JPWO2019025911A1 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
図1(A)、図1(B)、および図1(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。
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230b上に、互いに離して配置された導電体242a、および導電体242bと、導電体242aおよび導電体242b上に配置され、導電体242aと導電体242bの間に重畳して開口が形成された絶縁体280と、開口の中に配置された導電体260と、酸化物230b、導電体242a、導電体242b、および絶縁体280と、導電体260と、の間に配置された絶縁体250と、酸化物230b、導電体242a、導電体242b、および絶縁体280と、絶縁体250と、の間に配置された酸化物230cと、を有する。また、図1に示すように、酸化物230a、酸化物230b、導電体242a、および導電体242bと、絶縁体280の間に絶縁体244が配置されることが好ましい。また、図1に示すように、導電体260は、絶縁体250の内側に設けられた導電体260a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。また、図1に示すように、絶縁体280、導電体260、および絶縁体250の上に絶縁体274が配置されることが好ましい。
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。
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。
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。
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)、および非晶質酸化物半導体などがある。
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
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、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図4乃至図13を用いて説明する。また、図4乃至図13において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)に示すA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
以下では、図14乃至図17を用いて、先の<半導体装置の構成例>で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図18乃至図21を用いて説明する。
図18(A)(B)に記憶装置を構成するセル600を示す。セル600は、トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100a、および容量素子100bを有している。図18(A)は、セル600の上面図である。また、図18(B)は、図18(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図18(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図18(A)(B)に示すように、容量素子100aは、トランジスタ200aと重畳する領域に設ける。同様に、容量素子100bは、トランジスタ200bと重畳する領域に設ける。なお、容量素子100bは、容量素子100aが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。以下において、容量素子100aの詳細な構造について説明するが、特にことわりが無い限り容量素子100bについては、容量素子100aの説明を参酌することができる。
次に、上記のセルを行列またはマトリクス状に配置した、セルアレイの一例について、図19乃至図21を用いて説明する。
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図22および図23を用いて説明する。
図22に示す記憶装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図22は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。図23には、トランジスタ300近傍のトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図を示す。
本発明の一態様の記憶装置は、図22に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
本実施の形態では、図24乃至図26を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ。)、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、NOSRAMについて説明する。NOSRAM(登録商標)とは「Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、ゲインセル型(2T型、3T型)のメモリセルを有するRAMを指す。なお、以下において、NOSRAMのようにOSトランジスタを用いたメモリ装置を、OSメモリと呼ぶ場合がある。
図24にNOSRAMの構成例を示す。図24に示すNOSRAM1600は、メモリセルアレイ1610、コントローラ1640、行ドライバ1650、列ドライバ1660、出力ドライバ1670を有する。なお、NOSRAM1600は、1のメモリセルで多値データを記憶する多値NOSRAMである。
図25(A)はメモリセル1611の構成例を示す回路図である。メモリセル1611は2T型のゲインセルであり、メモリセル1611はワード線WWL、ワード線RWL、ビット線BL、ソース線SL、配線BGLに電気的に接続されている。メモリセル1611は、ノードSN、OSトランジスタMO61、トランジスタMP61、容量素子C61を有する。OSトランジスタMO61は書き込みトランジスタである。トランジスタMP61は読み出しトランジスタであり、例えばpチャネル型Siトランジスタで構成される。容量素子C61はノードSNの電位を保持するための保持容量である。ノードSNはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタMP61のゲートに相当する。
本実施の形態では、図27および図28を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、DOSRAMについて説明する。DOSRAM(登録商標)とは、「Dynamic Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、1T(トランジスタ)1C(容量)型のメモリセルを有するRAMを指す。DOSRAMも、NOSRAMと同様に、OSメモリが適用されている。
図27にDOSRAMの構成例を示す。図27に示すように、DOSRAM1400は、コントローラ1405、行回路1410、列回路1415、メモリセルおよびセンスアンプアレイ1420(以下、「MC−SAアレイ1420」と呼ぶ。)を有する。
MC−SAアレイ1420は、メモリセルアレイ1422をセンスアンプアレイ1423上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線GBLL、グローバルビット線GBLRはメモリセルアレイ1422上に積層されている。DOSRAM1400では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
コントローラ1405は、DOSRAM1400の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ1405は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路1410、列回路1415の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
行回路1410は、MC−SAアレイ1420を駆動する機能を有する。デコーダ1411はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路1412は、アクセス対象行のワード線WLを選択する選択信号を生成する。
列回路1415は、データ信号WDA[31:0]の入力を制御する機能、データ信号RDA[31:0]の出力を制御する機能を有する。データ信号WDA[31:0]は書き込みデータ信号であり、データ信号RDA[31:0]は読み出しデータ信号である。
本実施の形態では、図29を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、AIシステムについて説明を行う。
<AIシステムの応用例>
本実施の形態では、上記実施の形態に示すAIシステムの応用例について図30を用いて説明を行う。
本実施の形態では、上記実施の形態に示すAIシステムが組み込まれたICの一例を示す。
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図32乃至図34に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
Claims (12)
- 酸化物と、
前記酸化物上に、互いに離して配置された第1の導電体、および第2の導電体と、
前記第1の導電体および前記第2の導電体上に配置され、前記第1の導電体と前記第2の導電体の間に重畳して開口が形成された第1の絶縁体と、
前記開口の中に配置された第3の導電体と、
前記酸化物、前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第1の絶縁体と、前記第3の導電体と、の間に配置された第2の絶縁体と、を有し、
前記第2の絶縁体は、前記酸化物と前記第3の導電体の間において、第1の膜厚を有し、前記第1の導電体または前記第2の導電体と前記第3の導電体の間において、第2の膜厚を有し、
前記第1の膜厚は、前記第2の膜厚より薄い、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第2の絶縁体は、第3の絶縁体と第4の絶縁体とを有し、
前記第3の絶縁体は、前記酸化物、前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第1の絶縁体と、前記第3の導電体と、の間に配置され、
前記第4の絶縁体は、前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第1の絶縁体と、前記第3の絶縁体と、の間に配置される、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記酸化物、前記第1の導電体、および前記第2の導電体と、前記第1の絶縁体と、の間に第5の絶縁体が配置され、
前記第5の絶縁体は、アルミニウムおよびハフニウムの少なくとも一方を含む、酸化物である、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有する、ことを特徴とする半導体装置。 - 第1の酸化物と、
前記第1の酸化物上に、互いに離して配置された第1の導電体、および第2の導電体と、
前記第1の導電体および前記第2の導電体上に配置され、前記第1の導電体と前記第2の導電体の間に重畳して開口が形成された第1の絶縁体と、
前記開口の中に配置された第3の導電体と、
前記第1の酸化物、前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第1の絶縁体と、前記第3の導電体と、の間に配置された第2の絶縁体と、
前記第1の酸化物、前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第1の絶縁体と、前記第2の絶縁体と、の間に配置された第2の酸化物と、を有し、
前記第2の絶縁体は、前記第1の酸化物と前記第3の導電体の間において、第1の膜厚を有し、前記第1の導電体または前記第2の導電体と前記第3の導電体の間において、第2の膜厚を有し、
前記第1の膜厚は、前記第2の膜厚より薄い、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項5において、
前記第1の酸化物、前記第1の導電体、および前記第2の導電体と、前記第1の絶縁体と、の間に第3の絶縁体が配置され、
前記第3の絶縁体は、アルミニウムおよびハフニウムの少なくとも一方を含む、酸化物である、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項6において、
前記第4の絶縁体は、前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第1の絶縁体と、前記第2の酸化物と、の間に配置され、
前記第4の絶縁体は、アルミニウムおよびハフニウムの少なくとも一方を含む、酸化物である、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項5または請求項6において、
前記第1の酸化物および前記第2の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有する、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項5、および請求項6のいずれか一項において、
前記第1の絶縁体の上面と、前記第3の導電体の上面と、前記第2の絶縁体の上面は概略一致する、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項5、および請求項6のいずれか一項において、
前記第1の絶縁体の上面と、前記第3の導電体の上面と、前記第2の絶縁体の上面に接して、第6の絶縁体が配置され、
前記第6の絶縁体は、アルミニウムを含む酸化物である、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項5、および請求項6のいずれか一項において、
前記第1の導電体、および前記第2の導電体は、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、およびランタンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、請求項2、請求項5、および請求項6のいずれか一項において、
前記第1の導電体、および前記第2の導電体は、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、およびランタンとニッケルを含む酸化物の少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
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