JP7460822B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
タ(TFT)ともいう)を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(
IC)や画像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。トラン
ジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その
他の材料として酸化物半導体が注目されている。
鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照
)。
スにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現するトランジスタ構
造およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。
電流や電界効果移動度)を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成
およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。
を提供することを課題の一つとする。
層されたトランジスタにおいて、該半導体層としてインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸
素の4元素を少なくとも含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウム
の割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の2倍以上である酸化物半導体層を用いる。
域を含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に酸化
物半導体層と重なるゲート電極層とを有し、酸化物半導体層はインジウム、ガリウム、亜
鉛、及び酸素の4元素を少なくとも含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、
インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の2倍以上である半導体装置である
。
域を含む酸化物半導体層と、酸化物半導体層上にソース電極層及びドレイン電極層と、ソ
ース電極層及びドレイン電極層上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体層と
重なるゲート電極層とを有し、酸化物半導体層はインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素
の4元素を少なくとも含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウムの
割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の2倍以上である半導体装置である。
対の第1の酸化物半導体層と、酸化物絶縁層及び一対の第1の酸化物半導体層上に接して
設けられたチャネル形成領域を含む第2の酸化物半導体層と、酸化物絶縁層及び第2の酸
化物半導体層上にゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に第2の酸化物半導体層と重なるゲー
ト電極層とを有し、第2の酸化物半導体層はインジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の4
元素を少なくとも含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウムの割合
が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の2倍以上である半導体装置である。
晶領域を含んでもよい。
リウム:亜鉛の組成比が3:1:2の酸化物ターゲットで作製することができる。
ドーパントを含む構成としてもよい。
電極層と重畳しない領域は、ソース電極層またはドレイン電極層と重畳する領域よりも高
い酸素濃度を有する構成としてもよい。
酸化物半導体層においてチャネル形成領域を挟んでチャネル形成領域より抵抗が低く、ド
ーパントを含む低抵抗領域を形成してもよい。ドーパントは、酸化物半導体層の導電率を
変化させる不純物である。ドーパントの導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピ
ング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる
。
とにより、該トランジスタはオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、
高速動作、高速応答が可能となる。
理)を行ってもよい。また、酸化物半導体層として結晶性酸化物半導体層を用いる場合、
結晶化のための加熱処理を行ってもよい。
が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離し
た箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招
くドナー準位が生じてしまう。
しい。酸化物半導体層へ酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することがで
きる。
接して設けることによって、該酸化物絶縁膜から酸化物半導体層へ酸素を供給することが
できる。上記構成において、脱水化又は脱水素化処理として加熱処理を行った酸化物半導
体層及び酸化物絶縁膜を少なくとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化
物半導体層への酸素の供給を行ってもよい。
カル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を導入して膜中に酸素を供給してもよ
い。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョ
ンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜とする
とよい。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とす
る。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半
導体の格子間に酸素が存在する場合もある。
、酸素を供給して酸素欠損を補填することによりI型(真性)の酸化物半導体、又はI型
(真性)に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。そうすることにより、酸化物
半導体のフェルミ準位(Ef)を真性フェルミ準位(Ei)と同じレベルにまですること
ができる。よって、該酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因す
るトランジスタのしきい値電圧Vthのばらつき、しきい値電圧のシフトΔVthを低減
することができる。
半導体装置に関する。例えば、酸化物半導体でチャネル形成領域が形成される、トランジ
スタ若しくはトランジスタを含んで構成される回路を有する半導体装置に関する。例えば
、LSIや、CPUや、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、
コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電
気光学装置や発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
スにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現するトランジスタ構
造およびその作製方法を提供することができる。
電流や電界効果移動度)を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成
およびその作製方法を提供することができる。
置を提供することができる。
ただし、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々
に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本明細書に開示する発明
は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第1、第
2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではな
い。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものでは
ない。
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1及び図3を用
いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体膜を有するトラ
ンジスタを示す。
れるダブルゲート構造もしくは3つ形成されるトリプルゲート構造であってもよい。また
、チャネル領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された2つのゲート電極層を有する、
デュアルゲート型でもよい。
ナ型のトランジスタの例である。
上に、チャネル形成領域409、低抵抗領域404a、404bを含む酸化物半導体層4
03、ソース電極層405a、ドレイン電極層405b、ゲート絶縁膜402、ゲート電
極層401を有する。トランジスタ440a上には、絶縁膜407が形成されている。
405bとゲート電極層401とは重ならない構造であるが、図2(A)で示すトランジ
スタ440bのようにソース電極層405a、及びドレイン電極層405bとゲート電極
層401とが一部重なる構造であってもよい。
含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割
合及び亜鉛の割合の2倍以上である酸化物半導体層(IGZO層ともいう)である。
ーゲットを用いたスパッタリング法によって作製することができる。
ス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。
これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高
い移動度を得ることができる。
の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。
表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく
、具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.3nm以下、より好ま
しくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。
るよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した
値」と表現でき、以下の式にて定義される。
)(x2,y2)で表される4点によって囲まれる長方形の領域)の面積を指し、Z0は
測定面の平均高さを指す。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force
Microscope)にて評価可能である。
物半導体層)を用いることができる。結晶性酸化物半導体層における結晶状態は、結晶軸
の方向が無秩序な状態でも、一定の配向性を有する状態であってもよい。
化物半導体層を用いることができる。
非晶質構造でもない構造であり、c軸配向を有した結晶(C Axis Aligned
Crystal;CAACともいう)を含む酸化物半導体(CAAC―OS)層である
。
角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向においては、金属原子が層状
または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ab面(あるいは表面または界面)
においては、a軸またはb軸の向きが異なる(c軸を中心に回転した)結晶である。CA
ACを含む薄膜とは、c軸に対しては結晶化した薄膜であり、ab面に対しては必ずしも
配列していない。
しくは六角形、または正三角形もしくは正六角形の原子配列を有し、かつc軸方向に垂直
な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む。
また、CAACを含む薄膜は結晶化した部分(結晶部分)を含むが、1つの結晶部分と他
の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。
構成する個々の結晶部分のc軸は一定の方向(例えば、CAACが形成される基板面やC
AACの表面や膜面、界面等に垂直な方向)に揃っていてもよい。あるいは、CAACを
含む薄膜を構成する個々の結晶部分のab面の法線は一定の方向(例えば、基板面、表面
、膜面、界面等に垂直な方向)を向いていてもよい。
的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
、成膜温度を200℃以上500℃以下として酸化物半導体層の成膜を行い、表面に概略
垂直にc軸配向させる方法である。2つ目は、膜厚を薄く成膜した後、200℃以上70
0℃以下の加熱処理を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法である。3つ目は、一
層目の膜厚を薄く成膜した後、200℃以上700℃以下の加熱処理を行い、2層目の成
膜を行い、表面に概略垂直にc軸配向させる方法である。
m以下)とし、スパッタリング法、MBE(Molecular Beam Epita
xy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Dep
osition)法等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体層403は、スパ
ッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜
を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが
衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa-b面から劈開し、a
-b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離する
ことがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基
板に到達することで、CAAC-OS膜を成膜することができる。
る。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)を
低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が
-80℃以下、好ましくは-100℃以下である成膜ガスを用いる。
レーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好ましく
は200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平
板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、
スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体
積%とする。
いて以下に示す。
後、1000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn-G
a-Zn-O化合物ターゲットとする。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここ
で、所定のmol数比は、例えば、InOX粉末、GaOY粉末およびZnOZ粉末が、
2:2:1、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2のmo
l数比である。なお、粉末の種類、およびその混合する比率は、作製するスパッタリング
用ターゲットによって適宜変更すればよい。
とも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリ
ウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、
石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンな
どの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基
板、SOI基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたも
のを、基板400として用いてもよい。
する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層403を含むトランジス
タ440aを直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層403を含むトラン
ジスタ440aを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板か
ら可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体膜を含むトランジスタ4
40aとの間に剥離層を設けるとよい。
リコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム
、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
、In-Hf-Zn系酸化物膜、酸化物半導体層403を順に積層してもよいし、基板4
00上に酸化シリコン膜、In:Zr:Zn=1:1:1の原子数比のIn-Zr-Zn
系酸化物膜、酸化物半導体層403を順に積層してもよいし、基板400上に酸化シリコ
ン膜、In:Gd:Zn=1:1:1の原子数比のIn-Gd-Zn系酸化物膜、酸化物
半導体層403を順に積層してもよい。
コン膜を用いる。
窒化物絶縁膜は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、窒化
酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、又はこれらの混合材料を用い
て形成することができる。
とも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、酸化物絶縁
層436として、酸化シリコン膜を用いる場合には、SiO2+α(ただし、α>0)と
する。このような酸化物絶縁層436を用いることで、酸化物半導体層403に酸素を供
給することができ、特性を良好にすることができる。酸化物半導体層403へ酸素を供給
することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
体層403と接して設けることによって、該酸化物絶縁層436から酸化物半導体層40
3へ酸素を供給することができる。酸化物半導体層403及び酸化物絶縁層436を少な
くとも一部が接した状態で加熱処理を行うことによって酸化物半導体層403への酸素の
供給を行ってもよい。
べく含まれないようにするために、酸化物半導体層403の成膜の前処理として、スパッ
タリング装置の予備加熱室で酸化物絶縁層436が形成された基板を予備加熱し、基板及
び酸化物絶縁層436に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好まし
い。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。
理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理(例えば、化学
的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)
法)、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
タリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF
電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。
なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリ
ングを行うと、酸化物絶縁層436の表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみ
ともいう)を除去することができる。
く、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限
定されず、酸化物絶縁層436表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
100%の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど)で成膜して、酸素を多く
含む(好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有
量が過剰な領域が含まれている)膜とすることが好ましい。
めのターゲットとしては、組成比として、In:Ga:Zn=3:1:2[原子百分率]
の酸化物ターゲットを用い、In-Ga-Zn系酸化物膜(IGZO膜)を成膜する。
は95%以上99.9%以下である。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いること
により、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。
は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
つつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板40
0上に酸化物半導体層403を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着
型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポン
プを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラ
ップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、
水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合
物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層403に含まれる不純
物の濃度を低減できる。
ることが好ましい。酸化物絶縁層436と酸化物半導体層403とを大気に曝露せずに連
続して形成すると、酸化物絶縁層436表面に水素や水分などの不純物が吸着することを
防止することができる。
酸化物半導体層に加工して形成することができる。
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。
く、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用いるエッチ
ング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、IT
O07N(関東化学社製)を用いてもよい。
脱水素化)するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、300℃以上700
℃以下、または基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行う
ことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体
層403に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を行う。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas R
apid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid T
hermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anne
al)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀
ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置であ
る。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不
活性気体が用いられる。
れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。
、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する窒素、またはヘ
リウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましく
は7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1
ppm以下)とすることが好ましい。
度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分
光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で-55℃)
以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよ
い。酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。ま
たは、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好まし
くは7N以上(即ち、酸素ガスまたは一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、
好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの
作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少して
しまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物
半導体層403を高純度化及び電気的にI型(真性)化することができる。
化物半導体膜の形成後、絶縁膜407の形成前であれば、トランジスタ440aの作製工
程においてどのタイミングで行ってもよい。例えば、膜状の酸化物半導体膜の形成後、又
は島状の酸化物半導体層403形成後に行うことができる。
ねてもよい。
前、膜状の酸化物半導体膜が酸化物絶縁層436を覆った状態で行うと、酸化物絶縁層4
36に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好まし
い。
カル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を導入して膜中に酸素を供給してもよ
い。
供給することによって、酸化物半導体層403を高純度化、及び電気的にI型(真性)化
することができる。高純度化し、電気的にI型(真性)化した酸化物半導体層403を有
するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
オンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
直接導入してもよいし、ゲート絶縁膜402や絶縁膜407などの他の膜を通過して酸化
物半導体層403へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、イオン注
入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを
用いればよいが、酸素を露出された酸化物半導体層403へ直接導入する場合は、プラズ
マ処理なども用いることができる。
く、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層40
3への酸素の導入は複数回行ってもよい。
形成される配線を含む)となる導電膜を形成する。該導電膜は後の加熱処理に耐えられる
材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、A
l、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した
元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜
)等を用いることができる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方または
双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、
窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース
電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても
良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2
)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In2O3―SnO2)、酸化イン
ジウム酸化亜鉛(In2O3―ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを
含ませたものを用いることができる。
を行ってソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成した後、レジストマスク
を除去する。
覆うゲート絶縁膜402を形成する(図1(C)参照)。
電極層405a、及びドレイン電極層405b表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。
特にゲート絶縁膜402として膜厚の薄い絶縁膜を用いる場合、酸化物半導体層403、
ソース電極層405a、及びドレイン電極層405b表面の平坦性が良好であることが好
ましい。
法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いることができる。また、ゲー
ト絶縁膜402は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面が
セットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
ム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化
シリコン膜を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜402は、酸化物半導体層40
3と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜402は、膜中
(バルク中)に少なくとも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましく
、例えば、ゲート絶縁膜402として、酸化シリコン膜を用いる場合には、SiO2+α
(ただし、α>0)とする。本実施の形態では、ゲート絶縁膜402として、SiO2+
α(ただし、α>0)である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁
膜402として用いることで、酸化物半導体層403に酸素を供給することができ、特性
を良好にすることができる。さらに、ゲート絶縁膜402は、作製するトランジスタのサ
イズやゲート絶縁膜402の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
シリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケ
ート(HfSiOxNy(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAlxO
y(x>0、y>0))、酸化ランタンなどのhigh-k材料を用いることでゲートリ
ーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜402は、単層構造としても良いし、積層
構造としても良い。
絶縁膜402上に形成する(図1(B)参照)。ゲート電極層401の材料は、モリブデ
ン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジ
ウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。
また、ゲート電極層401としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜
に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート
電極層401は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
ジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジ
ウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素
を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導
電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
化物、具体的には、窒素を含むIn-Ga-Zn-O膜や、窒素を含むIn-Sn-O膜
や、窒素を含むIn-Ga-O膜や、窒素を含むIn-Zn-O膜や、窒素を含むSn-
O膜や、窒素を含むIn-O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることがで
きる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の
仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電
圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
クとして酸化物半導体層403にドーパント421を導入し、低抵抗領域404a、40
4bを形成する。
条件によっては、ソース電極層405a、及びドレイン電極層405b下の酸化物半導体
層403にもドーパント421が導入される場合と導入されない場合があり、また導入さ
れても濃度が低くソース電極層405a、又はドレイン電極層405b下以外の低抵抗領
域と比べて抵抗が高い領域となる場合もある。
5bとして膜厚の薄い、例えば10nmのタングステン膜を形成する。このようにソース
電極層405a、ドレイン電極層405bの膜厚が薄いと、低抵抗領域を形成するために
酸化物半導体層403へドーパントを導入する場合、ソース電極層405a、ドレイン電
極層405bを通過してソース電極層405a、ドレイン電極層405b下の酸化物半導
体層403にもドーパントを導入することができる。従って、トランジスタ440cはソ
ース電極層405a、ドレイン電極層405b下の酸化物半導体層403の領域も低抵抗
領域404a、404bが形成されている。
ント421としては、15族元素(代表的にはリン(P)、砒素(As)、およびアンチ
モン(Sb))、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、窒素(N)、アルゴン(Ar)
、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、インジウム(In)、フッ素(F)、塩素(Cl
)、チタン(Ti)、及び亜鉛(Zn)のいずれかから選択される一以上を用いることが
できる。
a、及びドレイン電極層405b)を通過して、酸化物半導体層403に導入することも
できる。ドーパント421の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プ
ラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。その際に
は、ドーパント421の単体のイオンあるいはフッ化物、塩化物のイオンを用いると好ま
しい。
の膜厚を適宜設定して制御すればよい。本実施の形態では、ドーパント421としてホウ
素を用いて、イオン注入法でホウ素イオンの注入を行う。なお、ドーパント421のドー
ズ量は1×1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよ
い。
/cm3以下であることが好ましい。
、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
度300℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下で1時間、酸素雰囲
気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気(超乾燥エア)下で加熱
処理を行ってもよい。
り、一部非晶質化する場合がある。この場合、ドーパント421の導入後に加熱処理を行
うことによって、酸化物半導体層403の結晶性を回復することができる。
4a、404bが設けられた酸化物半導体層403が形成される。
インジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の4元素を少なくとも含み、該4元素の組成比を
原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合及び亜鉛の割合の2倍以
上であるIGZO膜を用いた酸化物半導体層403を用いることによって、トランジスタ
440aに高いオン特性(電界効果移動度)、低いオフ電流、高い信頼性を付与すること
が可能となる。
ト絶縁膜402、ゲート電極層401上に絶縁膜407を形成する(図1(D)参照)。
とができる。絶縁膜407は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒
化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜などを用いることができる。
膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜)、又は金属窒化物膜(例え
ば、窒化アルミニウム膜)も用いることができる。
の積層を用いることができる。
ない方法を適宜用いて形成することが好ましい。また、絶縁膜407において、酸化物半
導体層403に接する絶縁膜は、酸素を過剰に含む膜とすると、酸化物半導体層403へ
の酸素の供給源となるために好ましい。
ング法を用いて成膜する。酸化シリコン膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス(代
表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下におい
て行うことができる。
は、吸着型の真空ポンプ(クライオポンプなど)を用いることが好ましい。クライオポン
プを用いて排気した成膜室で成膜した絶縁膜407に含まれる不純物の濃度を低減できる
。また、絶縁膜407の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ
分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
ニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効
果(ブロック効果)が高い。
水分などの不純物の酸化物半導体層403への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分
材料である酸素の酸化物半導体層403からの放出を防止する保護膜として機能する。
坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料
を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low-k材料)等を
用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、
平坦化絶縁膜を形成してもよい。
05bに達する開口を形成し、開口にソース電極層405a、ドレイン電極層405bと
電気的に接続する配線層465a、465bを形成する(図1(E)参照)。配線層46
5a、465bを用いて他のトランジスタと接続させ、様々な回路を構成することができ
る。
ン電極層405bを設けずに、酸化物半導体層403に直接配線層465a、465bを
接するように設けてもよい。
bと同様の材料及び方法を用いて形成することができる。例えば、配線層465a、配線
層465bとして窒化タンタル膜と銅膜との積層、又は窒化タンタル膜とタングステン膜
との積層などを用いることができる。
十分に除去されており、酸化物半導体層403中の水素濃度は5×1019/cm3以下
、好ましくは5×1018/cm3以下である。なお、酸化物半導体層403中の水素濃
度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Sp
ectrometry)で測定されるものである。
物半導体層403を用いたトランジスタ440aは、オフ状態における電流値(オフ電流
値)を、チャネル幅1μm当たり室温にて100zA/μm(1zA(ゼプトアンペア)
は1×10-21A)以下、好ましくは50zA/μm以下レベルにまで低くすることが
できる。
い値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現する
トランジスタ構造およびその作製方法を提供することができる。
電流や電界効果移動度)を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成
およびその作製方法を提供することができる。
を提供することができる。
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を、図3及び図4
を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は
、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の
詳細な説明は省略する。
一例である。図3(A)は平面図であり、図3(A)中の一点鎖線X-Yで切断した断面
が図3(B)に相当し、図3(A)中の一点鎖線V-Wで切断した断面が図3(C)に相
当する。
絶縁層436が設けられた絶縁表面を有する基板400上に、第1の酸化物半導体層であ
る酸化物半導体層408a、408b、チャネル形成領域409、低抵抗領域414a、
414bを含む第2の酸化物半導体層である酸化物半導体層403、ソース電極層405
a、ドレイン電極層405b、ゲート絶縁膜402、ゲート電極層401を有する。酸化
物半導体層408a、408bは、酸化物絶縁層436上に接して間隔を有して形成され
、酸化物半導体層403は酸化物半導体層408a、408b及び酸化物絶縁層436と
接して形成される。
50度のテーパーを有している。端部が垂直であると酸素が抜けやすく酸素欠陥を生じや
すいが、端部にテーパーを有することで酸素欠陥を抑制し、トランジスタ450のリーク
電流(寄生チャネル)の発生を低減している。
ることで、ソース電極層405a、405bとのコンタクト抵抗を低下させることができ
る。
3へドーパントを導入することで形成することができる。また、低抵抗領域は金属元素を
拡散させることによっても形成することができる。ドーパント及び金属元素の拡散を用い
て低抵抗領域を形成することで、より配線層とのコンタクト抵抗を低下させることができ
る。
ランジスタ450は、ゲート電極層401の側面に膜厚の薄い側壁絶縁層412a、41
2bが設けられている。側壁絶縁層412a、412bは、ゲート電極層401を覆う絶
縁膜を形成した後、これをRIE(Reactive ion etching:反応性
イオンエッチング)法による異方性のエッチングによって絶縁膜を加工し、ゲート電極層
401の側壁に自己整合的にサイドウォール構造の側壁絶縁層412a、412bを形成
すればよい。ここで、絶縁膜について特に限定はないが、例えば、TEOS(Tetra
ethyl-Ortho-Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化
窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコンを用いることができる。絶
縁膜は熱CVD、プラズマCVD、常圧CVD、バイアスECRCVD、スパッタリング
等の方法によって形成することができる。また、低温酸化(LTO:Low Tempe
rature Oxidation)法により形成する酸化シリコンを用いてもよい。
a、404bとのショートを防止することができる。
化物半導体層408a、408b下、酸化物絶縁層436側からも他の導電層と電気的接
続を行うことができる。
み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウムの割合
及び亜鉛の割合の2倍以上である高い電界効果移動度のIGZO膜を用いて、膜厚を3~
5nmと薄くおさえることによってショートチャネル効果によるトランジスタのノーマリ
ーオンを防止することができる。
元系金属の酸化物であるIn-Zn系酸化物、Sn-Zn系酸化物、Al-Zn系酸化物
、Zn-Mg系酸化物、Sn-Mg系酸化物、In-Mg系酸化物、In-Ga系酸化物
、三元系金属の酸化物であるIn-Ga-Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In
-Al-Zn系酸化物、In-Sn-Zn系酸化物、Sn-Ga-Zn系酸化物、Al-
Ga-Zn系酸化物、Sn-Al-Zn系酸化物、In-Hf-Zn系酸化物、In-L
a-Zn系酸化物、In-Ce-Zn系酸化物、In-Pr-Zn系酸化物、In-Nd
-Zn系酸化物、In-Sm-Zn系酸化物、In-Eu-Zn系酸化物、In-Gd-
Zn系酸化物、In-Tb-Zn系酸化物、In-Dy-Zn系酸化物、In-Ho-Z
n系酸化物、In-Er-Zn系酸化物、In-Tm-Zn系酸化物、In-Yb-Zn
系酸化物、In-Lu-Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn-Sn-Ga-Z
n系酸化物、In-Hf-Ga-Zn系酸化物、In-Al-Ga-Zn系酸化物、In
-Sn-Al-Zn系酸化物、In-Sn-Hf-Zn系酸化物、In-Hf-Al-Z
n系酸化物を用いることができる。
な導電性の高い酸化物半導体層を用いてもよい。
亜鉛の組成比が1:1:1の酸化物ターゲットで作製された酸化物半導体層を用いる。
6上に酸化物半導体膜444を形成する(図4(A)参照)。本実施の形態では酸化物半
導体膜444をインジウム:ガリウム:亜鉛の組成比が1:1:1の酸化物ターゲットを
用いてスパッタリング法により形成する。
を有して設けられた酸化物半導体層408a、408bを形成する。酸化物半導体層40
8a、408b及び酸化物絶縁層436に接して酸化物半導体層403を形成する(図4
(B)参照)。酸化物半導体層403は、インジウム:ガリウム:亜鉛の組成比が3:1
:2の酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により形成する。酸化物半導体層40
3の端部はテーパーを有する形状が好ましく、本実施の形態では30度のテーパーを有す
る形状とする。
極層401の側面を覆う側壁絶縁層412a、412bを形成する(図4(C)参照)。
ゲート絶縁膜402は酸化物半導体層403上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をゲート電極
層401及び側壁絶縁層412a、412bをマスクとしてエッチングすることで形成す
ることができる。なお、酸化物半導体層403の一部は露出する。
ト絶縁膜402、ゲート電極層401上に、酸化物半導体層403の一部と接して、金属
元素を含む膜417を形成する(図1(C)参照)。
。
ブデン(Mo)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ランタ
ン(La)、バリウム(Ba)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びニ
ッケル(Ni)のいずれかから選択される一以上を用いることができる。金属元素を含む
膜として、上記金属元素のいずれかから選択される一以上を含む金属膜、金属酸化物膜、
又は金属窒化物膜(例えば、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を
用いることができる。また、金属元素を含む膜にリン(P)、ホウ素(B)などのドーパ
ントを含ませてもよい。本実施の形態において金属元素を含む膜417は導電性を有する
。
成膜することができる。金属元素を含む膜417の膜厚は5nm以上30nm以下とすれ
ばよい。
ッタリング法によって形成する。
マスクとして、酸化物半導体層403に金属元素を含む膜417を通過してドーパント4
21を選択的に導入し、低抵抗領域を形成する(図4(D)参照)。
ント421としては、15族元素(代表的にはリン(P)、砒素(As)、およびアンチ
モン(Sb))、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、窒素(N)、アルゴン(Ar)
、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、インジウム(In)、フッ素(F)、塩素(Cl
)、チタン(Ti)、及び亜鉛(Zn)のいずれかから選択される一以上を用いることが
できる。
層403に導入する。ドーパント421の導入方法としては、イオン注入法、イオンドー
ピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができ
る。その際には、ドーパント421の単体のイオンあるいは水素化物やフッ化物、塩化物
のイオンを用いると好ましい。
属元素を含む膜417の膜厚を適宜設定して制御すればよい。例えば、ホウ素を用いて、
イオン注入法でホウ素イオンの注入を行う場合、加速電圧15kV、ドーズ量を1×10
15ions/cm2とすればよい。ドーズ量を1×1013ions/cm2以上5×
1016ions/cm2以下とすればよい。
/cm3以下であることが好ましい。
、ドーパントの種類も複数種用いてもよい。
度300℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下で1時間、酸素雰囲
気下で行うことが好ましい。また、窒素雰囲気下、減圧下、大気(超乾燥エア)下で加熱
処理を行ってもよい。
を行う。加熱処理は酸素雰囲気下で行うことが好ましい。加熱処理は減圧下、窒素雰囲気
下でも行うことできる。また、加熱温度は100℃以上700℃以下、好ましくは200
℃以上400℃以下とすればよい。
酸化物半導体層403に対して酸素雰囲気下200℃において1時間の加熱処理を行う。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas R
apid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid T
hermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anne
al)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀
ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置であ
る。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不
活性気体が用いられる。
れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。
m以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)
の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気に水
、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、ま
たは希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999
%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが
好ましい。
れ、低抵抗領域414a、414bが形成される。よって酸化物半導体層403において
、チャネル形成領域409を挟んで、ドーパント及び金属元素を含む低抵抗領域414a
、414bが形成される。
、低抵抗領域414a、414bはホウ素及びアルミニウムを含む。
ッチング法により金属元素を含む膜417を除去する。
ネル形成領域409を挟んで低抵抗領域414a、414bを含む酸化物半導体層403
を有することにより、該トランジスタ450はオン特性(例えば、オン電流及び電界効果
移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。
できる。低抵抗領域414a、414bを設けることによって、低抵抗領域414a、4
14bの間に形成されるチャネル形成領域409に加わる電界を緩和させることができる
。また、低抵抗領域414a、414bにおいて酸化物半導体層403とソース電極層4
05a及びドレイン電極層405bとを電気的に接続させることによって、酸化物半導体
層403とソース電極層405a及びドレイン電極層405bとの接触抵抗を低減するこ
とができる。
坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料
を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low-k材料)等を
用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、
平坦化絶縁膜を形成してもよい。
化絶縁膜415に酸化物半導体層403達する開口を形成し、開口に酸化物半導体層40
3と電気的に接続するソース電極層405a、ドレイン電極層405bを形成する(図4
(E)参照)。
い値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現する
トランジスタ構造およびその作製方法を提供することができる。
電流や電界効果移動度)を向上させて、半導体装置の高速応答、高速駆動を実現する構成
およびその作製方法を提供することができる。
置を提供することができる。
本実施の形態では、実施の形態1又は実施の形態2に示すトランジスタを使用し、電力が
供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導
体装置の一例を、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態の半導体装置は、トランジ
スタ162として実施の形態1又は実施の形態2に記載のトランジスタを適用して構成さ
れる。トランジスタ162としては、実施の形態1または2で示すトランジスタのいずれ
の構造も適用することができる。
憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは
、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、
消費電力を十分に低減することができる。
B)に半導体装置の平面図を、図5(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで
、図5(A)は、図5(B)のC1-C2、及びD1-D2における断面に相当する。
ジスタ160を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有するもの
である。トランジスタ162は、実施の形態1又は実施の形態2で示した構成と同一の構
成とすることができる。
望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコンなど)
とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を
用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジ
スタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
るが、pチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、開示
する発明の技術的な本質は、情報を保持するために酸化物半導体をトランジスタ162に
用いる点にあるから、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置
の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
基板185に設けられたチャネル形成領域116と、チャネル形成領域116を挟むよう
に設けられた不純物領域120と、不純物領域120に接する金属化合物領域124と、
チャネル形成領域116上に設けられたゲート絶縁層108と、ゲート絶縁層108上に
設けられたゲート電極110と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極や
ドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと
呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領
域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本
明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。
り、トランジスタ160を覆うように絶縁層130が設けられている。なお、高集積化を
実現するためには、図5(A)に示すようにトランジスタ160がサイドウォール絶縁層
を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ160の特性を重視する場
合には、ゲート電極110の側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領
域を含む不純物領域120としてもよい。
ンジスタである。ここで、トランジスタ162に含まれる酸化物半導体層144は、高純
度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極
めて優れたオフ特性のトランジスタ162を得ることができる。
縁層150を介して、トランジスタ162の電極層142aと重畳する領域には、導電層
148bが設けられており、電極層142aと、絶縁層150と、導電層148bとによ
って、容量素子164が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層142aは
、容量素子164の一方の電極として機能し、導電層148bは、容量素子164の他方
の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子164を設けない構成と
することもできる。また、容量素子164は、別途、トランジスタ162の上方に設けて
もよい。
て、絶縁層152上にはトランジスタ162と、他のトランジスタを接続するための配線
156が設けられている。図5(A)には図示しないが、配線156は、絶縁層150、
絶縁層152及びゲート絶縁膜146などに形成された開口に形成された電極を介して電
極層142bと電気的に接続される。ここで、該電極は、少なくともトランジスタ162
の酸化物半導体層144の一部と重畳するように設けられることが好ましい。
少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ160のソース領域また
はドレイン領域と酸化物半導体層144の一部が重畳するように設けられているのが好ま
しい。また、トランジスタ162及び容量素子164が、トランジスタ160の少なくと
も一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子164の導電層143bは、
トランジスタ160のゲート電極128と少なくとも一部が重畳して設けられている。こ
のような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ること
ができるため、高集積化を図ることができる。
直接接触させて行ってもよいし、間の絶縁層に電極を設けて、該電極を介して行ってもよ
い。また、間に介する電極は、複数でもよい。
極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ160のド
レイン電極とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line)とト
ランジスタ162のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第4
の配線(4th Line)と、トランジスタ162のゲート電極とは、電気的に接続さ
れている。そして、トランジスタ160のゲート電極と、トランジスタ162のソース電
極またはドレイン電極の一方は、容量素子164の電極の他方と電気的に接続され、第5
の配線(5th Line)と、容量素子164の電極の他方は電気的に接続されている
。
いう特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
162がオン状態となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。これにより
、第3の配線の電位が、トランジスタ160のゲート電極、および容量素子164に与え
られる。すなわち、トランジスタ160のゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書
き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、H
ighレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線の電
位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位にして、トランジスタ162をオフ状態
とすることにより、トランジスタ160のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保
持)。
電荷は長時間にわたって保持される。
で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ160のゲート
電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジス
タ160をnチャネル型とすると、トランジスタ160のゲート電極にHighレベル電
荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ160のゲート
電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くな
るためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ160を「オン状態」
とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位
をVth_HとVth_Lの中間の電位V0とすることにより、トランジスタ160のゲ
ート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電
荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV0(>Vth_H)となれば、トラ
ンジスタ160は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第
5の配線の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ160は「オフ状態」
のままである。このため、第2の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出
すことができる。
出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態に
かかわらずトランジスタ160が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hよ
り小さい電位を第5の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトラ
ンジスタ160が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を
第5の配線に与えればよい。
の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持する
ことが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動
作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができ
る。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であ
っても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲート
への電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、
ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体
装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信
頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の
書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
とも含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウム
の割合及び亜鉛の割合の2倍以上である酸化物半導体層を用いるため、しきい値電圧がプ
ラスであるトランジスタとすることができる。該トランジスタを採用することで、半導体
装置の高性能化を達成することができる。さらに、本実施の形態の半導体装置は、長期間
の使用に際しても、しきい値電圧がシフトしにくいトランジスタを用いるため、半導体装
置の高信頼性化を図ることができる。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態においては、実施の形態1又は実施の形態2に示すトランジスタを使用し、
電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無
い半導体装置について、実施の形態3に示した構成と異なる構成について、図6及び図7
を用いて説明を行う。なお、本実施の形態の半導体装置は、トランジスタ162として実
施の形態1又は実施の形態2に記載のトランジスタを適用して構成される。トランジスタ
162としては、実施の形態1または2で示すトランジスタのいずれの構造も適用するこ
とができる。
す概念図である。まず、図6(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図6(
B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。
又はドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ162のゲート電
極とは電気的に接続され、トランジスタ162のソース電極又はドレイン電極と容量素子
254の第1の端子とは電気的に接続されている。
ている。このため、トランジスタ162をオフ状態とすることで、容量素子254の第1
の端子の電位(あるいは、容量素子254に蓄積された電荷)を極めて長時間にわたって
保持することが可能である。
を行う場合について説明する。
ジスタ162をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子254の
第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジスタ1
62がオフ状態となる電位として、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、容
量素子254の第1の端子の電位が保持される(保持)。
(あるいは容量素子に蓄積された電荷)は長時間にわたって保持することができる。
状態であるビット線BLと容量素子254とが導通し、ビット線BLと容量素子254の
間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線BLの電
位の変化量は、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは容量素子254に蓄積され
た電荷)によって、異なる値をとる。
BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される前の
ビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位は、
(CB*VB0+C*V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル250の状態とし
て、容量素子254の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとす
ると、電位V1を保持している場合のビット線BLの電位(=(CB*VB0+C*V1
)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BLの電位(=(CB*
VB0+C*V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
る。
さいという特徴から、容量素子254に蓄積された電荷は長時間にわたって保持すること
ができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度
を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また
、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能であ
る。
50を複数有するメモリセルアレイ251a及び251bを有し、下部に、メモリセルア
レイ251(メモリセルアレイ251a及び251b)を動作させるために必要な周辺回
路253を有する。なお、周辺回路253は、メモリセルアレイ251と電気的に接続さ
れている。
メモリセルアレイ251a及び251b)の直下に設けることができるため半導体装置の
小型化を図ることができる。
を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、
炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが
好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたト
ランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速
動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現することが可能であ
る。
アレイ251aと、メモリセルアレイ251b)が積層された構成を例示したが、積層す
るメモリセルの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルを積層する構成としても
良い。
行う。
図を、図7(B)に図7(A)の線分A-Bにおける断面図をそれぞれ示す。
で示した構成と同一の構成とすることができる。
ている。電極502は、図6(A)におけるビット線BLとして機能する配線であり、ト
ランジスタ162の低抵抗領域と接して設けられている。また、電極504は、図6(A
)における容量素子254の一方の電極として機能し、トランジスタ162の低抵抗領域
と接して設けられている。トランジスタ162上において、電極504と重畳する領域に
設けられた電極506は、容量素子254の他方の電極として機能する。
電気的に接続する。ゲート絶縁膜146を介して酸化物半導体層144上に設けられたゲ
ート電極148aは、ワード線509と電気的に接続する。
示す。周辺回路は、例えばnチャネル型トランジスタ510及びpチャネル型トランジス
タ512を含む構成とすることができる。nチャネル型トランジスタ510及びpチャネ
ル型トランジスタ512に用いる半導体材料としては、酸化物半導体以外の半導体材料(
シリコンなど)を用いるのが好ましい。このような材料を用いることで、周辺回路に含ま
れるトランジスタの高速動作を図ることができる。
図ることができるため、高集積化を図ることができる。
ンジスタにより形成されている。インジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素の4元素を少な
くとも含み、該4元素の組成比を原子百分率で表したとき、インジウムの割合が、ガリウ
ムの割合及び亜鉛の割合の2倍以上である酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電
流が小さいため、これを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、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電
力を十分に低減することができる。また、容量素子254は、図7(B)で示すように電
極504、酸化物半導体層144、ゲート絶縁膜146、電極506が積層されることに
よって形成される。上記のような組成を有する酸化物半導体層の比誘電率は非常に高いた
め(比誘電率で66)、これを誘電体膜として用いることにより容量素子254が必要と
する面積を縮小することができる。
作が可能なトランジスタ)を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ(よ
り広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ)を用いた記憶回路とを一体に備える
ことで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回
路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。
である。
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電
子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図8乃至図11を用いて説明する。
などにSRAMまたはDRAMが使用されている。SRAMまたはDRAMが使用される
理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。
一方で、SRAMまたはDRAMを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴があ
る。
06の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー807、Yデコーダー
808にて駆動している。トランジスタ803とトランジスタ805、トランジスタ80
4とトランジスタ806はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし1つ
のメモリセルが6トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点があ
る。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSRAMのメモリセル面積は通常100
~150F2である。このためSRAMはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高
い。
持容量812によって構成され、それをXデコーダー813、Yデコーダー814にて駆
動している。1つのセルが1トランジスタ1容量の構成になっており、面積が小さい。D
RAMのメモリセル面積は通常10F2以下である。ただし、DRAMは常にリフレッシ
ュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。
、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ
消費電力が低減することができる。
ースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源回路
905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレイコ
ントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、音声
回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示部9
14、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプリケ
ーションプロセッサ906はCPU907、DSP908、インターフェイス909(I
F909)を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまたはDRAMで構成され
ており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報
の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に
低減することができる。
用した例を示す。図10に示すメモリ回路950は、メモリ952、メモリ953、スイ
ッチ954、スイッチ955およびメモリコントローラ951により構成されている。ま
た、メモリ回路950は、画像データ(入力画像データ)の信号線、メモリ952、及び
メモリ953に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出し、及び制御を行うディス
プレイコントローラ956と、ディスプレイコントローラ956からの信号により表示す
るディスプレイ957が接続されている。
る(入力画像データA)。入力画像データAは、スイッチ954を介してメモリ952に
記憶される。そしてメモリ952に記憶された画像データ(記憶画像データA)は、スイ
ッチ955、及びディスプレイコントローラ956を介してディスプレイ957に送られ
、表示される。
期でメモリ952からスイッチ955を介して、ディスプレイコントローラ956から読
み出される。
に変更が有る場合)、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ(入力画像データ
B)を形成する。入力画像データBはスイッチ954を介してメモリ953に記憶される
。この間も定期的にメモリ952からスイッチ955を介して記憶画像データAは読み出
されている。メモリ953に新たな画像データ(記憶画像データB)が記憶し終わると、
ディスプレイ957の次のフレームより、記憶画像データBは読み出され、スイッチ95
5、及びディスプレイコントローラ956を介して、ディスプレイ957に記憶画像デー
タBが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモ
リ952に記憶されるまで継続される。
の読み出しを行うことによって、ディスプレイ957の表示をおこなう。なお、メモリ9
52及びメモリ953はそれぞれ別のメモリには限定されず、1つのメモリを分割して使
用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ952及びメモリ953に
採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可
能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
、マイクロプロセッサ1003、フラッシュメモリ1004、音声回路1005、キーボ
ード1006、メモリ回路1007、タッチパネル1008、ディスプレイ1009、デ
ィスプレイコントローラ1010によって構成される。
ることができる。メモリ回路1007の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ
。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが
電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキ
ング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太
くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが
指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合には
フラッシュメモリ1004にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の
形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高
速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力
を低減した携帯機器が実現される。
合わせて用いることができる。
作製し、酸化物半導体膜のイオン化ポテンシャルの測定を行い、その結果に基づきエネル
ギーバンド図を計算した。本明細書において、イオン化ポテンシャルの値は、バンドギャ
ップ(エネルギーギャップ)と電子親和力を加算した値であり、バンドギャップの値は、
材料の単膜の分光エリプソメトリーで測定して得られる値を用いる。また、酸化物半導体
膜の組成分析を行った。
mのIGZO膜を成膜した。成膜条件は、基板温度を300℃とし、ターゲットとしては
、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いた。
雰囲気下において成膜し、成膜後熱処理なしの試料では2.83eV、成膜後450℃で
熱処理(窒素雰囲気下で1時間の後、酸素雰囲気下で1時間)した試料は2.90eV、
成膜後650℃熱処理(窒素雰囲気下で1時間の後、酸素雰囲気下で1時間)した試料は
2.94eV、また、酸素雰囲気(酸素100%)下において成膜し、成膜後熱処理なし
の試料では2.82eV、成膜後450℃熱処理(窒素雰囲気下で1時間の後、酸素雰囲
気下で1時間)した試料は2.89eV、成膜後650℃熱処理(窒素雰囲気下で1時間
の後、酸素雰囲気下で1時間)した試料は2.94eVであり、約2.8eV~2.9e
Vであった。
n:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法
により膜厚15nmで成膜して得られたIGZO膜を、該膜の表面側からスパッタリング
しながら紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelec
tron Spctroscopy)によるイオン化ポテンシャルを測定した。なお、イ
オン化ポテンシャルは真空準位から価電子帯までのエネルギー差を表す。
とで伝導帯のエネルギーを算出し、この、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の
酸化物ターゲットを用いて成膜したIGZO膜のバンド構造を作成した。ただし、IGZ
O膜のバンドギャップは2.8eVとした。その結果が図12となる。
n:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法
により膜厚15nmで成膜して得られたIGZO膜の組成をX線光電子分光法(XPS:
X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析によって定
量化して評価した。
が7.5atomic%、亜鉛(Zn)が9atomic%、酸素(O)が59.7at
omic%であった。
IGZO膜のX線回折(XRD:X-Ray Diffraction)測定を行った。
した。成膜条件は、基板温度を室温、200℃、300℃、又は400℃とし、成膜雰囲
気をアルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=30sccm:15sccm)とし、ターゲッ
トとして、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いた。
測定した結果を図13に示す。図13において、縦軸はx線回折強度(任意単位)であり
、横軸は回転角2θ(deg.)である。なお、XRDスペクトルの測定は、Bruke
r AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEを用いた。
ークが見られず非晶質酸化物半導体膜であることが確認できた。また、200℃、300
℃、又は400℃で成膜したIGZO膜は、図13に示すようにXRDスペクトルにおい
て、2θ=31°近傍に、結晶に起因するピークが見られ、結晶性酸化物半導体膜である
ことが確認できた。
H9000-NAR」:TEM)で加速電圧を300kVとし、IGZO膜の断面観察を
行った。
した。成膜条件は、基板温度を300℃、成膜雰囲気をアルゴン及び酸素(アルゴン:酸
素=30sccm:15sccm)とし、ターゲットとして、In:Ga:Zn=3:1
:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用いた。
下1時間の後、酸素雰囲気下1時間)、図16(C)に成膜後650℃熱処理(窒素雰囲
気下1時間の後、酸素雰囲気下1時間)のIGZO膜の断面におけるTEM像を示す。
C)を含むIGZO膜が確認できた。
非単結晶のIGZO膜が得られることが確認できた。
成膜されたIGZO膜を有するトランジスタを作製し、電気特性及び信頼性の評価を行っ
た。
2(A)に示すトランジスタ440bの構造のトランジスタ2を作製した。以下にトラン
ジスタ1及びトランジスタ2の作製方法を示す。
膜を形成した(成膜条件:酸素雰囲気下、圧力0.4Pa、電源1.5kW、ガラス基板
とターゲットとの間の距離を60mm、基板温度100℃)。
[原子数比]の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚20nmのIG
ZO膜を形成した。成膜条件は、アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=30sccm:1
5sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源1.5kW、ガラス基板とターゲットとの
間の距離を60mm、基板温度200℃とした。
った。IGZO膜をICP(Inductively Coupled Plasma:
誘導結合型プラズマ)エッチング法により、エッチング(エッチング条件:エッチングガ
ス(BCl3:Cl2=60sccm:20sccm)、電源電力450W、バイアス電
力100W、圧力1.9Pa)し、島状に加工した。
圧力0.8Pa、電源電力1kW)を成膜し、ICPエッチング法により、エッチング(
エッチング条件:エッチングガス(CF4:Cl2:O2=25sccm:25sccm
:10sccm)、電源電力500W、バイアス電力150W、圧力1.0Pa)してソ
ース電極層及びドレイン電極層を形成した。
Ar:N2=50sccm:10sccm)雰囲気下、圧力0.6Pa、電源電力1kW
)及び膜厚135nmのタングステン膜(成膜条件:アルゴン雰囲気下、圧力2.0Pa
、電源電力4kW)の積層を成膜し、エッチング法により、エッチング(第1エッチング
条件:エッチングガス(Cl2:SF6:O2=33sccm:33sccm:10sc
cm、電源電力2000W、バイアス電力50W、圧力0.67Pa)(第2エッチング
条件:エッチングガス(Cl2=100sccm、電源電力2000W、バイアス電力5
0W、圧力0.67Pa)してゲート電極層を形成した。
オン注入法によりIGZO膜に、リン(P)イオンを注入した。なお、リン(P)イオン
の注入条件は加速電圧40kV、ドーズ量を1.0×1015ions/cm2とした。
:アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=25sccm:25sccm)雰囲気下、圧力0
.4Pa、電源電力2.5kW、ガラス基板とターゲットとの間の距離を60mm、基板
温度250℃)を成膜し、CVD法により酸化窒化シリコン膜を300nm積層した。
ング法により膜厚50nmのチタン膜(成膜条件:アルゴン(Ar=20sccm)雰囲
気下、圧力0.1Pa、電源電力12kW)、膜厚100nmのアルミニウム膜(成膜条
件:アルゴン(Ar=50sccm)雰囲気下、圧力0.4Pa、電源電力1kW)、膜
厚50nmのチタン膜(成膜条件:アルゴン(Ar=20sccm)雰囲気下、圧力0.
1Pa、電源電力12kW)の積層を成膜し、エッチング(エッチング条件:エッチング
ガス(BCl3:Cl2=60sccm:20sccm)、電源電力450W、バイアス
電力100W、圧力1.9Pa)して、配線層を形成した。
いては、チャネル長(L)は3.2μm及びチャネル幅(W)は10.1μm、酸化物半
導体膜上においてソース電極層、ドレイン電極層、及びゲート電極層のどれとも重ならな
い領域のチャネル長方向の幅(Loffともいう)は0.15μmとした。一方、なお、
トランジスタ2においては、チャネル長(L)は2.9μm及びチャネル幅(W)は10
.1μm、酸化物半導体膜上においてソース電極層又はドレイン電極層がゲート電極層と
重なる領域のチャネル長方向の幅(Lovともいう)は1.15μmとした。
信頼性評価も行った。トランジスタ2のドレイン電圧(Vd)が3V、0.1Vにおける
ゲート電圧(Vg)-ドレイン電流(Id)特性、及びドレイン電圧(Vd)が0.1V
における電界効果移動度を図14に、トランジスタ1のドレイン電圧(Vd)が3V、0
.1Vにおけるゲート電圧(Vg)-ドレイン電流(Id)特性、及びドレイン電圧(V
d)が0.1Vにおける電界効果移動度を図15(A)(B)に示す。
し、電界効果移動度は20cm2/Vs付近であり、トランジスタ2においては20cm
2/Vsを超える電界効果移動度であった。
GBT(Gate Bias Temperature)試験と呼ぶ。)がある。GBT
試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化を、
短時間で評価することができる。特に、GBT試験前後におけるトランジスタのしきい値
電圧の変化量は、信頼性を調べるための重要な指標となる。GBT試験前後において、し
きい値電圧の変化量が小さいほど信頼性が高い。
インを同電位とし、ゲートにはソース及びドレインとは異なる電位を一定時間与える。基
板の温度は、試験目的に応じて適宜設定すればよい。なお、「+GBT試験」では、ゲー
トに与える電位がソース及びドレインの電位(ソースとドレインは同電位である。)より
も高く、「-GBT試験」では、ゲートに与える電位がソース及びドレインの電位(ソー
スとドレインは同電位である。)よりも低い。
間により決定することができる。ゲート絶縁層中の電界強度は、ゲートと、ソース及びド
レインと、の間の電位差をゲート絶縁層の厚さで除して決定される。
を40℃とし、Vdを3Vとし、トランジスタ1のVg-Id特性の測定を行った。次に
、基板温度を150℃とし、Vdを0.1Vとした。次に、ゲート絶縁膜に印加される電
界強度が2MV/cmとなるようにVgに6Vを印加し、そのまま大気雰囲気下で1時間
保持した。次に、Vgを0Vとした。次に、基板温度40℃とし、Vdを10Vとし、ト
ランジスタ1のVg-Id測定を行った。+GBT試験結果を図15(A)に示す。
タ1のVg-Id特性の測定を行った。次に、基板温度を150℃とし、Vdを0.1V
とした。次に、ゲート絶縁膜に印加される電界強度が-2MV/cmとなるようにVgに
-6Vを印加し、そのまま大気雰囲気下で1時間保持した。次に、Vgを0Vとした。次
に、基板温度40℃とし、Vdを10Vとし、トランジスタ1のVg-Id測定を行った
。-GBT試験結果を図15(B)に示す。
よるしきい値電圧の変動は、ほとんど見られなかった。従って、本実施例のトランジスタ
は、GBT試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さく、信頼性が高いことが確認でき
た。
ネル幅(W)を1000μm、Loffを0.3μmとしたトランジスタを作製し、当該
トランジスタのオフリーク電流(オフ電流)を測定した。測定は、125℃または85℃
の条件下にて行った。測定結果を図17に示す。
のオフリーク電流は、0.5zA/μmであり、極めて低い値であった。
スタであることが示された。
Claims (3)
- マトリクス状に配置された複数の回路を有し、
前記回路は、
シリコンを含む第1のチャネル形成領域を有する第1のトランジスタと、
酸化物半導体を含む第2のチャネル形成領域を有する第2のトランジスタと、を有し、
前記第1のトランジスタのゲート電極は、前記第2のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と電気的に接続される半導体装置であって、
前記第1のチャネル形成領域の上方に設けられ、且つ、前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第1の導電層の側面と接する領域を有する第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方の酸化物半導体層と、
前記第2のトランジスタのチャネル形成領域の上方に設けられ、且つ、前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第2の導電層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続され、且つ、前記第2のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方としての機能を有する第3の導電層と、
前記第2の導電層の上方及び前記第3の導電層の上方の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方の第4の導電層と、
前記第4の導電層の上方の第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上方の第5の導電層と、を有し、
前記第4の導電層は、前記第3の絶縁層を介して前記第3の導電層と重なる領域を有し、
前記第4の導電層は、前記第3の絶縁層及び前記第3の導電層を介して、前記第1の導電層と重なる領域を有し、
前記第2のトランジスタのチャネル長方向における断面視において、前記第4の導電層は、前記第1の導電層の両端と重なりを有する、半導体装置。 - マトリクス状に配置された複数の回路を有し、
前記回路は、
シリコンを含む第1のチャネル形成領域を有する第1のトランジスタと、
酸化物半導体を含む第2のチャネル形成領域を有する第2のトランジスタと、を有し、
前記第1のトランジスタのゲート電極は、前記第2のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と電気的に接続される半導体装置であって、
前記第1のチャネル形成領域の上方に設けられ、且つ、前記第1のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第1の導電層と、
前記第1の導電層の側面と接する領域を有する第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方の酸化物半導体層と、
前記第2のトランジスタのチャネル形成領域の上方に設けられ、且つ、前記第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第2の導電層と、
前記酸化物半導体層と電気的に接続され、且つ、前記第2のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方としての機能を有する第3の導電層と、
前記第2の導電層の上方及び前記第3の導電層の上方の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層の上方の第4の導電層と、
前記第4の導電層の上方の第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上方の第5の導電層と、を有し、
前記第4の導電層は、前記第3の絶縁層を介して前記第3の導電層と重なる領域を有し、
前記第4の導電層は、前記第3の絶縁層及び前記第3の導電層を介して、前記第1の導電層と重なる領域を有し、
前記第2のトランジスタのチャネル長方向における断面視において、前記第4の導電層は、前記第1の導電層の両端と重なりを有し、
前記第5の導電層は、前記第1の導電層及び前記第2の導電層の各々と重なる領域を有する、半導体装置。 - 請求項1又は2において、
前記酸化物半導体層は、In、Ga及びZnを有する、半導体装置。
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