JP7374918B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
図2Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の上面図である。図2B乃至図2Dは、本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図3A、図3Bは、本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図4Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図4B、図4Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図5Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図5B、図5Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図6Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図6B、図6Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図7Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図7B、図7Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図8Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図8B、図8Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図9Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図9B、図9Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図10Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図10B、図10Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図11Aは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図11B、図11Cは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図12A乃至図12Cは、本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図である。
図13は、本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図14は、本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図15Aは、本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図である。図15Bは、本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す模式図である。
図16A乃至図16Hは、本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図である。
図17Aは、本発明の一態様に係る半導体装置のブロック図である。図17Bは、本発明の一態様に係る半導体装置の模式図である。
図18A乃至図18Eは、本発明の一態様に係る記憶装置の模式図である。
図19A乃至図19Hは、本発明の一態様に係る電子機器を示す図である。
図20A乃至図20Eは、実施例に係るサンプルのXRDスペクトルの測定結果を説明する図である。
図21A乃至図21Eは、実施例に係るサンプルの断面STEM像を説明する図である。
図22は、実施例に係るサンプルの、酸化膜および層の膜厚、ならびに抵抗率の算出結果を説明する図である。
図23A、図23Bは、実施例のSIMS分析の結果を示す図である。
図24Aは、本実施例の窒化タンタル中の、重水素D濃度のプロファイルである。図24Bは、本実施例の窒化タンタル中の、水素H濃度と重水素D濃度とを足し合わせた濃度のプロファイルである。
図25は、本実施例の窒化タンタル中の酸素(18O)濃度のプロファイルである。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成を、図1A乃至図1Cを用いて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について、図2A乃至図12Cを用いて説明する。
図2A乃至図2D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上面図および断面図である。図2Aは、当該半導体装置の上面図である。また、図2B、図2C、および図2Dは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図2Bは、図2A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2Cは、図2A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2Dは、図2AにA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図2Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
図2A乃至図2Dに示すように、トランジスタ200は、基板(図示せず。)の上に配置され、かつ、絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216の上および導電体205の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230cの上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、酸化物230bの上面の一部と接する導電体242aおよび導電体242bと、絶縁体224の上面の一部、酸化物230aの側面、酸化物230bの側面、導電体242aの側面および上面、ならびに、導電体242bの側面および上面に接して配置された絶縁体254と、を有する。
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。
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムからなる半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、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、窒化タングステン、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は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
酸化物230として、半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC-OS、多結晶酸化物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-like oxide semiconductor)、および非晶質酸化物半導体などがある。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
次に、図2A乃至図2D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の作製方法を、図4A乃至図11Cを用いて説明する。
本実施の形態では、半導体装置(記憶装置)の一形態を、図13および図14を用いて説明する。
本発明の一態様である半導体装置を使用した、半導体装置(記憶装置)の一例を図13に示す。本実施の形態に係る半導体装置では、トランジスタ200がトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100がトランジスタ200の上方に設けられている。容量素子100、またはトランジスタ300は、少なくとも一部がトランジスタ200と重畳することが好ましい。これにより、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ300の上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を微細化または高集積化させることができる。なお、本実施の形態に係る半導体装置は、例えば、CPU(Central Processing Unit)もしくはGPU(Graphics Processing Unit)に代表されるロジック回路、またはDRAM(Dynamic Random Access Memory)もしくはNVM(Non-Volatile Memory)に代表されるメモリ回路に適用することができる。
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体316、ゲート絶縁体として機能する絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、ならびにソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。
容量素子100は、絶縁体160上の絶縁体114と、絶縁体114上の絶縁体140と、絶縁体114および絶縁体140に形成された開口の中に配置された導電体110と、導電体110および絶縁体140上の絶縁体130と、絶縁体130上の導電体120と、導電体120および絶縁体130上の絶縁体150と、を有する。ここで、絶縁体114および絶縁体140に形成された開口の中に導電体110、絶縁体130、および導電体120の少なくとも一部が配置される。
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機能する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
なお、トランジスタ200に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けられることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
本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14に示す。図14に示す記憶装置は、図13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。また、図14に示す記憶装置は、容量素子100がプレーナ型である点、およびトランジスタ200とトランジスタ300が電気的に接続されている点において、図13に示す記憶装置と異なる。
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のゲートとして機能する導電体405と、ゲート絶縁体として機能する絶縁体222、および絶縁体450と、チャネル形成領域を有する酸化物430cと、ソースとして機能する導電体442a、酸化物431b、および酸化物431aと、ドレインとして機能する導電体442b、酸化物432b、および酸化物432aと、プラグとして機能する導電体440(導電体440a、および導電体440b)と、を有する。
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。
本実施の形態では、図15A、図15B、および図16A乃至図16Hを用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ場合がある。)、および容量素子が適用されている記憶装置(以下、OSメモリ装置と呼ぶ場合がある。)について説明する。OSメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するOSトランジスタを有する記憶装置である。OSトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、OSメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
図15AにOSメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置1400は、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470を有する。周辺回路1411は、行回路1420、列回路1430、出力回路1440、およびコントロールロジック回路1460を有する。
図16A乃至図16Cに、DRAMのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、1OSトランジスタ1容量素子型のメモリセルを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ場合がある。図16Aに示す、メモリセル1471は、トランジスタM1と、容量素子CAと、を有する。なお、トランジスタM1は、ゲート(トップゲートと呼ぶ場合がある。)、及びバックゲートを有する。
図16D乃至図16G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16Dに示す、メモリセル1474は、トランジスタM2と、トランジスタM3と、容量素子CBと、を有する。なお、トランジスタM2は、トップゲート(単にゲートと呼ぶ場合がある。)、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタM2にOSトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM)と呼ぶ場合がある。
本実施の形態では、図17A、および図17Bを用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ1200の一例を示す。チップ1200には、複数の回路(システム)が実装されている。このように、複数の回路(システム)を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ(System on Chip:SoC)と呼ぶ場合がある。
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図18A乃至図18Eにリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
本発明の一態様に係る半導体装置は、CPUやGPUなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図19A乃至図19Hに、本発明の一態様に係るCPUやGPUなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
本発明の一態様に係るGPUまたはチップは、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、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、パチンコ機などの大型ゲーム機、などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子ブックリーダー、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GPUまたはチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
図19A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5100は、筐体5101と、表示部5102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5102に備えられ、ボタンが筐体5101に備えられている。
図19Cは、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機5300を示している。携帯ゲーム機5300は、筐体5301、筐体5302、筐体5303、表示部5304、接続部5305、操作キー5306等を有する。筐体5302、および筐体5303は、筐体5301から取り外すことが可能である。筐体5301に設けられている接続部5305を別の筐体(図示せず)に取り付けることで、表示部5304に出力される映像を、別の映像機器(図示せず)に出力することができる。このとき、筐体5302、および筐体5303は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体5301、筐体5302、および筐体5303の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。
本発明の一態様のGPUまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。
本発明の一態様のGPUまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。
図19H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。
サンプル1A乃至サンプル5Aに対して、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)測定を行った結果について説明する。
次に、サンプル1B乃至サンプル5Bに対して、走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)を用いて観察を行った結果、およびエネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)による分析結果について説明する。
次に、サンプル1B乃至サンプル5Bに対して、窒化タンタル膜の抵抗率を算出した。具体的には、サンプル1B乃至サンプル5Bのそれぞれに対して、一サンプルあたり面内5箇所のシート抵抗を測定し、5箇所で得られたシート抵抗値の平均値を算出し、算出した平均値を狙い膜厚である100nmで換算することで、窒化タンタル膜の抵抗率を算出した。なお、測定には、エヌピイエス株式会社製の抵抗率測定器(商品名:Σ-10)を用いた。
Claims (4)
- トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体と、
前記酸化物半導体の上面と接する領域を有し、且つ前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する、窒化タンタル膜と、
前記窒化タンタル膜の上面と接する領域と、前記窒化タンタル膜の側面と接する領域と、を有する第1の絶縁体と、を有し、
前記窒化タンタル膜は、下面におけるタンタルに対する窒素の原子数比が、上面におけるタンタルに対する窒素の原子数比よりも高くなるように連続的に変化した領域を有する、半導体装置。 - トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体と、
前記酸化物半導体と接する領域を有し、前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する第1の導電体と、
前記第1の導電体上に位置し、開口部を有する第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体の開口部の内壁と接する領域を有する第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体と接する領域を有し、且つ前記第1の絶縁体の開口部を介して前記第1の導電体の上面と接する領域を有する第2の導電体と、を有し、
前記第1の導電体は、前記酸化物半導体と接する領域を有する第1の金属窒化物と、前記第1の金属窒化物の上面と接する領域を有する第2の金属窒化物との積層構造を有し、
前記第1の金属窒化物と、前記第2の金属窒化物とは、それぞれタンタルを有し、
前記第1の金属窒化物に含まれるタンタルに対する窒素の原子数比は、前記第2の金属窒化物に含まれるタンタルに対する窒素の原子数比よりも高く、
前記第1の絶縁体は、前記第2の金属窒化物の上面と接する領域と、前記第2の金属窒化物の側面と接する領域と、を有し、
前記第1の絶縁体は、酸化アルミニウムを有し、
前記第2の絶縁体は、窒化シリコンを有し、
前記第2の導電体は、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、又は酸化ルテニウムを有する、半導体装置。 - 請求項2において、
前記第1の導電体は、水素濃度が2.0×1019atoms/cm3以上1.0×1021atoms/cm3以下である領域を有する、半導体装置。 - 請求項2又は3において、
前記第1の導電体は、前記チャネル形成領域よりも水素濃度が高い領域を有する、半導体装置。
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