of the opening in this manner, it is possible to suppress permeation of oxygen from the outside and prevent oxidation of the
0b can prevent impurities such as water and hydrogen from diffusing to the outside.
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、水素など不純物の拡散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24
0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AL
D法などを用いて行うことができる。
Next, a conductive film that becomes the
The conductive film serving as the
The conductive film that becomes 0 can be formed by sputtering method, CVD method, MBE method, PLD method or AL.
This can be done using the D method or the like.
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281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1参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体281の一部が除去する場合がある
。
Next, by performing a CMP process, part of the conductive film that will become the
See Figure 1. ). Note that part of the
以上により、図1に示すトランジスタ200を有する半導体装置を作製することができ
る。図5乃至図14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200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、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、高い周波数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、信頼性が良好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、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、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、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 a large on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having high frequency characteristics 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 having good 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 reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly productive semiconductor device can be provided.
<半導体装置の変形例>
以下では、図15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、および当該半導
体装置の作製方法の一例について説明する。
<Modified example of semiconductor device>
15 to 19, a semiconductor device including a
また、図15乃至図19において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)
は、各図の(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、各図の(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。また、各図の(D)は、各図の(A)にA5-A6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。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。
In addition, in FIGS. 15 to 19, (A) in each figure shows a top view. Also, (B) in each figure
1 is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by a dashed-dotted line along line A1-A2 shown in FIG. In addition, (C) in each figure is (A) in each figure.
) is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the dashed-dotted line along A3-A4, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the
なお、図15乃至図19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1参照。)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
。なお、本項目において、トランジスタ200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。
Note that in the semiconductor devices shown in FIGS. 15 to 19, structures having the same functions as the structures configuring the semiconductor device (see FIG. 1) shown in <Configuration Example of Semiconductor Device> are given the same reference numerals. Note that in this item, as the constituent material of the
図15に示すトランジスタ200は、絶縁体266を有しておらず、絶縁体280と絶
縁体250が接している点において、図1に示すトランジスタ200と異なる。
The
図15に示す半導体装置は、ダミーゲート262Bを形成し、ドーパント258を添加
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5乃至9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 semiconductor device shown in FIG. 15 is manufactured using the same method as the semiconductor device shown in FIG. 1 until the
次に、絶縁体250、およびダミーゲート262Bを覆って、ダミー膜267Aとなる
膜を成膜する。ダミー膜267Aとなる膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MB
E法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。ここでダミー膜2
67Aとなる膜は、最終的には除去されるので、微細加工が容易であり、かつ、除去も容
易な膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体266に用いることができる絶縁体を用
いればよい。ただし、後の工程で除去する際に、絶縁体280および絶縁体250に対し
て、十分大きなエッチングレートをとることができるものが好ましい。
Next, a film that will become the
The film can be formed using the E method, PLD method, ALD method, or the like. Here,
Since the film that becomes 67A will be removed eventually, it is preferable to use a film that is easy to microfabricate and also easy to remove. For example, an insulator that can be used for the
次に、ダミー膜267Aとなる膜に異方性エッチングを行い、ダミーゲート262Bの
側壁に接する部分のみを残存させてダミー膜267Aを形成する。(図16参照。)。異
方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。
Next, the film that will become the
後の工程において、ダミーゲート262Bとダミー膜267Aを除去して、開口263
を形成する。つまり、ダミー膜267Aの膜厚によって、開口263の大きさを制御する
ことができる。ここで、層252および層253は、ダミーゲート262Bの配置に対し
て自己整合的に形成されている。開口263は、ダミーゲート262Bの位置を中心とし
て、大きさを制御することができる。よって、開口263を大きくすることで、導電体2
60を層252と重畳させることができる。さらに開口263を大きくすることで、導電
体260を層253と重畳させることもできる。このように、酸化物230のチャネル形
成領域とソース領域またはドレイン領域との間に、オフセット領域が形成されるのを防ぎ
、実効的なチャネル長が導電体260の幅より大きくなるのを抑制することができる。こ
れにより、トランジスタ200のオン電流を大きくし、S値を良好にし、周波数特性の向
上を図ることができる。なお、開口263の大きさ、つまりトランジスタ200のオーバ
ーラップ領域の大きさは、トランジスタ200に要求される電気特性に合わせて適宜設定
することができる。
In a later process, the
form. In other words, the size of the
60 can be overlapped with layer 252. Furthermore, by enlarging the
次に、図10に係る処理と同様の処理を行い、絶縁体250、ダミー膜267A、およ
びダミーゲート262B上に、絶縁膜280Aを成膜する。
Next, a process similar to that shown in FIG. 10 is performed to form an insulating
次に、図11に係る処理と同様の処理を行い、絶縁膜280A、ダミー膜267A、お
よびダミーゲート262Bの一部を、ダミーゲート262Bの一部が露出するまで除去し
、絶縁体280、ダミー膜267、およびダミーゲート262を形成する(図17参照。
)。絶縁体280、ダミー膜267、およびダミーゲート262の形成にはCMP処理を
用いることが好ましい。
Next, a process similar to that in FIG. 11 is performed to remove parts of the insulating
). It is preferable to use CMP processing to form the
次に、ダミーゲート262およびダミー膜267を除去し、開口263を形成する(図
18参照。)。ダミーゲート262およびダミー膜267の除去は、絶縁体280をマス
クとして、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行う
ことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、ア
ッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うなどがある。ダミーゲート262お
よびダミー膜267を除去することにより、開口263から絶縁体250が露出する。
Next, the
ここで、絶縁体280および絶縁体250をエッチングストッパとして、ダミーゲート
262とダミー膜267を除去することが好ましい。このような工程でダミーゲート26
2およびダミー膜267を除去することにより、開口263の側壁を過剰にエッチングす
ることなく、開口263を形成することができる。
Here, it is preferable to remove the
By removing 2 and the
図15に示す半導体装置の作製方法の、以降の工程については、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13および図14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 subsequent steps in the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 15 are the same as the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. Therefore, the method for manufacturing a semiconductor device according to FIGS. 13 and 14 can be referred to.
図19に示すトランジスタ200は、絶縁体266および絶縁体280の側面と酸化物
230bの上面のなす角が90°より大きい点において、図1に示すトランジスタ200
と異なる。
The
different from.
上記半導体装置の作製方法の図7に係る記載において、ダミーゲート262Aの側面は
、酸化物230bの上面に対して概略垂直だった。これに対して、ダミーゲート262A
の側面と酸化物230bの上面のなす角が90°未満、言い換えるとダミーゲート262
Aの断面形状が順テーパー形状を有している場合、絶縁体266および絶縁体280の断
面形状は、図19に示すように逆テーパー形状になる。また、導電体260の断面形状が
順テーパー形状になる。
In the description of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 7, the side surface of the
The angle between the side surface of the
When the cross-sectional shape of A has a forward tapered shape, the cross-sectional shapes of the
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。
As described above, the structure, method, etc. shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the structure, method, etc. shown in other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図20および図21を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device will be described with reference to FIGS. 20 and 21.
[記憶装置1]
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、トランジスタ200として、先の実施の形態で説明したトランジ
スタ200などを用いることができる。
[Storage device 1]
FIG. 20 shows an example of a semiconductor device (memory device) using a capacitor that is one embodiment of the present invention. In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the
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20に示す半導体装置において、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の第1のゲートと電気的に接続され、配線1
006はトランジスタ200の第2の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 semiconductor device shown in FIG. 20, a
006 is electrically connected to the second gate of the
また、図20に示す記憶装置は、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。
Furthermore, the memory device shown in FIG. 20 can be arranged in a matrix to form a memory cell array.
<トランジスタ300>
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3
16、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、および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、あるいはnチャ
ネル型のいずれでもよい。
<
The
16, it has an
ここで、図20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。
Here, the
(a part of the substrate 311) has a convex shape. Furthermore, a
なお、図20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
<容量素子100>
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と、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とを有する。
<
The
また、例えば、導電体240上に設けた導電体112と、導電体110は、同時に形成
することができる。なお、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。
Further, for example, the
図20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、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。
The
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と、高誘電
率(high-k)材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素
子100は、高誘電率(high-k)の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき
、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、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
なお、高誘電率(high-k)材料(高い比誘電率の材料)の絶縁体としては、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 of high dielectric constant (high-k) materials (materials with high relative permittivity) include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides containing aluminum and hafnium, and oxynitrides containing aluminum and hafnium. , an oxide containing silicon and hafnium, an oxynitride containing silicon and hafnium, or a nitride containing silicon and hafnium.
一方、絶縁耐力が大きい材料(低い比誘電率の材料)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。
On the other hand, materials with high dielectric strength (materials with low dielectric constant) include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen. Examples include added silicon oxide, silicon oxide with pores, and resin.
<配線層>
各構造体の間には、層間膜、配線、および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。
<Wiring layer>
A wiring layer including an interlayer film, wiring, plug, etc. may be provided between each structure. Further, a plurality of wiring layers can be provided depending on the design. Here, for a conductor having a function as a plug or a wiring, a plurality of structures may be given the same reference numeral. Further, in this specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
例えば、トランジスタ300上には、層間膜として、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。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、または配線として機能する。
For example, an
A
また、層間膜として機能する絶縁体は、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。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(
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。
Furthermore, the insulator that functions as an interlayer film may function as a flattening film that covers the uneven shape below it. For example, the top surface of the
The surface may be flattened by a flattening process using a CMP method or the like.
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20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、または配線として機能する。
A wiring layer may be provided over the
Further, a
同様に、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。さらに、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。
Similarly, a
層間膜として用いることができる絶縁体としては、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。
Examples of insulators that can be used as the interlayer film include insulating oxides, nitrides, oxynitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxynitrides, and metal nitride oxides.
例えば、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。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, by using a material with a low dielectric constant as the insulator that functions as an interlayer film, parasitic capacitance occurring between wirings can be reduced. Therefore, the material should be selected depending on the function of the insulator.
例えば、絶縁体150、絶縁体212、絶縁体352、および絶縁体354等には、比
誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、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、当該絶縁体は、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。
For example, it is preferable that the
Examples include polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, or acrylic.
また、導電体112、または導電体120上に設けられる絶縁体130、および絶縁体
150の一方、または両方を抵抗率が1.0×1012Ωcm以上1.0×1015Ωc
m以下、好ましくは5.0×1012Ωcm以上1.0×1014Ωcm以下、より好ま
しくは1.0×1013Ωcm以上5.0×1013Ωcm以下の絶縁体とすることが好
ましい。絶縁体130、および絶縁体150の一方、または両方を上記のような抵抗率を
有する絶縁体とすることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ200、
トランジスタ300、容量素子100、および導電体112や導電体120等の配線間に
蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタ、該トランジスタを有する記憶装置
の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。このような絶縁体として、窒化
シリコン、または窒化酸化シリコンを用いることができる。
In addition, one or both of the
m or less, preferably from 5.0×10 12 Ωcm to 1.0×10 14 Ωcm, more preferably from 1.0×10 13 Ωcm to 5.0×10 13 Ωcm. By using one or both of the
Dispersing charges accumulated between the
また、上記のような抵抗率を有する絶縁体として、絶縁体140を導電体112の下層
に設けてもよい。この場合、絶縁体281上に絶縁体140を形成し、絶縁体140、絶
縁体281、絶縁体274、絶縁体280、絶縁体244、絶縁体254などに開口部を
形成し、当該開口部内に絶縁体241の形成や、トランジスタ200、導電体218など
と電気的に接続する導電体240の形成を行えばよい。絶縁体140は、絶縁体130、
または絶縁体150と同様の材料を用いることができる。
Furthermore, as an insulator having the resistivity as described above, an
Alternatively, the same material as the
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。従って、絶縁体210、および絶縁体350等には、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を用いればよい。
Further, the electrical characteristics of a transistor including an oxide semiconductor can be stabilized by surrounding the transistor with an insulator that has a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen. Therefore, as the
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 that have the function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include:
Insulators containing boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum, either in a single layer or in layers. Just use it.
Specifically, as an insulator that has the function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen,
Metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.
配線、プラグに用いることができる導電体としては、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。
Conductors that can be used for wiring and plugs include aluminum, chromium, copper, silver,
A material containing one or more metal elements selected from gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, etc. can be used. In addition, semiconductors with high electrical conductivity, such as polycrystalline silicon containing impurity elements such as phosphorus,
Silicides such as nickel silicide may also be used.
例えば、導電体328、導電体330、導電体356、導電体218、および導電体1
12等としては、上記の材料で形成される金属材料、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。
For example,
As the material 12, a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material formed of the above-mentioned materials can be used in a single layer or in a stacked manner. It is preferable to use high melting point materials such as tungsten and molybdenum, which have both heat resistance and conductivity.
Preferably, tungsten is used. Alternatively, it is preferable to use a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low resistance conductive material.
<<酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ>>
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。
<<Wiring or plug in layer provided with oxide semiconductor>>
Note that when an oxide semiconductor is used for the
例えば、図20では、絶縁体224と、導電体240との間に、絶縁体241を設ける
とよい。特に、絶縁体241は、過剰酸素領域を有する絶縁体224を挟む絶縁体222
と、絶縁体266と、接して設けられることが好ましい。絶縁体241と、絶縁体222
、および絶縁体266とが接して設けられることで、絶縁体224は、バリア性を有する
絶縁体により、封止する構造とすることができる。さらに、絶縁体241は、絶縁体28
0、および絶縁体281の一部とも接することが好ましい。絶縁体241が、絶縁体28
0、および絶縁体281まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制する
ことができる。
For example, in FIG. 20, an
and the
, and the
0 and a part of the
0 and the
つまり、絶縁体241を設けることで、絶縁体224が有する過剰酸素が、導電体24
0に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体241を有することで、不純
物である水素が、導電体240を介して、トランジスタ200へ拡散することを抑制する
ことができる。
In other words, by providing the
0 absorption can be suppressed. Further, by providing the
なお、絶縁体241としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制す
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。また、他にも、例えば、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
を用いることができる。
Note that as the
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、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。
The above is a description of the configuration example. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, fluctuations in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. 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]
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図21に示す。図21
に示す記憶装置は、図20で示したトランジスタ200、トランジスタ300、および容
量素子100を有する半導体装置に加え、トランジスタ400を有している。
[Storage device 2]
FIG. 21 shows an example of a memory device using a semiconductor device that is one embodiment of the present invention. Figure 21
The memory device shown in FIG. 2 includes a
トランジスタ400は、トランジスタ200の第2のゲート電圧を制御することができ
る。例えば、トランジスタ400の第1のゲート及び第2の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の第2のゲートを接続する
構成とする。当該構成でトランジスタ200の第2のゲートの負電位を保持するとき、ト
ランジスタ400の第1のゲートーソース間の電圧および、第2のゲートーソース間の電
圧は、0Vになる。トランジスタ400において、第2のゲート電圧及び第1のゲート電
圧が0Vのときのドレイン電流が非常に小さいため、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、トランジスタ200の第2のゲートの負電位を長時
間維持することができる。これにより、トランジスタ200、およびトランジスタ400
を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
A storage device having this can retain stored contents for a long period of time.
従って、図21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のゲートと電気的に接続され、配線1006はトラン
ジスタ200のバック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のゲートと電気的に接続され、配線1009はトランジス
タ400のバック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。
Therefore, in FIG. 21, the
The
The
and
また、図21に示す記憶装置は、図20に示す記憶装置と同様に、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。なお、1個のトランジスタ40
0は、複数のトランジスタ200の第2の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。
Further, the memory device shown in FIG. 21 can be arranged in a matrix to form a memory cell array, similarly to the memory device shown in FIG. 20. Note that one transistor 40
0 can control the second gate voltage of the plurality of
<トランジスタ400>
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、第1のゲート電極とし
て機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、第2のゲート電
極として機能する導電体405(導電体405a、および導電体405b)と、ゲート絶
縁層として機能する絶縁体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層
453a、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
て機能する層453b、酸化物432a、および酸化物432bと、導電体440(導電
体440a、および導電体440b)と、を有する。
<
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。酸化
物431a、および酸化物432aと、酸化物230aと、同じ層であり、酸化物431
b、および酸化物432bと、酸化物230bと、同じ層である。層453aおよび層4
53bは、層253aおよび層253bと同じ工程で形成される層である。酸化物430
cは、酸化物230cは同じ層である。絶縁体450は、絶縁体250と、同じ層である
。導電体460は、導電体260と、同じ層である。
In the
b, the
53b is a layer formed in the same process as
In c, the
なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物4
30cは、酸化物230cとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。
Note that structures formed in the same layer can be formed at the same time. For example, oxide 4
The oxide 30c can be formed by processing an oxide film that becomes the
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、第2のゲー
ト電圧及び第1のゲート電圧が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
The threshold voltage of the
<<ダイシングライン>>
以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置を
チップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン(スクライブライン、分断ライン
、又は切断ラインと呼ぶ場合がある)について説明する。分断方法としては、例えば、ま
ず、基板に半導体素子を分断するための溝(ダイシングライン)を形成した後、ダイシン
グラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断(分割)する場合がある。
<<Dicing line>>
Below, we will explain the dicing line (sometimes called a scribe line, dividing line, or cutting line) that is provided when taking out multiple semiconductor devices in chip form by dividing a large-area substrate into semiconductor elements. . As a dividing method, for example, a groove (dicing line) for dividing the semiconductor element is first formed in the substrate, and then the substrate is cut along the dicing line to divide (divide) into a plurality of semiconductor devices.
ここで、例えば、図21に示すように、絶縁体254と、絶縁体222とが接する領域
をダイシングラインとなるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ
200を有するメモリセル、およびトランジスタ400の外縁に設けられるダイシングラ
インとなる領域近傍において、絶縁体224に開口を設ける。また、絶縁体224の側面
を覆うように、絶縁体254、および絶縁体244を設ける。
Here, for example, as shown in FIG. 21, it is preferable to design a region where the insulator 254 and the
つまり、上記絶縁体224に設けた開口において、絶縁体222と、絶縁体254とが
接する。例えば、このとき、絶縁体222と、絶縁体254とを同材料及び同方法を用い
て形成してもよい。絶縁体222、および絶縁体254を、同材料、および同方法で設け
ることで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ま
しい。
In other words, the
当該構造により、絶縁体222、および絶縁体254で、絶縁体224、トランジスタ
200、およびトランジスタ400を包み込むことができる。絶縁体222、および絶縁
体254は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態
に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチッ
プに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トラ
ンジスタ200、およびトランジスタ400に拡散することを防ぐことができる。
With this structure, the
また、当該構造により、絶縁体224の過剰酸素が絶縁体254、および絶縁体222
の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体224の過剰酸素は、効率的
にトランジスタ200、またはトランジスタ400におけるチャネルが形成される酸化物
に供給される。当該酸素により、トランジスタ200、またはトランジスタ400におけ
るチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トラン
ジスタ200、またはトランジスタ400におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準
位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジ
スタ200、またはトランジスタ400の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。
Moreover, with this structure, excess oxygen in the
can be prevented from spreading outside. Therefore, excess oxygen in
本実施の形態は、他の実施の形態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 mode can be implemented in appropriate combination with the structures described in other embodiment modes.
(実施の形態3)
本実施の形態では、図22および図23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
。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a transistor using an oxide semiconductor (hereinafter sometimes referred to as an OS transistor) and a capacitor according to one embodiment of the present invention are applied, with reference to FIGS. 22 and 23. A storage device (hereinafter sometimes referred to as an OS memory device) will be explained. An OS memory device is a storage device that includes at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the off-state current of the OS transistor is extremely small,
OS memory devices have excellent retention characteristics and can function as non-volatile memory.
<記憶装置の構成例>
図22(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1
411、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142
0、列回路1430、出力回路1440、コントロールロジック回路1460を有する。
<Example of storage device configuration>
FIG. 22A shows an example of the configuration of an OS memory device. The
411 and a
0, a
列回路1430は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書
き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。セ
ンスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、
上記配線は、メモリセルアレイ1470が有するメモリセルに接続されている配線であり
、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路1440を介して、データ信号
RDATAとして記憶装置1400の外部に出力される。また、行回路1420は、例え
ば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができ
る。
The above-mentioned wiring is a wiring connected to a memory cell included in the
記憶装置1400には、外部から電源電圧として低電源電圧(VSS)、周辺回路14
11用の高電源電圧(VDD)、メモリセルアレイ1470用の高電源電圧(VIL)が
供給される。また、記憶装置1400には、制御信号(CE、WE、RE)、アドレス信
号ADDR、データ信号WDATAが外部から入力される。アドレス信号ADDRは、行
デコーダおよび列デコーダに入力され、WDATAは書き込み回路に入力される。
The
A high power supply voltage (VDD) for the memory cell array 11 and a high power supply voltage (VIL) for the
コントロールロジック回路1460は、外部からの入力信号(CE、WE、RE)を処
理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。CEは、チップイネーブル信号
であり、WEは、書き込みイネーブル信号であり、REは、読み出しイネーブル信号であ
る。コントロールロジック回路1460が処理する信号は、これに限定されるものではな
く、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
The
メモリセルアレイ1470は、行列状に配置された、複数個のメモリセルMCと、複数
の配線を有する。なお、メモリセルアレイ1470と行回路1420とを接続している配
線の数は、メモリセルMCの構成、一列に有するメモリセルMCの数などによって決まる
。また、メモリセルアレイ1470と列回路1430とを接続している配線の数は、メモ
リセルMCの構成、一行に有するメモリセルMCの数などによって決まる。
The
なお、図22(A)において、周辺回路1411とメモリセルアレイ1470を同一平
面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例え
ば、図22(B)に示すように、周辺回路1411の一部の上に、メモリセルアレイ14
70が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ1470の下に重なる
ように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
Note that although FIG. 22A shows an example in which the
70 may be provided so as to overlap. For example, a sense amplifier may be provided so as to overlap below the
図23に上述のメモリセルMCに適用できるメモリセルの構成例について説明する。 A configuration example of a memory cell applicable to the above-described memory cell MC will be described with reference to FIG. 23.
[DOSRAM]
図23(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、DOSRA
M(Dynamic Oxide Semiconductor Random Acc
ess Memory)と呼ぶ場合がある。図23(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
(フロントゲートと呼ぶ場合がある。)、及びバックゲートを有する。
[DOSRAM]
FIGS. 23A to 23C show examples of circuit configurations of DRAM memory cells. In this specification, etc., a DRAM using one OS transistor and one capacitor type memory cell is referred to as a DOSRA.
M (Dynamic Oxide Semiconductor Random Acc
ess Memory). A
トランジスタM1の第1端子は、容量素子CAの第1端子と接続され、トランジスタM
1の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM1のゲートは、配線WOLと接
続され、トランジスタM1のバックゲートは、配線BGLと接続されている。容量素子C
Aの第2端子は、配線CALと接続されている。
The first terminal of the transistor M1 is connected to the first terminal of the capacitive element CA, and the first terminal of the transistor M1 is connected to the first terminal of the capacitive element CA.
The second terminal of the transistor M1 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M1 is connected to the wiring BGL. Capacitive element C
The second terminal of A is connected to the wiring CAL.
配線BILは、ビット線として機能し、配線WOLは、ワード線として機能する。配線
CALは、容量素子CAの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。
データの書き込み時、及び読み出し時において、配線CALには、低レベル電位を印加す
るのが好ましい。配線BGLは、トランジスタM1のバックゲートに電位を印加するため
の配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタ
M1のしきい値電圧を増減することができる。
The wiring BIL functions as a bit line, and the wiring WOL functions as a word line. The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitive element CA.
It is preferable to apply a low level potential to the wiring CAL when writing and reading data. The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased.
また、メモリセルMCは、メモリセル1471に限定されず、回路構成の変更を行うこ
とができる。例えば、メモリセルMCは、図23(B)に示すメモリセル1472のよう
に、トランジスタM1のバックゲートが、配線BGLでなく、配線WOLと接続される構
成にしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図23(C)に示すメモリセル14
73ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトラン
ジスタM1で構成されたメモリセルとしてもよい。
Further, the memory cell MC is not limited to the
73, the memory cell may be configured of a transistor with a single gate structure, that is, a transistor M1 having no back gate.
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1471等に用いる場合、トランジスタ
M1としてトランジスタ200を用い、容量素子CAとして容量素子100を用いること
ができる。トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることによって、トランジス
タM1のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトラン
ジスタM1によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度
を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることがで
きる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル1471、メモリセル1472、
メモリセル1473に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
When the semiconductor device described in the above embodiment is used for the
Multi-level data or analog data can be held in the
また、DOSRAMにおいて、上記のように、メモリセルアレイ1470の下に重なる
ように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これに
より、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
Further, in a DOSRAM, if the sense amplifier is provided so as to overlap with the
[NOSRAM]
図23(D)乃至(H)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23(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、フロント
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 Semicondu
ctor RAM)と呼ぶ場合がある。
[NOSRAM]
FIGS. 23D to 23H show circuit configuration examples of a gain cell type memory cell having two transistors and one capacitive element. The
It has a transistor M3 and a capacitive element CB. Note that the transistor M2 has a front gate (sometimes simply called a gate) and a back gate. In this specification, etc., a memory device having a gain cell type memory cell using an OS transistor as the transistor M2 is referred to as NOSRAM (Nonvolatile Oxide Semiconductor).
controller RAM).
トランジスタM2の第1端子は、容量素子CBの第1端子と接続され、トランジスタM
2の第2端子は、配線WBLと接続され、トランジスタM2のゲートは、配線WOLと接
続され、トランジスタM2のバックゲートは、配線BGLと接続されている。容量素子C
Bの第2端子は、配線CALと接続されている。トランジスタM3の第1端子は、配線R
BLと接続され、トランジスタM3の第2端子は、配線SLと接続され、トランジスタM
3のゲートは、容量素子CBの第1端子と接続されている。
The first terminal of the transistor M2 is connected to the first terminal of the capacitive element CB, and the first terminal of the transistor M2 is connected to the first terminal of the capacitive element CB.
The second terminal of the transistor M2 is connected to the wiring WBL, the gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M2 is connected to the wiring BGL. Capacitive element C
The second terminal of B is connected to the wiring CAL. The first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring R
The second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and the second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL.
The gate of No. 3 is connected to the first terminal of the capacitive element CB.
配線WBLは、書き込みビット線として機能し、配線RBLは、読み出しビット線とし
て機能し、配線WOLは、ワード線として機能する。配線CALは、容量素子CBの第2
端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保
持の最中、データの読み出し時において、配線CALには、低レベル電位を印加するのが
好ましい。配線BGLは、トランジスタM2のバックゲートに電位を印加するための配線
として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM2の
しきい値電圧を増減することができる。
The wiring WBL functions as a write bit line, the wiring RBL functions as a read bit line, and the wiring WOL functions as a word line. The wiring CAL is the second wiring of the capacitive element CB.
It functions as a wiring for applying a predetermined potential to the terminal. It is preferable to apply a low-level potential to the wiring CAL when writing data, during data retention, and when reading data. The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M2. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M2 can be increased or decreased.
また、メモリセルMCは、メモリセル1474に限定されず、回路の構成を適宜変更す
ることができる。例えば、メモリセルMCは、図23(E)に示すメモリセル1475の
ように、トランジスタM2のバックゲートが、配線BGLでなく、配線WOLと接続され
る構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図23(F)に示すメモリセル
1476のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さない
トランジスタM2で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルMC
は、図23(G)に示すメモリセル1477のように、配線WBLと配線RBLを一本の
配線BILとしてまとめた構成であってもよい。
Furthermore, the memory cell MC is not limited to the
The wiring WBL and the wiring RBL may be combined into one wiring BIL, as in a
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1474等に用いる場合、トランジスタ
M2としてトランジスタ200を用い、トランジスタM3としてトランジスタ300を用
い、容量素子CBとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM2として
OSトランジスタを用いることによって、トランジスタM2のリーク電流を非常に低くす
ることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタM2によって長時間保持
することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。ま
た、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常
に低いため、メモリセル1474に多値データ、又はアナログデータを保持することがで
きる。メモリセル1475乃至1477も同様である。
When the semiconductor device described in the above embodiment is used for the
なお、トランジスタM3は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下
、Siトランジスタと呼ぶ場合がある)であってもよい。Siトランジスタの導電型は、
nチャネル型としてもよいし、pチャネル型としてもよい。Siトランジスタは、OSト
ランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタ
として機能するトランジスタM3として、Siトランジスタを用いてもよい。また、トラ
ンジスタM3にSiトランジスタを用いることで、トランジスタM3の上に積層してトラ
ンジスタM2を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高
集積化を図ることができる。
Note that the transistor M3 may be a transistor having silicon in a channel formation region (hereinafter sometimes referred to as a Si transistor). The conductivity type of Si transistor is
It may be an n-channel type or a p-channel type. Si transistors may have higher field effect mobility than OS transistors. Therefore, a Si transistor may be used as the transistor M3 that functions as a read transistor. Further, by using a Si transistor as the transistor M3, the transistor M2 can be stacked on top of the transistor M3, so the area occupied by the memory cell can be reduced and the memory device can be highly integrated.
また、トランジスタM3はOSトランジスタであってもよい。トランジスタM2、M3
にOSトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ1470をn型トランジスタのみを
用いて回路を構成することができる。
Furthermore, the transistor M3 may be an OS transistor. Transistors M2, M3
When OS transistors are used in the
また、図23(H)に3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一例を
示す。図23(H)に示すメモリセル1478は、トランジスタM4乃至M6、および容
量素子CCを有する。容量素子CCは適宜設けられる。メモリセル1478は、配線BI
L、RWL、WWL、BGL、およびGNDLに電気的に接続されている。配線GNDL
は低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル1478を、配線BILに代えて
、配線RBL、WBLに電気的に接続してもよい。
Further, FIG. 23(H) shows an example of a gain cell type memory cell having three transistors and one capacitive element. A
It is electrically connected to L, RWL, WWL, BGL, and GNDL. Wiring GNDL
is a wiring that provides a low level potential. Note that the
トランジスタM4は、バックゲートを有するOSトランジスタであり、バックゲートは
配線BGLに電気的に接続されている。なお、トランジスタM4のバックゲートとゲート
とを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタM4はバックゲートを有さ
なくてもよい。
The transistor M4 is an OS transistor having a back gate, and the back gate is electrically connected to the wiring BGL. Note that the back gate and gate of the transistor M4 may be electrically connected to each other. Alternatively, transistor M4 may not have a back gate.
なお、トランジスタM5、M6はそれぞれ、nチャネル型Siトランジスタまたはpチ
ャネル型Siトランジスタでもよい。或いは、トランジスタM4乃至M6がOSトランジ
スタでもよい、この場合、メモリセルアレイ1470をn型トランジスタのみを用いて回
路を構成することができる。
Note that the transistors M5 and M6 may each be an n-channel type Si transistor or a p-channel type Si transistor. Alternatively, the transistors M4 to M6 may be OS transistors. In this case, the
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1478に用いる場合、トランジスタM
4としてトランジスタ200を用い、トランジスタM5、M6としてトランジスタ300
を用い、容量素子CCとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM4と
してOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM4のリーク電流を非常に低
くすることができる。
When the semiconductor device described in the above embodiment mode is used for the
A
The
なお、本実施の形態に示す、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470等の
構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配
線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよ
い。
Note that the structures of the
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態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 shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the structures shown in other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態では、図24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。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a
An example is shown below. A plurality of circuits (systems) are mounted on the
It is sometimes called a System on Chip (SoC).
図24(A)に示すように、チップ1200は、CPU(Central Proce
ssing Unit)1211、GPU(Graphics Processing
Unit)1212、一または複数のアナログ演算部1213、一または複数のメモリコ
ントローラ1214、一または複数のインターフェース1215、一または複数のネット
ワーク回路1216等を有する。
As shown in FIG. 24(A), the
ssing Unit) 1211, GPU (Graphics Processing
unit) 1212, one or more
チップ1200には、バンプ(図示しない)が設けられ、図24(B)に示すように、
プリント基板(Printed Circuit Board:PCB)1201の第1
の面と接続する。また、PCB1201の第1の面の裏面には、複数のバンプ1202が
設けられており、マザーボード1203と接続する。
The
The first part of the printed circuit board (PCB) 1201
Connect with the surface. Further, a plurality of
マザーボード1203には、DRAM1221、フラッシュメモリ1222等の記憶装
置が設けられていてもよい。例えば、DRAM1221に先の実施の形態に示すDOSR
AMを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ1222に先の実施の形態
に示すNOSRAMを用いることができる。
The
AM can be used. Further, for example, the NOSRAM described in the previous embodiment can be used as the
CPU1211は、複数のCPUコアを有することが好ましい。また、GPU1212
は、複数のGPUコアを有することが好ましい。また、CPU1211、およびGPU1
212は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、CP
U1211、およびGPU1212に共通のメモリが、チップ1200に設けられていて
もよい。該メモリには、前述したNOSRAMや、DOSRAMを用いることができる。
また、GPU1212は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に
用いることができる。GPU1212に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や
、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行すること
が可能になる。
Preferably, the
preferably has multiple GPU cores. In addition, CPU1211 and GPU1
212 may each have a memory for temporarily storing data. Or, C.P.
A memory common to U1211 and
Furthermore, the
また、CPU1211、およびGPU1212が同一チップに設けられていることで、
CPU1211およびGPU1212間の配線を短くすることができ、CPU1211か
らGPU1212へのデータ転送、CPU1211、およびGPU1212が有するメモ
リ間のデータ転送、およびGPU1212での演算後に、GPU1212からCPU12
11への演算結果の転送を高速に行うことができる。
In addition, since the
The wiring between the
11 can be transferred at high speed.
アナログ演算部1213はA/D(アナログ/デジタル)変換回路、およびD/A(デ
ジタル/アナログ)変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部1213
に上記積和演算回路を設けてもよい。
The
The above-mentioned product-sum calculation circuit may be provided.
メモリコントローラ1214は、DRAM1221のコントローラとして機能する回路
、およびフラッシュメモリ1222のインターフェースとして機能する回路を有する。
The memory controller 1214 includes a circuit that functions as a controller for the
インターフェース1215は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コン
トローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マ
ウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとし
て、USB(Universal Serial Bus)、HDMI(登録商標)(H
igh-Definition Multimedia Interface)などを用
いることができる。
The
(i.e. Definition Multimedia Interface), etc. can be used.
ネットワーク回路1216は、LAN(Local Area Network)など
のネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよ
い。
The network circuit 1216 includes a network circuit such as a LAN (Local Area Network). It may also include a circuit for network security.
チップ1200には、上記回路(システム)を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、チップ1200に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増や
す必要が無く、チップ1200を低コストで作製することができる。
The above circuit (system) can be formed on the
GPU1212を有するチップ1200が設けられたPCB1201、DRAM122
1、およびフラッシュメモリ1222が設けられたマザーボード1203は、GPUモジ
ュール1204と呼ぶことができる。
1 and a
GPUモジュール1204は、SoC技術を用いたチップ1200を有しているため、
そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマート
フォン、タブレット端末、ラップトップPC、携帯型(持ち出し可能な)ゲーム機などの
携帯型電子機器に用いることが好適である。また、GPU1212を用いた積和演算回路
により、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)などの演算を実行することができる
ため、チップ1200をAIチップ、またはGPUモジュール1204をAIシステムモ
ジュールとして用いることができる。
Since the
Its size can be reduced. Furthermore, since it is excellent in image processing, it is suitable for use in portable electronic devices such as smartphones, tablet terminals, laptop PCs, and portable (portable) game machines. In addition, a product-sum calculation circuit using the
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態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 shown in this embodiment can be used in combination with the structures shown in other embodiments as appropriate.
(実施の形態5)
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や、ノート型のコンピュータや
、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、S
D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25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。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an application example of a memory device using the semiconductor device shown in the previous embodiment will be described. The semiconductor device described in the above embodiments can be used, for example, as a storage device of various electronic devices (for example, information terminals, computers, smartphones, electronic book terminals, digital cameras (including video cameras), recording/playback devices, navigation systems, etc.). Applicable to In addition,
Here, the computer includes a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, and a large computer such as a server system. Alternatively, the semiconductor device described in the previous embodiment may be used as a memory card (for example, an S
It is applied to various removable storage devices such as D card), USB memory, and SSD (solid state drive). FIG. 25 schematically shows several configuration examples of removable storage devices. For example, the semiconductor device shown in the previous embodiment is processed into a packaged memory chip and used in various storage devices and removable memories.
図25(A)はUSBメモリの模式図である。USBメモリ1100は、筐体1101
、キャップ1102、USBコネクタ1103および基板1104を有する。基板110
4は、筐体1101に収納されている。例えば、基板1104には、メモリチップ110
5、コントローラチップ1106が取り付けられている。基板1104のメモリチップ1
105などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
FIG. 25(A) is a schematic diagram of a USB memory. The
, a
4 is housed in a
5.
The semiconductor device described in the previous embodiment can be incorporated into 105 or the like.
図25(B)はSDカードの外観の模式図であり、図25(C)は、SDカードの内部
構造の模式図である。SDカード1110は、筐体1111、コネクタ1112および基
板1113を有する。基板1113は筐体1111に収納されている。例えば、基板11
13には、メモリチップ1114、コントローラチップ1115が取り付けられている。
基板1113の裏面側にもメモリチップ1114を設けることで、SDカード1110の
容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板1113に設
けてもよい。これによって、ホスト装置とSDカード1110間の無線通信によって、メ
モリチップ1114のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板1113のメモリ
チップ1114などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
FIG. 25(B) is a schematic diagram of the external appearance of the SD card, and FIG. 25(C) is a schematic diagram of the internal structure of the SD card. The
13, a
By providing a
図25(D)はSSDの外観の模式図であり、図25(E)は、SSDの内部構造の模
式図である。SSD1150は、筐体1151、コネクタ1152および基板1153を
有する。基板1153は筐体1151に収納されている。例えば、基板1153には、メ
モリチップ1154、メモリチップ1155、コントローラチップ1156が取り付けら
れている。メモリチップ1155はコントローラチップ1156のワークメモリであり、
例えばDOSRAMチップを用いればよい。基板1153の裏面側にもメモリチップ11
54を設けることで、SSD1150の容量を増やすことができる。基板1153のメモ
リチップ1154などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
FIG. 25(D) is a schematic diagram of the external appearance of the SSD, and FIG. 25(E) is a schematic diagram of the internal structure of the SSD.
For example, a DOSRAM chip may be used. There is also a memory chip 11 on the back side of the
By providing 54, the capacity of the
本実施の形態は、他の実施の形態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 mode can be implemented in appropriate combination with the structures described in other embodiment modes.
(実施の形態6)
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26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。
(Embodiment 6)
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a processor such as a CPU or a GPU, or a chip. FIG. 26 shows a specific example of an electronic device including a processor, such as a CPU or GPU, or a chip according to one embodiment of the present invention.
<電子機器・システム>
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
パーソナルチップ、チップ用などのモニタ、デジタルサイネージ(Digital Si
gnage: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。
<Electronic equipment/systems>
A GPU or a chip according to one embodiment of the present invention can be installed in various electronic devices.
Examples of electronic devices include television devices, desktop or notebook personal chips, chip monitors, and digital signage.
In addition to electronic devices with relatively large screens such as large game machines such as pachinko machines (GNAGE), large game machines such as pachinko machines, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, personal digital assistants, and audio equipment. Examples include playback devices. Furthermore, by providing an integrated circuit or a chip according to one embodiment of the present invention in an electronic device, artificial intelligence can be installed in the electronic device.
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信す
ることで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ
及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
An electronic device according to one embodiment of the present invention may include an antenna. By receiving signals with the antenna, images, information, etc. can be displayed on the display unit. Furthermore, when the electronic device includes an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for contactless power transmission.
本発明の一態様の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転
数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力
、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)を
有していてもよい。
An electronic device according to one embodiment of the present invention includes sensors (force, displacement, position, speed, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, (including the ability to measure voltage, power, radiation, flow rate, humidity, tilt, vibration, odor, or infrared radiation).
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報
(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレ
ンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行
する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す
機能等を有することができる。図26に、電子機器の例を示す。
An electronic device according to one embodiment of the present invention can have various functions. For example, functions that display various information (still images, videos, text images, etc.) on the display, touch panel functions, calendars, functions that display date or time, etc., functions that execute various software (programs), wireless communication. It can have a function, a function of reading a program or data recorded on a recording medium, etc. FIG. 26 shows an example of an electronic device.
[携帯電話] [mobile phone]
図26(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551
0に備えられている。
FIG. 26A shows a mobile phone (smartphone) that is a type of information terminal. The information terminal 5500 has a
0 is provided.
情報端末5500は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用した
アプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとして
は、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部5511に表示するアプリケーション
、表示部5511に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識
して、表示部5511に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うア
プリケーションなどが挙げられる。
The information terminal 5500 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention. Applications using artificial intelligence include, for example, an application that recognizes a conversation and displays the content of the conversation on the
[情報端末1]
図26(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。
[Information terminal 1]
A
デスクトップ型情報端末5300は、先述した情報端末5500と同様に、本発明の一
態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することが
できる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア
、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクト
ップ型情報端末5300を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
Similar to the information terminal 5500 described above, the
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例と
して、それぞれ図26(A)、(B)に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ
用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ
用情報端末以外の情報端末としては、例えば、PDA(Personal Digita
l Assistant)、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
Note that in the above description, a smartphone and a desktop information terminal are shown as examples of electronic devices in FIGS. can. Examples of information terminals other than smartphones and desktop information terminals include PDA (Personal Digital
1 Assistant), notebook information terminals, workstations, etc.
[電化製品]
図26(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。
[electric appliances]
FIG. 26C shows an electric refrigerator-
電気冷凍冷蔵庫5800に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能
を有する電気冷凍冷蔵庫5800を実現することができる。人工知能を利用することによ
って電気冷凍冷蔵庫5800は、電気冷凍冷蔵庫5800に保存されている食材、その食
材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫5800に保存され
ている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
By applying the chip of one embodiment of the present invention to the electric refrigerator-
本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品と
しては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、IH調理器
、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オー
ディオビジュアル機器などが挙げられる。
In this example, an electric refrigerator-freezer was explained as an electric appliance, but other electric appliances include vacuum cleaners, microwave ovens, microwave ovens, rice cookers, water heaters, IH cookers, water servers, and air conditioners including air conditioners. Examples include appliances, washing machines, dryers, and audio-visual equipment.
[ゲーム機] [game machine]
図26(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。
FIG. 26(D) shows a
携帯ゲーム機5200に本発明の一態様のGPU又はチップを適用することによって、
低消費電力の携帯ゲーム機5200を実現することができる。また、低消費電力により、
回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及び
モジュールへの影響を少なくすることができる。
By applying the GPU or chip of one embodiment of the present invention to the
A
Since the heat generated from the circuit can be reduced, the influence of the heat generated on the circuit itself, peripheral circuits, and modules can be reduced.
更に、携帯ゲーム機5200に本発明の一態様のGPU又はチップを適用することによ
って、人工知能を有する携帯ゲーム機5200を実現することができる。
Furthermore, by applying the GPU or chip of one embodiment of the present invention to the
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの
表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機520
0に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能にな
る。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場す
る人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
Originally, the expressions such as the progress of the game, the words and actions of creatures appearing in the game, and the phenomena that occur in the game are determined by the program of the game, but the portable game machine 520
By applying artificial intelligence to 0, it becomes possible to express things that are not limited to game programs. For example, it is possible to express changes in the content of questions asked by the player, the progress of the game, the time of day, and the words and actions of people appearing in the game.
また、携帯ゲーム機5200で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能
によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能に
よるゲームプレイヤーとすることによって、1人でもゲームを行うことができる。
Furthermore, when playing a game that requires multiple players on the
図26(D)では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一
態様のGPU又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のG
PU又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯
楽施設(ゲームセンター、遊園地など)に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設
に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
Although FIG. 26D illustrates a portable game machine as an example of a game machine, the game machine to which the GPU or chip of one embodiment of the present invention is applied is not limited to this. G of one embodiment of the present invention
Examples of game machines to which PU or chips are applied include home-use stationary game machines, arcade game machines installed in entertainment facilities (game centers, amusement parks, etc.), and batting practice pitching machines installed in sports facilities. Examples include machines.
[移動体]
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。
[Mobile object]
A GPU or a chip according to one embodiment of the present invention can be applied to an automobile, which is a moving body, and around the driver's seat of the automobile.
図26(E1)は移動体の一例である自動車5700を示し、図26(E2)は、自動
車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図26(E1)では、ダッシュボ
ードに取り付けられた表示パネル5701、表示パネル5702、表示パネル5703の
他、ピラーに取り付けられた表示パネル5704を図示している。
FIG. 26 (E1) shows an
表示パネル5701乃至表示パネル5703は、スピードメーターやタコメーター、走
行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することがで
きる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わ
せて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル570
1乃至表示パネル5703は、照明装置として用いることも可能である。
The
1 to display
表示パネル5704には、自動車5700に設けられた撮像装置(図示しない。)から
の映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界(死角)を補完することができる
。すなわち、自動車5700の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによ
って、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を
映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル57
04は、照明装置として用いることもできる。
By displaying an image from an imaging device (not shown) provided in the
04 can also be used as a lighting device.
本発明の一態様のGPU又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例え
ば、当該チップを自動車5700の自動運転システムに用いることができる。また、当該
チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル57
01乃至表示パネル5704には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成として
もよい。
Since the GPU or chip of one embodiment of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence, for example, the chip can be used in the automatic driving system of the
The display panels 01 to 5704 may be configured to display information such as road guidance and danger prediction.
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車
に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体(ヘリコプタ
ー、無人航空機(ドローン)、飛行機、ロケット)なども挙げることができ、これらの移
動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与すること
ができる。
Note that although a car is described above as an example of a moving body, the moving body is not limited to a car. For example, examples of moving objects include trains, monorails, ships, and flying objects (helicopters, unmanned aerial vehicles (drones), airplanes, and rockets), and the chip of one embodiment of the present invention can be applied to these moving objects. It is possible to provide a system using artificial intelligence.
[放送システム]
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。
[Broadcast system]
A GPU or a chip according to one embodiment of the present invention can be applied to a broadcast system.
図26(F)は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には
、図26(F)は、放送局5680から送信された電波(放送信号)が、各家庭のテレビ
ジョン受信装置(TV)5600に届くまでの経路を示している。TV5600は、受信
装置を備え(図示しない。)、アンテナ5650で受信された放送信号は、当該受信装置
を介して、TV5600に送信される。
FIG. 26(F) schematically shows data transmission in the broadcasting system. Specifically, FIG. 26(F) shows a route through which radio waves (broadcast signals) transmitted from a
図26(F)では、アンテナ5650は、UHF(Ultra High Frequ
ency)アンテナを図示しているが、アンテナ5650としては、BS・110°CS
アンテナ、CSアンテナなども適用できる。
In FIG. 26(F), the
The
Antenna, CS antenna, etc. can also be applied.
電波5675A、電波5675Bは地上波放送用の放送信号であり、電波塔5670は
受信した電波5675Aを増幅して、電波5675Bの送信を行う。各家庭では、アンテ
ナ5650で電波5675Bを受信することで、TV5600で地上波TV放送を視聴す
ることができる。なお、放送システムは、図26(F)に示す地上波放送に限定せず、人
工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
The
上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放
送システムとしてもよい。放送局5680から各家庭のTV5600に放送データを送信
するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ5650が当該放送
データを受信したとき、TV5600に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送デ
ータの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方
法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うこと
ができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例
えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いTV5600で当該放送データ
の表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの
画像の補間処理を行うことができる。
The above-described broadcasting system may be a broadcasting system using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention. When transmitting broadcast data from the
上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テ
レビジョン(UHDTV:4K、8K)放送に対して好適である。
The above-described broadcasting system using artificial intelligence is suitable for ultra-high definition television (UHDTV: 4K, 8K) broadcasting in which the amount of broadcast data increases.
また、TV5600側における人工知能の応用として、例えば、TV5600に人工知
能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置
にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録
画することができる。
Further, as an application of artificial intelligence on the
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果
などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
The electronic device, the functions of the electronic device, the application examples of artificial intelligence, the effects thereof, etc. described in this embodiment can be combined as appropriate with the descriptions of other electronic devices.
本実施の形態は、他の実施の形態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 mode can be implemented in appropriate combination with the structures described in other embodiment modes.
200 トランジスタ
205 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230A 酸化膜
230b 酸化物
230B 酸化膜
230c 酸化物
230c1 酸化物
230c2 酸化物
231 領域
231a 領域
231b 領域
232 領域
232a 領域
232b 領域
234 領域
240 導電体
240a 導電体
240b 導電体
241 絶縁体
241a 絶縁体
241b 絶縁体
244 絶縁体
250 絶縁体
252 層
252a 層
252b 層
253 層
253a 層
253b 層
254 絶縁体
256 絶縁体
256a 絶縁体
256b 絶縁体
257 ドーパント
258 ドーパント
260 導電体
260a 導電体
260Aa 導電膜
260Ab 導電膜
260b 導電体
262 ダミーゲート
262A ダミーゲート
262B ダミーゲート
263 開口
266 絶縁体
266A 絶縁膜
266B 絶縁体
267 ダミー膜
267A ダミー膜
274 絶縁体
274a 絶縁体
274b 絶縁体
280 絶縁体
280A 絶縁膜
281 絶縁体
200
Claims (12)
前記第1の酸化物上の第2の酸化物と、
前記第2の酸化物上の第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体上に配置され、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物と重畳する領域を有する導電体と、
前記第1の絶縁体の上面と接する領域と、前記導電体の側面と接する領域と、を有する第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体の上面と接する領域と、前記導電体の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁体と、
前記導電体の上面と接する領域と、前記第3の絶縁体の上面と接する領域と、を有する第4の絶縁体と、を有し、
前記第2の酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間に位置する第3の領域と、前記第1の領域と前記第3の領域との間に位置する第4の領域と、前記第2の領域と前記第3の領域との間に位置する第5の領域と、を有し、
前記第1の領域の抵抗及び前記第2の領域の抵抗は、前記第3の領域の抵抗より低く、
前記第4の領域の抵抗及び前記第5の領域の抵抗は、前記第3の領域の抵抗より低く、かつ前記第1の領域の抵抗及び前記第2の領域の抵抗より高く、
前記導電体は、前記第1の領域の少なくとも一部、前記第2の領域の少なくとも一部、前記第3の領域、前記第4の領域、及び前記第5の領域と重畳するように、前記第3の領域の上方、前記第4の領域の上方、及び前記第5の領域の上方に設けられる、半導体装置。 a first oxide;
a second oxide on the first oxide;
a first insulator on the second oxide;
a conductor disposed on the first insulator and having a region overlapping with the first oxide and the second oxide;
a second insulator having a region in contact with the top surface of the first insulator and a region in contact with the side surface of the conductor;
a third insulator having a region in contact with an upper surface of the second insulator and a region in contact with a side surface of the conductor;
a fourth insulator having a region in contact with the top surface of the conductor and a region in contact with the top surface of the third insulator;
The second oxide includes a first region, a second region, a third region located between the first region and the second region, and a third region located between the first region and the second region. a fourth region located between the third region and a fifth region located between the second region and the third region,
The resistance of the first region and the resistance of the second region are lower than the resistance of the third region,
The resistance of the fourth region and the resistance of the fifth region are lower than the resistance of the third region and higher than the resistance of the first region and the resistance of the second region,
The conductor is configured to overlap at least a portion of the first region, at least a portion of the second region, the third region, the fourth region, and the fifth region. A semiconductor device provided above a third region, above the fourth region, and above the fifth region.
前記第1の酸化物上の第2の酸化物と、a second oxide on the first oxide;
前記第2の酸化物上の第1の絶縁体と、a first insulator on the second oxide;
前記第1の絶縁体上に配置され、前記第1の酸化物及び前記第2の酸化物と重畳する領域を有する導電体と、a conductor disposed on the first insulator and having a region overlapping with the first oxide and the second oxide;
前記第1の絶縁体の上面と接する領域と、前記導電体の側面と接する領域と、を有する第2の絶縁体と、a second insulator having a region in contact with the top surface of the first insulator and a region in contact with the side surface of the conductor;
前記第2の絶縁体の上面と接する領域と、前記導電体の側面と接する領域と、を有する第3の絶縁体と、a third insulator having a region in contact with an upper surface of the second insulator and a region in contact with a side surface of the conductor;
前記導電体の上面と接する領域と、前記第3の絶縁体の上面と接する領域と、を有する第4の絶縁体と、を有し、a fourth insulator having a region in contact with the top surface of the conductor and a region in contact with the top surface of the third insulator;
前記第2の酸化物は、第1の領域と、第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間に位置する第3の領域と、前記第1の領域と前記第3の領域との間に位置する第4の領域と、前記第2の領域と前記第3の領域との間に位置する第5の領域と、を有し、The second oxide includes a first region, a second region, a third region located between the first region and the second region, and a third region located between the first region and the second region. a fourth region located between the third region and a fifth region located between the second region and the third region,
前記第1の領域の抵抗及び前記第2の領域の抵抗は、前記第3の領域の抵抗より低く、The resistance of the first region and the resistance of the second region are lower than the resistance of the third region,
前記第4の領域の抵抗及び前記第5の領域の抵抗は、前記第3の領域の抵抗より低く、かつ前記第1の領域の抵抗及び前記第2の領域の抵抗より高く、The resistance of the fourth region and the resistance of the fifth region are lower than the resistance of the third region and higher than the resistance of the first region and the resistance of the second region,
前記導電体は、前記第1の領域の少なくとも一部、前記第2の領域の少なくとも一部、前記第3の領域、前記第4の領域、及び前記第5の領域と重畳する、半導体装置。A semiconductor device, wherein the conductor overlaps at least a portion of the first region, at least a portion of the second region, the third region, the fourth region, and the fifth region.
前記第1の領域、前記第2の領域、前記第4の領域、及び前記第5の領域は、リン、又はホウ素を含む、半導体装置。 In claim 1 or 2 ,
The semiconductor device, wherein the first region, the second region, the fourth region, and the fifth region contain phosphorus or boron.
前記第1の領域及び前記第2の領域は、前記第4の領域及び前記第5の領域よりも、リン又はホウ素を多く含む、半導体装置。 In claim 3 ,
The semiconductor device, wherein the first region and the second region contain more phosphorus or boron than the fourth region and the fifth region.
前記第1の領域、前記第2の領域、前記第4の領域、及び前記第5の領域は、前記第3の領域よりも、酸素欠損を多く有する、半導体装置。 In any one of claims 1 to 4 ,
The first region, the second region, the fourth region, and the fifth region have more oxygen vacancies than the third region.
前記第1の領域、前記第2の領域、前記第4の領域、及び前記第5の領域は、前記第3の領域よりも、水素を多く有する、半導体装置。 In any one of claims 1 to 5 ,
The first region, the second region, the fourth region, and the fifth region contain more hydrogen than the third region.
前記第2の酸化物上に第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜の上に、前記第2の酸化物と重畳する領域を有する第1のダミーゲートを形成し、
前記第1のダミーゲートをマスクとして、前記第2の酸化物に第1のドーパントを添加し、
前記第1のダミーゲートの一部を除去して第2のダミーゲートを形成し、前記第2の酸化物の一部を、前記第2のダミーゲートから露出させ、
前記第2のダミーゲートをマスクとして、前記第2の酸化物に第2のドーパントを添加し、
前記第1の絶縁膜及び前記第2のダミーゲートを覆って、第2の絶縁膜を形成し、
前記第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を形成し、
前記第2の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜の一部を、前記第2のダミーゲートの上部が露出するまで除去し、
前記第2のダミーゲート及び前記第2の絶縁膜の一部を除去して、開口を形成し、
前記開口の中に埋め込むように、導電膜を成膜し、
前記導電膜の一部を、前記第3の絶縁膜の上部が露出するまで除去する、半導体装置の作製方法。 forming a first oxide and a second oxide on the first oxide;
forming a first insulating film on the second oxide;
forming a first dummy gate on the first insulating film, having a region overlapping with the second oxide;
adding a first dopant to the second oxide using the first dummy gate as a mask;
removing a portion of the first dummy gate to form a second dummy gate, exposing a portion of the second oxide from the second dummy gate;
adding a second dopant to the second oxide using the second dummy gate as a mask;
forming a second insulating film covering the first insulating film and the second dummy gate;
forming a third insulating film on the second insulating film;
removing a portion of the second insulating film and the third insulating film until an upper part of the second dummy gate is exposed;
removing a portion of the second dummy gate and the second insulating film to form an opening;
forming a conductive film so as to be embedded in the opening;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a part of the conductive film is removed until an upper part of the third insulating film is exposed.
前記第1のドーパント及び前記第2のドーパントとして、リン又はホウ素を用いる、半導体装置の作製方法。 In claim 7 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, using phosphorus or boron as the first dopant and the second dopant.
前記第1のドーパントの添加量は、前記第2のドーパントの添加量より多い、半導体装置の作製方法。 In claim 7 or 8 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amount of the first dopant added is greater than the amount of the second dopant added.
前記第1のドーパントの添加及び前記第2のドーパントの添加は、イオン注入法、又はイオンドーピング法が用いられる、半導体装置の作製方法。 In any one of claims 7 to 9 ,
In the method for manufacturing a semiconductor device, an ion implantation method or an ion doping method is used for adding the first dopant and adding the second dopant.
前記第1のダミーゲートは、炭素を含む、半導体装置の作製方法。 In any one of claims 7 to 10 ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first dummy gate contains carbon.
前記第2のダミーゲートの形成は、酸素ラジカルを用いたアッシング処理によって行われる、半導体装置の作製方法。 In any one of claims 7 to 11 ,
In the method for manufacturing a semiconductor device, the second dummy gate is formed by an ashing process using oxygen radicals.
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