JP6448743B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
開示される発明の一態様は、半導体装置の作製方法に関する。 One embodiment of the disclosed invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
近年、コンピュータシステム技術の分野においては、処理を行っていない場合に装置内部
における電力の供給を停止し、装置に対する入力操作が行われた場合等、処理の必要が生
じた場合に、瞬時に電力の供給を再開することにより、待機時における消費電力を削減す
る電力制御技術が開発されている(特許文献1参照)。
In recent years, in the field of computer system technology, when processing is necessary, such as when the supply of power within the device is stopped when processing is not being performed and an input operation is performed on the device, power is instantaneously generated. A power control technique for reducing power consumption during standby has been developed by resuming the supply of power (see Patent Document 1).
特に、CPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)
に不揮発性素子を積極的に活用して、超低消費電力化を実現するためのコンピューティン
グ技術が研究されている。
In particular, CPU (Central Processing Unit)
In addition, research has been conducted on computing technology for realizing ultra-low power consumption by actively utilizing nonvolatile elements.
上述の不揮発性素子として、酸化物半導体層を活性層として有するトランジスタ(以下「
酸化物半導体トランジスタ」と呼ぶ)を用いて半導体装置を作製すると、データを長時間
にわたって保持可能な半導体装置を得ることができる。以下にその詳細を説明する。
As the above-described nonvolatile element, a transistor including an oxide semiconductor layer as an active layer (hereinafter, “
When a semiconductor device is manufactured using an “oxide semiconductor transistor”, a semiconductor device capable of holding data for a long time can be obtained. Details will be described below.
なお、本明細書中において、酸化物半導体層中のソース電極と接する領域をソース領域と
言い、酸化物半導体層中のドレイン電極と接する領域をドレイン領域という。酸化物半導
体層中のソース領域及びドレイン領域の間の領域で、ゲート電極と重畳する領域を、チャ
ネル形成領域という。
Note that in this specification, a region in contact with the source electrode in the oxide semiconductor layer is referred to as a source region, and a region in contact with the drain electrode in the oxide semiconductor layer is referred to as a drain region. A region between the source region and the drain region in the oxide semiconductor layer and overlapping with the gate electrode is referred to as a channel formation region.
また本明細書において、活性層とは、チャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域
を含めた半導体層のことをさす。
In this specification, an active layer refers to a semiconductor layer including a channel formation region, a source region, and a drain region.
また本明細書において、チャネル形成領域の長さ(以下「チャネル長」という)とは、チ
ャネル形成領域のキャリアが流れる方向の長さをいう。またチャネル形成領域の幅(以下
「チャネル幅」という)は、チャネル形成領域のキャリアが流れる方向とは垂直な方向の
長さをいう。
In this specification, the length of the channel formation region (hereinafter referred to as “channel length”) refers to the length of the channel formation region in the direction in which carriers flow. The width of the channel formation region (hereinafter referred to as “channel width”) refers to the length in the direction perpendicular to the direction in which carriers flow in the channel formation region.
酸化物半導体トランジスタは、オフ状態でのリーク電流(以下「オフ電流」という)が、
極めて低い。なお、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のとき、例えばソース電位を
基準としたときのゲート電位Vgとの電位差がしきい値電圧以下のときのドレイン電流I
dとする。
An oxide semiconductor transistor has an off-state leakage current (hereinafter referred to as “off-state current”).
Very low. Note that the off-state current refers to the drain current I when the transistor is off, for example, when the potential difference from the gate potential Vg with respect to the source potential is equal to or lower than the threshold voltage.
Let d.
なお本明細書において、しきい値電圧とは、飽和領域にて、ゲート電位Vgに対するドレ
イン電流Idの平方根の傾きが最大になったときのゲート電位の値と定義する。
Note that in this specification, the threshold voltage is defined as the value of the gate potential when the slope of the square root of the drain current Id with respect to the gate potential Vg becomes maximum in the saturation region.
オフ電流が極めて小さい酸化物半導体トランジスタは、ソースまたはドレインの一方と電
気的に接続されたノードの電荷を長時間にわたって保持することが可能である。このよう
なオフ電流がきわめて小さい酸化物半導体トランジスタを用いた半導体装置は、データを
長時間にわたって保持可能な半導体装置となる。別言すれば、このようなオフ電流がきわ
めて小さい酸化物半導体トランジスタを用いた半導体装置は、不揮発性の半導体装置であ
るといえる。
An oxide semiconductor transistor with extremely low off-state current can hold a charge of a node electrically connected to one of a source and a drain for a long time. Such a semiconductor device including an oxide semiconductor transistor with extremely small off-state current is a semiconductor device that can hold data for a long time. In other words, a semiconductor device including an oxide semiconductor transistor with extremely low off-state current can be said to be a nonvolatile semiconductor device.
このような酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層することで、当該酸化
物半導体トランジスタを用いた半導体装置の面積を小さくすることができる。
By stacking such oxide semiconductor transistors in a three-dimensional hierarchy, the area of a semiconductor device using the oxide semiconductor transistor can be reduced.
ところが、酸化物半導体層において酸素欠損はドナーとなり、酸化物半導体層中にキャリ
アである電子を生成する。酸化物半導体トランジスタのチャネル形成領域を含む酸化物半
導体層に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、酸
化物半導体トランジスタのしきい値電圧をマイナス方向にシフトさせる要因となる。
However, oxygen vacancies serve as donors in the oxide semiconductor layer, and electrons serving as carriers are generated in the oxide semiconductor layer. If there are many oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer including the channel formation region of the oxide semiconductor transistor, electrons are generated in the channel formation region, and the threshold voltage of the oxide semiconductor transistor is shifted in the negative direction. It becomes.
そのため、酸化物半導体層の酸素欠損を低減し、酸化物半導体トランジスタの電気的特性
を安定化させるために、酸化物半導体層に酸素を添加することが好適である。酸化物半導
体層に酸素を添加することにより、酸化物半導体トランジスタのしきい値電圧をプラス方
向にシフトさせることができる。
Therefore, oxygen is preferably added to the oxide semiconductor layer in order to reduce oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer and stabilize the electrical characteristics of the oxide semiconductor transistor. By adding oxygen to the oxide semiconductor layer, the threshold voltage of the oxide semiconductor transistor can be shifted in the positive direction.
酸化物半導体層に酸素を添加する方法として、当該酸化物半導体層の上下のいずれか、又
はその両方に、層中(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
する絶縁層、例えば酸化珪素層を形成し、熱処理により当該酸化珪素層から酸化物半導体
層へ酸素を供給する方法が挙げられる。
As a method for adding oxygen to the oxide semiconductor layer, oxygen in an amount exceeding at least the stoichiometric composition ratio exists in the layer (in the bulk) in either or both of the upper and lower sides of the oxide semiconductor layer. An example is a method in which an insulating layer, for example, a silicon oxide layer is formed and oxygen is supplied from the silicon oxide layer to the oxide semiconductor layer by heat treatment.
熱処理により当該酸化珪素層から酸化物半導体層へ酸素を供給する方法では、熱処理時間
が長いほど、当該酸化珪素層から酸化物半導体層へ供給される酸素量は多くなる。酸化物
半導体層へ供給される酸素量が多くなるほど、酸化物半導体層中の酸素欠損密度を低減可
能であり、その結果、酸化物半導体トランジスタのしきい値電圧のプラス方向へのシフト
量が大きくなる。
In the method of supplying oxygen from the silicon oxide layer to the oxide semiconductor layer by heat treatment, the amount of oxygen supplied from the silicon oxide layer to the oxide semiconductor layer increases as the heat treatment time increases. As the amount of oxygen supplied to the oxide semiconductor layer increases, the density of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer can be reduced. As a result, the amount of shift in the positive direction of the threshold voltage of the oxide semiconductor transistor increases. Become.
しかしながら、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層すると、下階層に
形成された酸化物半導体トランジスタ(先に形成された酸化物半導体トランジスタ)の熱
処理時間は、下階層に形成された酸化物半導体トランジスタの形成の際に行われる熱処理
時間と、上階層に形成された酸化物半導体トランジスタ(後に形成された酸化物半導体ト
ランジスタ)の形成の際に行われる熱処理時間との和となる。そのため、下階層に形成さ
れた酸化物半導体トランジスタの熱処理時間は、上階層に形成された酸化物半導体トラン
ジスタの熱処理時間よりも長くなる。
However, when oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked, the heat treatment time of the oxide semiconductor transistor formed in the lower layer (the oxide semiconductor transistor formed earlier) is the oxidation time formed in the lower layer. It is the sum of the heat treatment time performed when forming the physical semiconductor transistor and the heat treatment time performed when forming the oxide semiconductor transistor formed in the upper layer (the oxide semiconductor transistor formed later). Therefore, the heat treatment time of the oxide semiconductor transistor formed in the lower layer is longer than the heat treatment time of the oxide semiconductor transistor formed in the upper layer.
下階層と上階層の酸化物半導体トランジスタへの熱処理時間が異なると、酸化物半導体層
に添加される酸素の量が異なる恐れが生じる。酸化物半導体層に添加される酸素の量が異
なると、酸化物半導体トランジスタのしきい値電圧のシフト量が異なり、下階層と上階層
で特性の異なる酸化物半導体トランジスタが作製されてしまう恐れが生じる。
If the heat treatment times for the lower and upper oxide semiconductor transistors are different, the amount of oxygen added to the oxide semiconductor layer may be different. If the amount of oxygen added to the oxide semiconductor layer is different, the threshold voltage shift amount of the oxide semiconductor transistor is different, and there is a risk that an oxide semiconductor transistor having different characteristics in the lower and upper layers may be manufactured. Arise.
下階層と上階層で特性の異なる酸化物半導体トランジスタを用いて半導体装置を作製する
と、半導体装置の信頼性が低下する恐れが生じる。
When a semiconductor device is manufactured using oxide semiconductor transistors having different characteristics in the lower layer and the upper layer, the reliability of the semiconductor device may be reduced.
以上を鑑みて、開示される発明の一態様では、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階
層化して積層する半導体装置において、電気特性が均一な酸化物半導体トランジスタを得
ることを課題の一とする。
In view of the above, an object of one embodiment of the disclosed invention is to obtain an oxide semiconductor transistor with uniform electric characteristics in a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked. .
開示される発明の一態様では、熱処理時間が同じであった場合に、より低いしきい値電圧
を有するトランジスタを下階層に(先に)形成し、より高いしきい値電圧を有するトラン
ジスタを上階層に(後に)形成する。
In one embodiment of the disclosed invention, when the heat treatment time is the same, a transistor having a lower threshold voltage is formed in a lower layer (first) and a transistor having a higher threshold voltage is Form in the hierarchy (later).
熱処理時間が同じであった場合に、より低いしきい値電圧を有するトランジスタが下階層
に(先に)形成し、より高いしきい値電圧を有するトランジスタを上階層に(後に)形成
すると、下階層に形成されたトランジスタの熱処理時間は、上階層に形成されたトランジ
スタの熱処理時間よりも長くなる。
When the heat treatment time is the same, a transistor having a lower threshold voltage is formed in the lower layer (first), and a transistor having a higher threshold voltage is formed in the upper layer (later). The heat treatment time of the transistors formed in the hierarchy is longer than the heat treatment time of the transistors formed in the upper hierarchy.
当該下階層に形成された酸化物半導体トランジスタに、より長い熱処理を行うことにより
、上階層に形成され、熱処理時間が短い酸化物半導体トランジスタと同様のしきい値電圧
を得ることが可能である。しきい値電圧のような電気的特性を均一にすることにより、信
頼性の高い半導体装置を得ることが可能である。
By performing a longer heat treatment on the oxide semiconductor transistor formed in the lower layer, a threshold voltage similar to that of the oxide semiconductor transistor formed in the upper layer and having a short heat treatment time can be obtained. By making the electrical characteristics such as the threshold voltage uniform, a highly reliable semiconductor device can be obtained.
例えば、熱処理時間が同じであった場合に、より低いしきい値電圧を有するトランジスタ
としてチャネル長の短いトランジスタ、より高いしきい値電圧を有するトランジスタとは
、チャネル長の長いトランジスタが挙げられる。チャネル長の短いトランジスタを下階層
に形成して熱処理時間を長く取り、チャネル長の長いトランジスタを上階層に形成して熱
処理時間を短く取ることで、どちらのトランジスタのしきい値電圧を同様にすることが可
能である。
For example, when the heat treatment time is the same, a transistor having a short channel length as a transistor having a lower threshold voltage, and a transistor having a long channel length can be given as a transistor having a higher threshold voltage. A transistor with a short channel length is formed in the lower layer to increase the heat treatment time, and a transistor with a long channel length is formed in the upper layer to shorten the heat treatment time, thereby making the threshold voltage of which transistor the same. It is possible.
また、熱処理がより必要なトランジスタを下階層に形成することにより、全体の熱処理時
間を変えることなく、当該熱処理がより必要なトランジスタの熱処理時間を長く取ること
が可能になる。熱処理時間が長いと、原子の配列がより安定化するので、トランジスタの
電気特性が向上するという利点がある。
Further, by forming a transistor that requires more heat treatment in the lower layer, it is possible to increase the heat treatment time of a transistor that requires more heat treatment without changing the overall heat treatment time. When the heat treatment time is long, the arrangement of atoms is further stabilized, so that there is an advantage that electrical characteristics of the transistor are improved.
上述のように酸化物半導体トランジスタは、オフ電流が極めて小さいため、多階層の半導
体装置の消費電力を低減することが可能である。
As described above, an oxide semiconductor transistor has extremely low off-state current, so that power consumption of a multi-layer semiconductor device can be reduced.
開示される発明の一態様は、層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
する第1の下地絶縁膜上に、第1の酸化物半導体層を形成し、当該第1の酸化物半導体層
に第1の熱処理を行うことにより、当該第1の下地絶縁膜から当該第1の酸化物半導体層
に酸素を供給し、当該第1の熱処理が行われた当該第1の酸化物半導体層に接して第1の
導電膜を形成し、当該第1の導電膜の一部を除去し、第1のソース電極及び第1のドレイ
ン電極を形成し、当該第1の酸化物半導体層、当該第1のソース電極、及び当該第1のド
レイン電極を覆って、第1のゲート絶縁膜を形成し、当該第1の酸化物半導体層及び当該
第1のゲート絶縁膜上に、第1のゲート電極を形成して、第1のトランジスタを形成し、
当該第1のゲート絶縁膜及び当該第1のゲート電極を覆って、層間絶縁膜を形成し、当該
層間絶縁膜上に、層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第2の
下地絶縁膜を形成し、当該第2の下地絶縁膜上に、第2の酸化物半導体層を形成し、当該
第1の酸化物半導体層及び当該第2の酸化物半導体層に第2の熱処理を行うことにより、
当該第1の下地絶縁膜から当該第1の酸化物半導体層に、及び、当該第2の下地絶縁膜か
ら当該第2の酸化物半導体層に酸素を供給し、当該第2の熱処理が行われた当該第2の酸
化物半導体層に接して第2の導電膜を形成し、当該第2の導電膜の一部を除去し、第2の
ソース電極及び第2のドレイン電極を形成し、当該第2の酸化物半導体層、当該第2のソ
ース電極、及び当該第2のドレイン電極を覆って、第2のゲート絶縁膜を形成し、当該第
2の酸化物半導体層及び当該第2のゲート絶縁膜上に、第2のゲート電極を形成して、第
2のトランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法に関する。
In one embodiment of the disclosed invention, a first oxide semiconductor layer is formed over a first base insulating film in which oxygen in an amount exceeding at least the stoichiometric composition ratio exists in the layer, and the first oxide semiconductor layer is formed. By performing the first heat treatment on the oxide semiconductor layer, oxygen is supplied from the first base insulating film to the first oxide semiconductor layer, and the first heat treatment is performed on the first oxide semiconductor layer. A first conductive film is formed in contact with the oxide semiconductor layer, a part of the first conductive film is removed, a first source electrode and a first drain electrode are formed, and the first oxide A first gate insulating film is formed to cover the semiconductor layer, the first source electrode, and the first drain electrode, and over the first oxide semiconductor layer and the first gate insulating film, Forming a first gate electrode to form a first transistor;
An interlayer insulating film is formed to cover the first gate insulating film and the first gate electrode, and an amount of oxygen exceeding at least the stoichiometric composition ratio exists in the layer on the interlayer insulating film. A second base insulating film is formed, a second oxide semiconductor layer is formed over the second base insulating film, and a second oxide semiconductor layer is formed on the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer. By performing the heat treatment of 2,
Oxygen is supplied from the first base insulating film to the first oxide semiconductor layer and from the second base insulating film to the second oxide semiconductor layer, and the second heat treatment is performed. A second conductive film is formed in contact with the second oxide semiconductor layer, a part of the second conductive film is removed, a second source electrode and a second drain electrode are formed; A second gate insulating film is formed to cover the second oxide semiconductor layer, the second source electrode, and the second drain electrode, and the second oxide semiconductor layer and the second gate are formed. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, in which a second transistor is formed by forming a second gate electrode over an insulating film.
開示される発明の一態様において、当該第1の下地絶縁膜及び当該第2の下地絶縁膜は、
それぞれ、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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、酸化ハフニウム、又は、酸化ガリウムを有
することを特徴とする。
In one embodiment of the disclosed invention, the first base insulating film and the second base insulating film are
Each includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, hafnium oxide, or gallium oxide.
開示される発明の一態様において、当該第1のトランジスタのチャネル形成領域の長さは
、当該第2のトランジスタのチャネル形成領域の長さよりも短いことを特徴とする。
In one embodiment of the disclosed invention, the channel formation region of the first transistor is shorter than the channel formation region of the second transistor.
開示される発明の一態様において、当該第1のトランジスタのしきい値電圧と、第2のト
ランジスタのしきい値電圧は同じであることを特徴とする。
In one embodiment of the disclosed invention, the threshold voltage of the first transistor and the threshold voltage of the second transistor are the same.
開示される発明の一態様により、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層
する半導体装置において、電気特性が均一な酸化物半導体トランジスタを得ることができ
る。
According to one embodiment of the disclosed invention, an oxide semiconductor transistor with uniform electrical characteristics can be obtained in a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked.
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し
、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書
に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本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、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機
能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、同様のも
のを指す際には同じハッチパターンを使用し、特に符号を付さない場合がある。
Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described with reference to the drawings. However, the invention disclosed in this specification can be implemented in many different modes, and various changes can be made in form and details without departing from the spirit and scope of the invention disclosed in this specification. It will be readily understood by those skilled in the art. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of this embodiment mode. Note that in the drawings described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof is omitted. In addition, the same hatch pattern is used when referring to the same thing, and there is a case where no reference numeral is given.
なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能
する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置、記憶装置等を含む電気装
置およびその電気装置を搭載した電気機器をその範疇とする。
Note that in the invention disclosed in this specification, a semiconductor device refers to all elements and devices that function by utilizing a semiconductor, an electric device including an electronic circuit, a display device, a light-emitting device, a memory device, and the like, and the electric device The category is electrical equipment equipped with the device.
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲等は、説明を分かりやすくする
ために、実際の位置、大きさ、範囲等を表していない場合がある。このため、開示する発
明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲等に限定されない。
Note that the position, size, range, and the like of each component illustrated in the drawings and the like may not represent the actual position, size, range, or the like for easy understanding of the description. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, or the like disclosed in the drawings and the like.
なお、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」等の序数は、構成要素の混同を
避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
It should be noted that ordinal numbers such as “first”, “second”, “third”, etc. in this specification and the like are added to avoid confusion between components and are not limited numerically. To do.
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限
定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、
その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配
線」が一体となって形成されている場合等も含む。
Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring”
The reverse is also true. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.
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等には入れ替わることがある。このため、
本明細書においては、「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
るものとする。
In addition, the functions of “source” and “drain” may be switched when transistors having different polarities are employed, or when the direction of current changes during circuit operation. For this reason,
In this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ
等のスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する
素子等が含まれる。
Note that in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “something having an electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets.
For example, “things that have some electrical action” include electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.
本明細書等において厚さに関する「略等しい」の用語は、完全に等しい場合のみでなく、
実質的に等しい場合をも含む趣旨で用いる。例えば、「略等しい」には、完全に等しい場
合と比較して半導体装置の特性に与える影響が無視できる程度の差(特性に与える影響が
5%以下)である場合や、意図せずに僅かに研磨された場合(研磨量が5nm未満程度の
場合)等が含まれる。
In this specification and the like, the term “substantially equal” regarding thickness is not only in the case of being completely equal,
It is used for the purpose including the case where it is substantially equal. For example, “substantially equal” means that the influence on the characteristics of the semiconductor device is negligible (the influence on the characteristics is 5% or less) compared to the case where it is completely equal, or is slightly unintentionally. (When the polishing amount is less than about 5 nm) and the like.
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」また
は「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電極
」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外し
ない。
In the present specification and the like, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the constituent elements is “directly above” or “directly below”. For example, the expression “a gate electrode over a gate insulating film” does not exclude an element including another component between the gate insulating film and the gate electrode.
[実施の形態1]
図1(A)に、チャネル長が異なる酸化物半導体トランジスタを積層した、多階層構造を
有する半導体装置の断面を示す。また図1(B)は当該半導体装置の平面図であり、図1
(A)は、図1(B)のX1−X2の断面図である。図1に示す第1のトランジスタ10
0及び第2のトランジスタ110は、トップゲート構造であり、酸化物半導体層を活性層
として有する酸化物半導体トランジスタの一例である。
[Embodiment 1]
FIG. 1A illustrates a cross section of a semiconductor device having a multi-layer structure in which oxide semiconductor transistors having different channel lengths are stacked. FIG. 1B is a plan view of the semiconductor device.
FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line X1-X2 in FIG.
The 0 and
図1に示されるように、第1の下地絶縁膜102が設けられた絶縁表面を有する基板10
1上に、下階層に設けられる(先に形成される)酸化物半導体トランジスタ(第1のトラ
ンジスタ100)、第2の層間絶縁膜108を介して第1のトランジスタ100上に設け
られた、上階層に設けられる(後に形成される)酸化物半導体トランジスタ(第2のトラ
ンジスタ110)が積層されている。
As shown in FIG. 1, a
An oxide semiconductor transistor (first transistor 100) provided in a lower layer (first formed), and an upper layer provided on the
本実施の形態では、より低いしきい値電圧を有するトランジスタ(第1のトランジスタ1
00)として、チャネル長の短いトランジスタを用いる。また本実施の形態では、より高
いしきい値電圧を有するトランジスタ(第2のトランジスタ110)として、チャネル長
の長いトランジスタを用いる。チャネル長の短い第1のトランジスタ100を下階層に形
成して熱処理時間を長く取り、チャネル長の長い第2のトランジスタ110を上階層に形
成して熱処理時間を短く取ることで、どちらのトランジスタのしきい値電圧を同様にする
ことが可能である。
In this embodiment mode, a transistor having a lower threshold voltage (first transistor 1
00), a transistor having a short channel length is used. In this embodiment, a transistor having a long channel length is used as the transistor having the higher threshold voltage (second transistor 110). By forming the
なお、熱処理時間が同じであった場合に、より低いしきい値電圧を有するトランジスタ、
及び、より高いしきい値電圧を有するトランジスタの別の例として、酸化物半導体層中の
酸素欠損密度が高いトランジスタ、及び、酸化物半導体層中の酸素欠損密度が低いトラン
ジスタが挙げられる。このように、熱処理時間が同じであった場合に、しきい値電圧が異
なるトランジスタの例として、チャネル長を変えたトランジスタや酸素欠損密度の違うト
ランジスタが挙げられるが、これに限定されず、その他の構成を変えることにより、しき
い値電圧が異なるトランジスタを形成してもよい。
A transistor having a lower threshold voltage when the heat treatment time is the same;
As another example of a transistor having a higher threshold voltage, a transistor with a high oxygen vacancy density in an oxide semiconductor layer and a transistor with a low oxygen vacancy density in an oxide semiconductor layer can be given. As described above, when the heat treatment time is the same, examples of a transistor with different threshold voltages include a transistor with a different channel length and a transistor with a different oxygen deficiency density. Transistors having different threshold voltages may be formed by changing the configuration.
図1に示される第1のトランジスタ100は、第1の下地絶縁膜102が設けられた絶縁
表面を有する基板101上に、第1の酸化物半導体層103、第1の酸化物半導体層10
3に接する第1のソース電極又は第1のドレイン電極の一方である電極104a、並びに
、第1のソース電極又は第1のドレイン電極の他方である電極104bを有している。ま
た図1に示される第1のトランジスタ100は、第1の酸化物半導体層103、電極10
4a、及び、電極104bを覆う第1のゲート絶縁膜105を有している。また図1に示
される第1のトランジスタ100は、第1のゲート絶縁膜105を介して第1の酸化物半
導体層103上に設けられた第1のゲート電極106を有している。第1のゲート絶縁膜
105及び第1のゲート電極106を覆って、第1の層間絶縁膜107及び第2の層間絶
縁膜108が設けられている。また、第1の層間絶縁膜107、第2の層間絶縁膜108
、後述する第2の下地絶縁膜112、第2のゲート絶縁膜115、第3の層間絶縁膜11
7、及び第4の層間絶縁膜118に設けられた開口部を介して、第1のゲート電極106
と電気的に接続される電極109が、第4の層間絶縁膜118上に設けられている。また
、第1の層間絶縁膜107、第2の層間絶縁膜108、後述する第2の下地絶縁膜112
、第2のゲート絶縁膜115、第3の層間絶縁膜117、及び第4の層間絶縁膜118に
設けられた開口部を介して、電極104bと電気的に接続される電極149が、第4の層
間絶縁膜上に設けられている。なお電極104aと電気的に接続される電極を、電極10
9及び電極149と同様に、第4の層間絶縁膜上に設けてもよい。
A
3, an
4a and a first
, A second
7 and the
The
The
9 and the
第1の層間絶縁膜107及び第2の層間絶縁膜108上に、第2のトランジスタ110が
設けられている。図1に示す第2のトランジスタ110は、第2の下地絶縁膜112上に
、第2の酸化物半導体層113、第2の酸化物半導体層113に接する第2のソース電極
又は第2のドレイン電極の一方である電極114a、並びに、第2のソース電極又は第2
のドレイン電極の他方である電極114bを有している。また図1に示される第2のトラ
ンジスタ110は、第2の酸化物半導体層113、電極114a、及び、電極114bを
覆う第2のゲート絶縁膜115を有している。また図1に示される第2のトランジスタ1
10は、第2のゲート絶縁膜115を介して第2の酸化物半導体層113上に設けられた
第2のゲート電極116を有している。第2のゲート絶縁膜115及び第2のゲート電極
116を覆って、第3の層間絶縁膜117及び第4の層間絶縁膜118が設けられている
。また、第2のゲート絶縁膜115、第3の層間絶縁膜117、及び第4の層間絶縁膜1
18に設けられた開口部を介して、電極114aと電気的に接続される電極159が、第
4の層間絶縁膜118上に設けられている。なお、第2のゲート電極116及び電極11
4bと電気的に接続される電極を、電極159と同様に、第4の層間絶縁膜118上に設
けてもよい。
A
10 includes a
An
Similarly to the
第4の層間絶縁膜118上には、さらに図示しない配線層が設けられていてもよい。
A wiring layer (not shown) may be further provided on the fourth
なお本実施の形態に示す第1の下地絶縁膜102は、第1の下層下地絶縁膜102a及び
第1の上層下地絶縁膜102bの積層により構成する例を示している。また第2の下地絶
縁膜112は、第2の下層下地絶縁膜112a及び第2の上層下地絶縁膜112bの積層
により構成する例を示している。
Note that the first
また本実施の形態に示す第1のゲート絶縁膜105は、第1の下層ゲート絶縁膜105a
及び第1の上層ゲート絶縁膜105bの積層により構成する例を示している。また第2の
ゲート絶縁膜115は、第2の下層ゲート絶縁膜115a及び第2の上層ゲート絶縁膜1
15bの積層により構成する例を示している。
In addition, the first
In addition, an example in which the first upper
An example in which a stack of 15b is formed is shown.
第1の酸化物半導体層103の下部に接する第1の上層下地絶縁膜102b、及び、第2
の酸化物半導体層113の下部に接する第2の上層下地絶縁膜112bは、層中(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絶縁層であると、第1の
酸化物半導体層103及び第2の酸化物半導体層113のそれぞれに酸素を供給すること
ができ、当該酸化物半導体層中の酸素欠陥を補填することができる。
A first upper
The second upper
例えば、第1の上層下地絶縁膜102b及び第2の上層下地絶縁膜112bとして、酸化
シリコンを用いる場合には、SiO2+α(ただし、α>0)とする。このような第1の
上層下地絶縁膜102b及び第2の上層下地絶縁膜112bを用いることで、第1の酸化
物半導体層103及び第2の酸化物半導体層113のそれぞれに酸素を供給することがで
き、当該酸化物半導体層の特性を良好にすることができる。
For example, in the case where silicon oxide is used for the first upper layer
なお、第1の上層下地絶縁膜102b及び第2の上層下地絶縁膜112bだけでなく、第
1の酸化物半導体層103の上部に接する第1の下層ゲート絶縁膜105a、及び、第2
の酸化物半導体層113の上部に接する第2の下層ゲート絶縁膜115aのそれぞれを、
層中(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絶縁層とす
ると、第1の酸化物半導体層103及び第2の酸化物半導体層113のそれぞれに酸素を
供給することができ、当該酸化物半導体層の特性を良好にすることができる。
Note that not only the first upper
Each of the second lower
When the insulating layer includes oxygen in an amount exceeding the stoichiometric composition ratio in the layer (in the bulk), oxygen is supplied to each of the first
第1の下層下地絶縁膜102a、第1の上層ゲート絶縁膜105b、第1の層間絶縁膜1
07は、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア性を
有する絶縁層であることが好ましい。上記絶縁層にバリア性を有する材料を適用すること
で、外部からの不純物の混入を防ぐとともに、第1の酸化物半導体層103、第1の上層
下地絶縁膜102b、第1の下層ゲート絶縁膜105aからの酸素の脱離を防ぐことがで
きる。
First lower
07 is preferably an insulating layer having a barrier property against impurities such as hydrogen, moisture, hydride, or hydroxide, and oxygen. By applying a material having a barrier property to the insulating layer, impurities from the outside are prevented from being mixed, and the first
また、第2の下層下地絶縁膜112a、第2の上層ゲート絶縁膜115b、第3の層間絶
縁膜117は、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリ
ア性を有する絶縁層であることが好ましい。上記絶縁層にバリア性を有する材料を適用す
ることで、外部からの不純物の混入を防ぐとともに、第2の酸化物半導体層113、第2
の上層下地絶縁膜112b、第2の下層ゲート絶縁膜115aからの酸素の脱離を防ぐこ
とができる。
The second lower
Desorption of oxygen from the upper
基板101は、石英基板、又はガラス基板等を用いる。本実施の形態では、基板101と
してガラス基板を用いる。
As the
第1の下地絶縁膜102のうち、第1の下層下地絶縁膜102aは、上述のように、水素
、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア性を有する絶縁層
であることが好ましい。このような絶縁層として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒
化酸化シリコン、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、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。特
に、酸化アルミニウムは、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に
対するバリア性が高いので好適である。
Of the first
なお、本明細書において、酸化窒化とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
いものを指し、窒化酸化とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものを指
すものとする。ここで、酸素及び窒素の含有量は、ラザフォード後方散乱法(RBS:R
utherford Backscattering Spectrometry)また
は水素前方散乱法(HFS:Hydrogen Forward scattering
Spectrometry)を用いて測定するものとする。
Note that in this specification, oxynitridation refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen, and nitridation oxidation refers to a composition having a higher nitrogen content than oxygen. Shall. Here, the content of oxygen and nitrogen is determined by Rutherford backscattering method (RBS: R
username Backscattering Spectrometry (HFS) or Hydrogen Forward Scattering
It shall be measured using Spectrometry.
第1の下地絶縁膜102のうち、第1の上層下地絶縁膜102bは、上述のように、層中
(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絶縁層であるこ
とが好ましい。第1の上層下地絶縁膜102bとして、プラズマCVD法又はスパッタリ
ング法等により、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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、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。なお第1の上層下地絶縁膜102b
及び第1の下層下地絶縁膜102aの材料が同じ場合であっても、第1の上層下地絶縁膜
102bは、層中(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
ることが好ましい。このような第1の上層下地絶縁膜102bを形成するために、例えば
、絶縁層を成膜後、当該絶縁層に酸素を添加してもよい。本実施の形態では、第1の下地
絶縁膜102として、膜厚300nmの酸化シリコン膜を用いる。
Of the first
Even if the material of the first lower
第1の酸化物半導体層103に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(I
n)または亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。
また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザ
ーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライ
ザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウ
ム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)
を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム(Zr)を有するこ
とが好ましい。
As the oxide semiconductor used for the first
n) or zinc (Zn) is preferably included. In particular, In and Zn are preferably included.
In addition, it is preferable to include gallium (Ga) in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Aluminum (Al) as a stabilizer
It is preferable to have. Moreover, it is preferable to have a zirconium (Zr) as a stabilizer.
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(
Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム
(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホル
ミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ル
テチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
In addition, as other stabilizers, lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (
Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium ( Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu) may be used alone or in combination.
例えば、第1の酸化物半導体層103として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二
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。
For example, as the first
-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Zn-based oxide, Sn-Ga-Zn-based oxide, Al-
Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide, In-L
a-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, In-Nd
-Zn oxide, In-Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide, In-Gd-
Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Z
n-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn
-Based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, In-Sn-Ga-Z that is an oxide of a quaternary metal
n-based oxide, In-Hf-Ga-Zn-based oxide, In-Al-Ga-Zn-based oxide, In
-Sn-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Hf-Zn-based oxide, In-Hf-Al-Z
An n-based oxide can be used.
なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分とし
て有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとG
aとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as its main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. In and G
Metal elements other than a and Zn may be contained.
また、酸化物半導体として、InMO3(ZnO)m(m>0)で表記される材料を用い
てもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素または複数
の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2SnO5(ZnO)n(n>0)
で表記される材料を用いてもよい。
Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0) may be used as the oxide semiconductor. Note that M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. As an oxide semiconductor, In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0)
A material represented by may be used.
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Z
n=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2
(=1/2:1/6:1/3)の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍
の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:
1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるい
はIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原子数比のIn−Sn
−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Ga: Z
n = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1/5), or In: Ga: Zn = 3: 1: 2
An In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of (= 1/2: 1/6: 1/3) or an oxide in the vicinity of the composition thereof can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3:
1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1/2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1 / 4: 1/8: 5/8) atomic ratio In-Sn
A Zn-based oxide or an oxide in the vicinity of the composition may be used.
本実施の形態に開示する酸化物半導体には、単結晶酸化物半導体、多結晶(ポリクリスタ
ルともいう。)酸化物半導体、または非晶質酸化物半導体の他に、CAAC−OS(C
Axis Aligned Crystalline−Oxide Semicondu
ctor)を用いることができる。
In addition to a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline (also referred to as polycrystal) oxide semiconductor, or an amorphous oxide semiconductor, an oxide semiconductor disclosed in this embodiment includes a CAAC-OS (C
Axis Aligned Crystalline-Oxide Semiconductor
ctor).
CAAC−OSは、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OSは、
非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体である。なお、当該結晶
部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型
電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microsco
pe)による観察像では、CAAC−OSに含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確で
はない。また、TEMによってCAAC−OSには粒界(グレインバウンダリーともいう
)は確認できない。そのため、CAAC−OSは、粒界に起因する電子移動度の低下が抑
制される。
The CAAC-OS is not completely single crystal nor completely amorphous. CAAC-OS
An oxide semiconductor having a crystal-amorphous mixed phase structure in which an amorphous phase has a crystal part. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. In addition, transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microsco)
In the observation image by pe), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS is not clear. Further, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS by TEM. Therefore, in CAAC-OS, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.
CAAC−OSに含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OSの被形成面または表面に垂直
な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有
し、c軸に垂直な方向から見て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
している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸及びb軸の向きが異なっていてもよい
。本明細書において、単に垂直と記載する場合、85°以上95°以下の範囲も含まれる
こととする。
The crystal part included in the CAAC-OS has a c-axis aligned in a direction perpendicular to the formation surface or surface of the CAAC-OS and a triangular or hexagonal atomic arrangement when viewed from the direction perpendicular to the ab plane. , When viewed from the direction perpendicular to the c-axis, metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, a simple term “perpendicular” includes a range from 85 ° to 95 °.
なお、CAAC−OSにおいて、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC
−OSの形成過程において、酸化物半導体層の表面側から結晶成長させる場合、被形成面
の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC
−OSへ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化す
ることもある。
Note that in the CAAC-OS, the distribution of crystal parts may not be uniform. For example, CAAC
In the -OS formation process, in the case where crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor layer, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor layer may increase in the vicinity of the surface. CAAC
When an impurity is added to -OS, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.
CAAC−OSに含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OSの被形成面または表面に垂直
な方向に揃うため、CAAC−OSの形状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)
によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC
−OSが形成されたときの被形成面または表面に垂直な方向となる。結晶部は、成膜する
ことにより、または成膜後に加熱処理等の結晶化処理を行うことにより形成される。
Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS is aligned in a direction perpendicular to the formation surface or surface of the CAAC-OS, the shape of the CAAC-OS (the cross-sectional shape of the formation surface or the cross-sectional shape of the surface)
Depending on the situation, they may face different directions. The c-axis direction of the crystal part is CAAC
-A direction perpendicular to the surface or surface where the OS is formed. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.
CAAC−OSを用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動を
低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
A transistor using a CAAC-OS can reduce variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light. Therefore, the transistor has high reliability.
なお、第1の酸化物半導体層103を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
Note that part of oxygen included in the first
また、CAAC−OSのように結晶部を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低
減することができ、表面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。
Further, in an oxide semiconductor having a crystal part such as a CAAC-OS, defects in a bulk can be further reduced, and mobility higher than that of an oxide semiconductor in an amorphous state can be obtained by increasing surface flatness. . In order to improve the flatness of the surface, it is preferable to form an oxide semiconductor on the flat surface. Specifically, the average surface roughness (Ra) is 1 nm or less, preferably 0.
. It may be formed on the surface of 3 nm or less, more preferably 0.1 nm or less.
なお、Raは、JIS B0601で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用で
き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」と表現できる。また、Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force
Microscope)にて評価可能である。
Ra is a three-dimensional extension of the centerline average roughness defined in JIS B0601 so that it can be applied to a surface. “A value obtained by averaging the absolute values of deviations from a reference surface to a specified surface” Can be expressed. Ra is an atomic force microscope (AFM).
Evaluation can be made at Microscope).
本実施の形態では、第1の酸化物半導体層103として、膜厚10nmのIn−Ga−Z
n系酸化物(IGZOとも表記する)膜を用いる。
In this embodiment, the first
An n-based oxide (also referred to as IGZO) film is used.
上述のように、本明細書では、酸化物半導体層中のソース電極と接する領域をソース領域
といい、酸化物半導体層中のドレイン電極と接する領域をドレイン領域という。酸化物半
導体層中のソース領域及びドレイン領域の間の領域で、ゲート電極と重畳する領域を、チ
ャネル形成領域という。よって図1において、第1の酸化物半導体層103、並びに、第
1のソース電極及び第1のドレイン電極である電極104a及び電極104bが接する領
域が、第1のソース領域及び第1のドレイン領域となる。また図1において、第1のソー
ス領域及び第1のドレイン領域の間の領域で、第1のゲート電極106と重畳する領域が
第1のチャネル形成領域となる。
As described above, in this specification, a region in contact with the source electrode in the oxide semiconductor layer is referred to as a source region, and a region in contact with the drain electrode in the oxide semiconductor layer is referred to as a drain region. A region between the source region and the drain region in the oxide semiconductor layer and overlapping with the gate electrode is referred to as a channel formation region. Therefore, in FIG. 1, the region where the first
第1のソース電極及び第1のドレイン電極である電極104a及び電極104bの材料と
して、例えば、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、銅(Cu)、タンタル(Ta)
、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ネオジム(Nd)、スカ
ンジウム(Sc)等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、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等の低抵抗な金属膜の下側又は上側の
一方または双方にチタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル
(Ta)等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。低抵抗な金属膜の下側又は上
側の一方または双方に、高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜を積層すると、低抵抗
な金属膜の金属の移動(拡散)を阻害できるので好適である。すなわち、電極104a及
び電極104bのそれぞれを、第1の導電層、第2の導電層である金属膜、及び第3の導
電層の積層とし、第2の導電層として低抵抗な導電層を用いる。第1の導電層及び第3の
導電層の少なくとも一方に、第2の導電層の金属の移動を阻害できる材料を用いる。また
、第2の導電層上の第3の導電層は、当該第2の導電層の端部を覆う構成にすると、第2
の導電層の端部からの金属の移動を抑制することができるので好適である。
As a material of the
, Titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), neodymium (Nd), a metal film containing an element selected from scandium (Sc), or a metal nitride film containing the above elements as a component (nitriding) A titanium film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used. Moreover, high or low such as titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta) or the like on one or both of the lower side or upper side of a low resistance metal film such as aluminum (Al), copper (Cu), etc. A structure in which a melting point metal film or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) is stacked may be employed. It is preferable to stack a refractory metal film or a metal nitride film thereof on one or both of the lower resistance metal film and the lower resistance metal film, because the metal migration (diffusion) of the low resistance metal film can be inhibited. . That is, each of the
This is preferable because the movement of the metal from the end of the conductive layer can be suppressed.
例えば電極104a及び電極104bそれぞれとして、タングステン(W)、銅(Cu)
、窒化タンタルを積層したものを用い、低抵抗な銅(Cu)を、銅の移動を阻害するタン
グステン(W)及び窒化タンタルで挟めばよい。
For example, as the
A layer of tantalum nitride is used, and low resistance copper (Cu) may be sandwiched between tungsten (W) and tantalum nitride that inhibit the movement of copper.
また、電極104a及び電極104bそれぞれとしては、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(SnO
2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In2O3―SnO2、ITOと
略記する)、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
に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
Further, each of the
2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO) or silicon oxide on these metal oxides What was included can be used.
本実施の形態では、電極104a及び電極104bとして、膜厚30nmのタングステン
膜を用いる。
In this embodiment, a 30-nm-thick tungsten film is used as the
第1のゲート絶縁膜105は、第1の酸化物半導体層103に近い方から、層中(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絶縁層、及び、水素、水
分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア性を有する絶縁層の積
層とする。すなわち、第1の下層ゲート絶縁膜105aは、層中(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絶縁層であり、第1の上層ゲート絶縁膜
105bは、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア
性を有する絶縁層である。第1のゲート絶縁膜105を、このような絶縁層の積層とする
ことで、第1の酸化物半導体層103に酸素を供給、かつ、第1の酸化物半導体層103
からの酸素の脱離を抑制することができる。
The first
The desorption of oxygen from can be suppressed.
第1の下層ゲート絶縁膜105aの材料として、第1の上層下地絶縁膜102bと同様の
材料を用いることができる。また第1の上層ゲート絶縁膜105bの材料として、第1の
下層下地絶縁膜102aと同様の材料を用いることができる。
As the material of the first lower
本実施の形態では、第1のゲート絶縁膜105として、膜厚20nmの窒化酸化シリコン
膜を用いる。
In this embodiment, a silicon nitride oxide film with a thickness of 20 nm is used as the first
第1のゲート電極106の材料として、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、上述した元素を成分
とする金属窒化物材料、または上述した元素を成分とする合金材料等を用いることができ
る。また、第1のゲート電極106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層、ニッケルシリサイド等のシリサイド膜を用いてもよい
。第1のゲート電極106は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
As a material of the
A metal material such as aluminum, copper, chromium, neodymium, or scandium, a metal nitride material including the above-described element as a component, or an alloy material including the above-described element as a component can be used. Alternatively, as the
また、第1のゲート電極106の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、
酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物等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。
The material of the
A conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the conductive material and the metal material can be employed.
また、第1のゲート電極106の材料として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素
を含むIn−Ga−Zn系金属酸化物や、窒素を含むIn−Sn系金属酸化物や、窒素を
含むIn−Ga系金属酸化物や、窒素を含むIn−Zn系金属酸化物や、窒素を含む酸化
錫や、窒素を含む酸化インジウムや、金属窒化膜(InN、SnN等)を用いることがで
きる。これらの材料は5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、第1のゲート電極1
06として用いた場合、第1のトランジスタ100の電気特性のしきい値電圧をプラス方
向にシフトさせることができる。
Further, as a material of the
When used as 06, the threshold voltage of the electrical characteristics of the
本実施の形態において、第1のゲート電極106として、膜厚30nmの窒化タンタル膜
及び膜厚135nmのタングステン膜を積層したものを用いる。
In this embodiment, a stacked layer of a tantalum nitride film with a thickness of 30 nm and a tungsten film with a thickness of 135 nm is used as the
第1の層間絶縁膜107は、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素
に対するバリア性を有する材料を用いることが好ましい。第1の層間絶縁膜107は、第
1の上層下地絶縁膜102b及び第1の下層ゲート絶縁膜105aと同様の材料を用いる
ことができる。
The first
第2の層間絶縁膜108は、これまで基板101上に形成された層により生じる凹凸を平
坦化できる厚さで形成する。本実施の形態では、第2の層間絶縁膜108として酸化窒化
シリコンを460nmの厚さで形成する。
The second
第2の層間絶縁膜108の形成後、第2の層間絶縁膜108に酸素を供給して第2の層間
絶縁膜108を酸素過剰な状態とすると、第2の層間絶縁膜108から第1の酸化物半導
体層103へ酸素を供給できるので好適である。
After the second
本実施の形態では、第1の層間絶縁膜107として、膜厚70nmの酸化アルミニウムを
用いる。また第2の層間絶縁膜108として、膜厚460nmの窒化酸化シリコン膜を用
いる。
In this embodiment, aluminum oxide with a thickness of 70 nm is used as the first
第2の層間絶縁膜108上には、第2の下層下地絶縁膜112a及び第2の上層下地絶縁
膜112bが設けられている。第2の下層下地絶縁膜112a及び第2の上層下地絶縁膜
112bは、それぞれ、第1の下層下地絶縁膜102a及び第1の上層下地絶縁膜102
bと同様に設ければよい。
On the second
What is necessary is just to provide like b.
なお、本実施の形態では、第1の層間絶縁膜107及び第2の層間絶縁膜108上に、第
2の下地絶縁膜112(第2の下層下地絶縁膜112a及び第2の上層下地絶縁膜112
b)を設ける構成について説明したが、これに限定されない。第1の層間絶縁膜107及
び第2の層間絶縁膜108が、第2の下地絶縁膜112(第2の下層下地絶縁膜112a
及び第2の上層下地絶縁膜112b)の機能を果たす場合は、第2の下地絶縁膜112を
設けなくてもよい。
Note that in this embodiment mode, the second base insulating film 112 (the second lower
Although the structure which provides b) was demonstrated, it is not limited to this. The first
In the case of fulfilling the function of the second upper
本実施の形態では、第2の下地絶縁膜112として、膜厚330nmの酸化シリコン膜を
用いる。
In this embodiment, a 330 nm-thick silicon oxide film is used as the second
第2の酸化物半導体層113は、第1の酸化物半導体層103と同様に設ければよい。本
実施の形態では、第2の酸化物半導体層113として、膜厚10nmのIn−Ga−Zn
系酸化物(IGZOとも表記する)膜を用いる。
The second
A system oxide (also referred to as IGZO) film is used.
上述のように、本明細書では、酸化物半導体層中のソース電極と接する領域をソース領域
といい、酸化物半導体層中のドレイン電極と接する領域をドレイン領域という。酸化物半
導体層中のソース領域及びドレイン領域の間の領域で、ゲート電極と重畳する領域を、チ
ャネル形成領域という。よって図1において、第2の酸化物半導体層113、並びに、第
2のソース電極及び第2のドレイン電極である電極114a及び電極114bが接する領
域が、第2のソース領域及び第2のドレイン領域となる。また図1において、第2のソー
ス領域及び第2のドレイン領域の間の領域で、第2のゲート電極116と重畳する領域が
第2のチャネル形成領域となる。
As described above, in this specification, a region in contact with the source electrode in the oxide semiconductor layer is referred to as a source region, and a region in contact with the drain electrode in the oxide semiconductor layer is referred to as a drain region. A region between the source region and the drain region in the oxide semiconductor layer and overlapping with the gate electrode is referred to as a channel formation region. Therefore, in FIG. 1, the region where the second
第1のトランジスタ100のチャネル長L1は、第2のトランジスタ110のチャネル長
L2よりも短い。詳細は後述するが、第1のトランジスタ100に行われる熱処理時間は
、第2のトランジスタ110に行われる熱処理時間よりも長い。これにより、第1のトラ
ンジスタ100の第1の酸化物半導体層103に供給される酸素の量が、第2のトランジ
スタ110の第2の酸化物半導体層113よりも多くなる。そのため、第1のトランジス
タ100のしきい値電圧のプラス方向へのシフト量は、第2のトランジスタ110よりも
多くなる。このように、チャネル長が短い第1のトランジスタ100の熱処理時間を、チ
ャネル長が長いトランジスタの熱処理時間よりも長くすることにより、第1のトランジス
タ100及び第2のトランジスタ110のしきい値電圧を同様にすることができる。よっ
て第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110の電気的特性を均一化するこ
とが可能となる。
The channel length L1 of the
第2のゲート絶縁膜115は、第2の酸化物半導体層113に近い方から、層中(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絶縁層、及び、水素、水
分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア性を有する絶縁層の積
層とする。すなわち、第2の下層ゲート絶縁膜115aは、層中(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絶縁層であり、第2の上層ゲート絶縁膜
115bは、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア
性を有する絶縁層である。第2のゲート絶縁膜115を、このような絶縁層の積層とする
ことで、第2の酸化物半導体層113に酸素を供給、かつ、第2の酸化物半導体層113
からの酸素の脱離を抑制することができる。
The second
The desorption of oxygen from can be suppressed.
第2の下層ゲート絶縁膜115aの材料として、第1の下層ゲート絶縁膜105aと同様
の材料を用いることができる。また第2の上層ゲート絶縁膜115bの材料として、第1
の上層ゲート絶縁膜105bと同様の材料を用いることができる。
As the material of the second lower
A material similar to that of the upper
本実施の形態では、第2のゲート絶縁膜115として、膜厚20nmの窒化酸化シリコン
膜を用いる。
In this embodiment, a 20-nm-thick silicon nitride oxide film is used as the second
第2のゲート電極116の材料として、第1のゲート電極106と同様の材料を用いるこ
とができる。本実施の形態において、第2のゲート電極116として、膜厚30nmの窒
化タンタル膜及び膜厚135nmのタングステン膜を積層したものを用いる。
As a material of the
第3の層間絶縁膜117及び第4の層間絶縁膜118は、それぞれ、第1の層間絶縁膜1
07及び第2の層間絶縁膜108と同様の材料を用いて形成することができる。本実施の
形態では、第3の層間絶縁膜117として、膜厚70nmの酸化アルミニウム膜、及び、
第4の層間絶縁膜118として、膜厚460nmの窒化酸化シリコン膜を用いる。
The third
07 and the second
As the fourth
なお本実施の形態の第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110において、
活性層として機能する酸化物半導体層上に、酸化物半導体層に接してソース電極及びドレ
イン電極を設けているが、本実施の形態はこれに限定されない。当該ソース電極及びドレ
イン電極は、酸化物半導体層の下に、酸化物半導体層に接して設けられていてもよい。
Note that in the
Although the source electrode and the drain electrode are provided in contact with the oxide semiconductor layer over the oxide semiconductor layer functioning as the active layer, this embodiment is not limited thereto. The source electrode and the drain electrode may be provided below the oxide semiconductor layer and in contact with the oxide semiconductor layer.
本実施の形態により、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層する半導体
装置において、電気特性が均一な酸化物半導体トランジスタを得ることができる。
According to this embodiment, an oxide semiconductor transistor with uniform electrical characteristics can be obtained in a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked.
[実施の形態2]
本実施の形態では、実施の形態1で述べた半導体装置の作製方法について述べる。
[Embodiment 2]
In this embodiment, a method for manufacturing the semiconductor device described in Embodiment 1 will be described.
まず、基板101上に、第1の下層下地絶縁膜102a及び第1の上層下地絶縁膜102
bを有する第1の下地絶縁膜102を形成する(図2(A)参照)。
First, a first lower
A first
第1の下地絶縁膜102(第1の下層下地絶縁膜102a及び第1の上層下地絶縁膜10
2b)は、上述の材料を用い、例えばプラズマCVD法又はスパッタリング法等により形
成する。なお上述のように、第1の下層下地絶縁膜102aとして、熱酸化膜を用いる場
合は、例えば、基板101として単結晶シリコン基板を用いて、酸素を含む雰囲気や水蒸
気を含む雰囲気中で、900℃乃至1200℃で数時間の熱処理を行うことで、基板10
1の表面に熱酸化膜を形成することができる。
First base insulating film 102 (first lower
2b) uses the above-mentioned materials and is formed, for example, by plasma CVD or sputtering. Note that as described above, in the case where a thermal oxide film is used as the first lower
A thermal oxide film can be formed on the surface of 1.
第1の下地絶縁膜102形成時の温度は、基板101が耐えうる温度以下で、より高いほ
うが好ましい。例えば、基板101を25℃以上250℃以下の温度、好ましくは、50
℃以上150℃以下に加熱しながら第1の下地絶縁膜102を形成する。なお、第1の下
地絶縁膜102形成時の温度は一定であることが好ましい。例えば、第1の下地絶縁膜1
02の形成を、基板101を100℃に加熱して行う。
The temperature at which the first
The first
02 is formed by heating the
また、第1の下地絶縁膜102の形成後、減圧下、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下、また
は超乾燥エア窒素雰囲気下において、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により第1の下
地絶縁膜102に含まれる水素、水分、水素化物、または水酸化物等の濃度を低減するこ
とができる。加熱処理度は、基板101が耐えうる温度以下で、より高い温度で行うこと
が好ましい。具体的には、第1の下地絶縁膜102の成膜温度以上、基板101の歪点以
下で行うことが好ましい。
Further, after the first
なお、第1の下地絶縁膜102の水素濃度は、5×1018atoms/cm3未満、好
ましくは1×1018atoms/cm3以下、より好ましくは5×1017atoms
/cm3以下、更に好ましくは1×1016atoms/cm3以下とすることが望まし
い。
Note that the hydrogen concentration of the first
/ Cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
第1の上層下地絶縁膜102bの層中(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ためには、第1の上層下地絶縁膜102bに酸素を供給してもよい
。
In order for oxygen to exist at least in a stoichiometric composition ratio in the first upper
酸素の供給により、第1の上層下地絶縁膜102bを構成する元素と水素の間の結合、或
いは該元素と水酸基の間の結合を切断するとともに、これらの水素または水酸基が酸素と
反応することで水を生成するため、酸素の供給後に加熱処理を行うと、不純物である水素
または水酸基が、水として脱離しやすくなる。このため、第1の上層下地絶縁膜102b
へ酸素を供給した後に加熱処理を行ってもよい。その後、さらに第1の上層下地絶縁膜1
02bに酸素を供給し、第1の上層下地絶縁膜102bを酸素過剰な状態としてもよい。
また、第1の上層下地絶縁膜102bへの酸素の供給と加熱処理は、それぞれを交互に複
数回行ってもよい。また、加熱処理と酸素の供給を同時に行ってもよい。
By supplying oxygen, a bond between an element constituting the first upper
Heat treatment may be performed after supplying oxygen. Thereafter, a further first upper base insulating film 1
Oxygen may be supplied to 02b so that the first upper
Further, the supply of oxygen to the first upper
次に、第1の下地絶縁膜102上に第1の酸化物半導体層123をスパッタリング法によ
り形成する(図2(B)参照)。
Next, the first
第1の酸化物半導体層123の形成工程において、第1の酸化物半導体層123に水素、
又は水がなるべく含まれないようにするために、第1の酸化物半導体層123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第1の下地絶縁膜102が形成された基
板を予備加熱し、基板101及び第1の下地絶縁膜102に吸着した水素、水分等の不純
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。
In the formation step of the first
Alternatively, in order to prevent water from being contained as much as possible, as a pretreatment for forming the first
第1の下地絶縁膜102において第1の酸化物半導体層123が接して形成される領域に
、平坦化処理を行ってもよい。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
。
Planarization treatment may be performed on a region where the first
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッ
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、酸素等を用いてもよい。逆スパッタリン
グを行うと、第1の下地絶縁膜102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。
As the plasma treatment, for example, reverse sputtering in which an argon gas is introduced to generate plasma can be performed. Reverse sputtering is RF on the substrate side in an argon atmosphere.
In this method, a voltage is applied using a power source to form plasma in the vicinity of the substrate to modify the surface.
Note that nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used instead of the argon atmosphere. When reverse sputtering is performed, powdery substances (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the first
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよ
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、第1の下地絶縁膜102表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
As the planarization treatment, the polishing treatment, the dry etching treatment, and the plasma treatment may be performed a plurality of times or in combination. In the case of performing the combination, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate in accordance with the uneven state of the surface of the first
平坦化処理は、例えば、第1の下地絶縁膜102として用いる酸化シリコン層表面に化学
的機械研磨法(Chemical Mechanical Plishing:CMP)
により研磨処理(研磨条件:ポリウレタン系研磨布、シリカ系スラリー、スラリー温度室
温、研磨圧0.001MPa、研磨時回転数(テーブル/スピンドル)60rpm/56
rpm、研磨時間0.5分)を行い、酸化シリコン層表面における平均面粗さ(Ra)を
約0.15nmとすればよい。
For example, the planarization treatment is performed on the surface of the silicon oxide layer used as the first
(Polishing conditions: polyurethane-based polishing cloth, silica-based slurry, slurry temperature room temperature, polishing pressure 0.001 MPa, polishing rotation speed (table / spindle) 60 rpm / 56)
rpm, polishing time 0.5 minutes), and the average surface roughness (Ra) on the surface of the silicon oxide layer may be about 0.15 nm.
なお、第1の酸化物半導体層123を形成するためのスパッタリングガスは、希ガス(代
表的にはアルゴン)雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。また
、スパッタリングガスには、水素、水、水酸基または水素化物等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。
Note that as a sputtering gas for forming the first
なお、第1の酸化物半導体層123は、酸素が多く含まれるような条件(例えば、酸素1
00%の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行う等)で形成して、酸素を多く含む
または酸素が過飽和な状態(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状態)とすることが好ましい。
Note that the first
The film is formed by sputtering under a 00% atmosphere, etc., and contains a large amount of oxygen or is supersaturated with oxygen (preferably with respect to the stoichiometric composition ratio of the oxide semiconductor in the crystalline state. It is preferable that a region with an excessive content of is included.
例えば、スパッタリング法を用いて第1の酸化物半導体層123を形成する場合、スパッ
タリングガスの酸素の占める割合が多い条件で行うことが好ましく、スパッタリングガス
を酸素ガス100%として行うことが好ましい。
For example, when the first
第1の酸化物半導体層123は、銅、アルミニウム、塩素等の不純物がほとんど含まれな
い高純度化されたものであることが望ましい。トランジスタの製造工程において、これら
の不純物が混入または酸化物半導体層表面に付着する恐れのない工程を適宜選択すること
が好ましい。具体的には、第1の酸化物半導体層123の銅濃度は1×1018atom
s/cm3以下、好ましくは1×1017atoms/cm3以下とする。また、第1の
酸化物半導体層123のアルミニウム濃度は1×1018atoms/cm3以下とする
。また、第1の酸化物半導体層123の塩素濃度は2×1018atoms/cm3以下
とする。
The first
s / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The aluminum concentration of the first
また、第1の酸化物半導体層123中のナトリウム(Na)、リチウム(Li)、カリウ
ム(K)等のアルカリ金属の濃度は、Naは5×1016cm−3以下、好ましくは1×
1016cm−3以下、さらに好ましくは1×1015cm−3以下、Liは5×101
5cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下、Kは5×1015cm−3以下
、好ましくは1×1015cm−3以下とすることが好ましい。
The concentration of alkali metal such as sodium (Na), lithium (Li), potassium (K), or the like in the first
10 16 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 15 cm −3 or less, and Li is 5 × 10 1.
5 cm −3 or less, preferably 1 × 10 15 cm −3 or less, and K is 5 × 10 15 cm −3 or less, preferably 1 × 10 15 cm −3 or less.
本実施の形態においては、第1の酸化物半導体層123として、AC電源装置を有するス
パッタリング装置を用いたスパッタリング法により、膜厚35nmのIn−Ga−Zn系
酸化物(IGZO)を形成する。スパッタリング法で作製するためのターゲットとしては
、組成比として、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の金属酸化物ターゲットを
用いる。
In this embodiment, as the first
また、金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましく
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、成膜した第1の酸化物半導体層123は緻密な膜とすることができる。
The relative density (filling rate) of the metal oxide target is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. By using a metal oxide target with a high relative density, the formed first
第1の酸化物半導体層123を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水
酸基又は水素化物等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。
As a sputtering gas used for forming the first
まず、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を
除去し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101に設けられた第1の下地絶縁膜102上に第1の酸化物半導体層123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)等水素原子を
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
で成膜した第1の酸化物半導体層123に含まれる不純物の濃度を低減できる。
First, a substrate is held in a film formation chamber held in a reduced pressure state. Then, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is introduced while moisture remaining in the deposition chamber is removed, and the first oxide is formed over the first
また、第1の下地絶縁膜102と第1の酸化物半導体層123を大気に解放せずに連続的
に形成してもよい。第1の下地絶縁膜102と第1の酸化物半導体層123とを大気に曝
露せずに連続して形成すると、第1の下地絶縁膜102表面に水素や水分等の不純物が付
着することを防止することができる。
Alternatively, the first
第1の酸化物半導体層123形成後に、第1の下地絶縁膜102(特に第1の上層下地絶
縁膜102b)から第1の酸化物半導体層123へ酸素を供給するための熱処理を行う。
熱処理において、加熱温度は150℃以上450℃以下、熱処理時間を熱処理時間T1と
する。熱処理時間T1は、1時間以上15時間以下とする。
After the formation of the first
In the heat treatment, the heating temperature is 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the heat treatment time is defined as heat treatment time T1. The heat treatment time T1 is 1 hour or more and 15 hours or less.
酸素供給のための熱処理は、第1の酸化物半導体層123の形成後であれば、島状の第1
の酸化物半導体層103の形成前に行ってもよく、形成後に行ってもよい。
If the heat treatment for supplying oxygen is performed after the formation of the first
The
熱処理は大気雰囲気中、又は減圧雰囲気中等で行うことができる。例えば、熱処理装置の
一つである電気炉に第1の下地絶縁膜102及び第1の酸化物半導体層123を形成した
基板101を導入し、第1の酸化物半導体層123に対して大気雰囲気中200℃におい
て1時間の加熱処理を行う。
The heat treatment can be performed in an air atmosphere or a reduced pressure atmosphere. For example, the
次いで、第1の酸化物半導体層123を島状に加工して、島状の第1の酸化物半導体層1
03を形成する。次いで、当該島状の第1の酸化物半導体層103及び第1の下地絶縁膜
102を覆う第1の導電膜124を形成する(図2(C)参照)。
Next, the first
03 is formed. Next, a first
第1の導電膜124として、上述の第1のソース電極及び第1のドレイン電極である電極
104a及び電極104bの材料の膜を、スパッタリング法等で形成する。本実施の形態
では、第1の導電膜124として、膜厚30nmのタングステン膜をスパッタリング法に
て形成する。
As the first
次いで、第1の導電膜124の一部を除去することにより、第1のソース電極及び第1の
ドレイン電極である電極104a及び電極104bを形成する(図2(D)参照)。より
具体的には、第1の導電膜124上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用
いて、第1の導電膜124の一部を選択的にエッチングする。第1の導電膜124の一部
を選択的にエッチング後、当該レジストマスクを除去して、第1のソース電極及び第1の
ドレイン電極である電極104a及び電極104bを形成する。第1の導電膜124の一
部を選択的にエッチングして形成される電極104a及び電極104b間の距離を、第1
の距離D1とする。すなわち、第1のソース電極及び第1のドレイン電極である電極10
4a及び電極104bは、第1の距離D1離れて形成される。
Next, part of the first
Distance D1. That is, the
4a and the
次いで、第1の酸化物半導体層103、第1のソース電極及び第1のドレイン電極である
電極104a及び電極104bを覆って、第1のゲート絶縁膜105を形成する(図2(
F)参照)。
Next, a first
F)).
なお、第1のゲート絶縁膜105の被覆性を向上させるために、第1の酸化物半導体層1
03表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特に第1のゲート絶縁膜105として膜厚
の薄い絶縁層を用いる場合、第1の酸化物半導体層103表面の平坦性が良好であること
が好ましい。
Note that in order to improve the coverage of the first
The above planarization treatment may also be performed on the 03 surface. In particular, when a thin insulating layer is used as the first
第1のゲート絶縁膜105の厚さは、1nm以上20nm以下とし、スパッタリング法、
MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて形成することができ
る。また、第1のゲート絶縁膜105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、所謂CPスパッタ装
置を用いて成膜してもよい。
The thickness of the first
An MBE method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD method, or the like can be used as appropriate. The first
なお、第1のゲート絶縁膜105として、酸化シリコン膜または、酸化窒化シリコンをC
VD法で形成する際、グロー放電プラズマの生成は、3MHzから30MHz、代表的に
は13.56MHz、27.12MHzのHF帯の高周波電力、または30MHzより大
きく300MHz程度までのVHF帯の高周波電力、代表的には、60MHzを印加する
ことで行うことが好ましい。また、1GHz以上のマイクロ波の高周波電力を印加するこ
とで行うこともできる。なお、高周波電力がパルス状に印加されるパルス発振や、連続的
に印加される連続発振とすることができる。1GHz以上のマイクロ波を用いて形成した
酸化シリコン膜または、酸化窒化シリコンは、第1のゲート絶縁膜105の膜中および第
1の酸化物半導体層103との界面の固定電荷が、通常のプラズマCVDで成膜した酸化
シリコン膜、または酸化窒化シリコンより少ない。そのためトランジスタの閾値電圧等の
電気特性の信頼を高くすることができる。
Note that as the first
When formed by the VD method, the glow discharge plasma is generated from 3 MHz to 30 MHz, typically 13.56 MHz, 27.12 MHz HF band high frequency power, or VHF band high frequency power from 30 MHz to about 300 MHz, Typically, it is preferably performed by applying 60 MHz. Moreover, it can also carry out by applying the microwave high frequency electric power of 1 GHz or more. Note that pulse oscillation in which high-frequency power is applied in a pulsed manner or continuous oscillation in which high-frequency power is continuously applied can be employed. In a silicon oxide film or silicon oxynitride formed using a microwave of 1 GHz or higher, fixed charge in the film of the first
また、第1のゲート絶縁膜105は、単層でも積層でもよいが、第1の酸化物半導体層1
03に近い方から順に、層中(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
素が存在する絶縁層(第1の下層ゲート絶縁膜105a)、及び、水素、水分、水素化物
、または水酸化物等の不純物や、酸素に対するバリア性を有する絶縁層(第1の上層ゲー
ト絶縁膜105b)の積層であると、第1の酸化物半導体層103に酸素を供給、かつ、
第1の酸化物半導体層103からの酸素の脱離を抑制することができるので好適である。
本実施の形態では、第1のゲート絶縁膜105として、第1の下層ゲート絶縁膜105a
と第1の上層ゲート絶縁膜105bの積層を用いる。
In addition, the first
In order from the side closer to 03, the insulating layer (first lower
This is preferable because release of oxygen from the first
In this embodiment, the first lower
And a stack of the first upper
また、第1のゲート絶縁膜105を形成する前に、酸素、一酸化二窒素、もしくは希ガス
(代表的にはアルゴン)等を用いたプラズマ処理により、第1の酸化物半導体層103の
表面に付着した水分や有機物等の不純物を除去することが好ましい。
In addition, before the first
次に、第1のゲート絶縁膜105上に、第1のゲート電極106を形成するための第2の
導電膜126を形成する(図2(F)参照)。本実施の形態では、第2の導電膜126と
して、膜厚20nmの窒化タンタル膜及び膜厚135nmのタングステン膜を積層する。
Next, a second
次いで、フォトリソグラフィ工程により、第2の導電膜126の一部を選択的にエッチン
グして、第1のゲート幅G1を有する第1のゲート電極106を形成する(図3(A)参
照)。
Next, part of the second
なお、特段の説明が無い限り、本明細書で言うフォトリソグラフィ工程には、レジストマ
スクの形成工程と、導電層または絶縁層のエッチング工程と、レジストマスクの剥離工程
が含まれているものとする。
Note that unless otherwise specified, the photolithography process in this specification includes a resist mask forming process, a conductive layer or insulating layer etching process, and a resist mask peeling process. .
第2の導電膜126の一部を選択的にエッチングして、第1のゲート電極106を形成す
るためのレジストマスクは、印刷法やインクジェット法で形成してもよい。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。
A resist mask for forming the
また、第1のゲート電極106を形成するためのエッチングは、ドライエッチング法でも
ウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。なお、微細なパターンを形成する
ためには、異方性エッチングが可能なドライエッチング法を用いることが好ましい。
Further, the etching for forming the
第2の導電膜126のエッチングをドライエッチング法で行う場合は、エッチングガスと
してハロゲン元素を含むガスを用いることができる。ハロゲン元素を含むガスの一例とし
ては、塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)、四塩化珪素(SiCl4)もしくは四
塩化炭素(CCl4)等を代表とする塩素系ガス、四フッ化炭素(CF4)、六フッ化硫
黄(SF6)、三フッ化窒素(NF3)もしくはトリフルオロメタン(CHF3)等を代
表とするフッ素系ガス、臭化水素(HBr)または酸素を適宜用いることができる。また
用いるエッチング用ガスに不活性ガスを添加してもよい。また、ドライエッチング法とし
ては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)法や、ICP(
Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチ
ング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条
件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電
極温度等)を適宜調節する。
In the case where the second
An Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (such as the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the substrate-side electrode, the substrate-side electrode temperature, etc.) are adjusted as appropriate so that the desired processed shape can be etched.
次に、第1のゲート絶縁膜105及び第1のゲート電極106を覆って、第1の層間絶縁
膜107及び第2の層間絶縁膜108を形成する(図3(B)参照)。以上のようにして
、第1のトランジスタ100が作製される。
Next, a first
図3(B)に示す第1のトランジスタ100では、第1のソース電極及び第1のドレイン
電極のである電極104a及び電極104bとの距離である第1の距離D1は、第1のゲ
ート電極106のゲート幅G1よりも短い。そのため、第1のトランジスタ100におい
て、第1のチャネル形成領域の長さL1(チャネル長L1)は、第1のソース電極及び第
1のドレイン電極である電極104a及び電極104bの距離である第1の距離D1と同
等である。
In the
第1の層間絶縁膜107は、第1の上層ゲート絶縁膜105b、第1の下層下地絶縁膜1
02aと同様の材料及び方法で形成することができる。第1の層間絶縁膜107は、酸化
アルミニウム等の、水素、水分、水素化物、または水酸化物等の不純物や、酸素に対する
バリア性を有する材料を用いることが好ましい。本実施の形態では、第1の層間絶縁膜1
07としてスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を膜厚70nmの厚さで形成する
。さらに、酸化アルミニウムを高密度(密度3.2g/cm3以上、好ましくは3.6g
/cm3以上)とすることによって、第1のトランジスタ100に安定な電気特性を付与
することができる。膜密度はラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford
Backscattering Spectrometry)や、X線反射率測定法(X
RR:X−Ray Reflection)によって測定することができる。
The first
It can be formed by the same material and method as 02a. The first
As 07, an aluminum oxide film with a thickness of 70 nm is formed by a sputtering method. Furthermore, the aluminum oxide has a high density (density 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g).
/ Cm 3 or more), stable electrical characteristics can be imparted to the
Backscattering Spectrometry) and X-ray reflectivity measurement method (X
It can be measured by RR: X-Ray Reflection.
また、第2の層間絶縁膜108は、これまで基板101上に形成された層により生じる凹
凸を平坦化できる厚さで形成する。本実施の形態では、第2の層間絶縁膜108としてC
VD法により酸化窒化シリコン膜を膜厚460nmの厚さで形成する。
In addition, the second
A silicon oxynitride film is formed to a thickness of 460 nm by the VD method.
第2の層間絶縁膜108の形成後、第2の層間絶縁膜108に酸素を供給して第2の層間
絶縁膜108を酸素過剰な状態とすると、第2の層間絶縁膜108から第1の酸化物半導
体層103へ酸素を供給できるので好適である。
After the second
第1の層間絶縁膜107及び第2の層間絶縁膜108を形成後、第1の下地絶縁膜102
と同様の材料及び同様の工程にて、第2の下地絶縁膜112(第2の下層下地絶縁膜11
2a及び第2の上層下地絶縁膜112b)を形成する。ただし、上述のように、第1の層
間絶縁膜107及び第2の層間絶縁膜108が、第2の下地絶縁膜112(第2の下層下
地絶縁膜112a及び第2の上層下地絶縁膜112b)として機能するのであれば、第2
の下地絶縁膜112は形成しなくてもよい。
After forming the first
The second base insulating film 112 (second lower
2a and a second upper
The base
第2の下地絶縁膜112上に、又は、第2の下地絶縁膜112を形成しない場合は、第2
の層間絶縁膜108上に、第2の酸化物半導体層133を形成する(図3(B)参照)。
第2の酸化物半導体層133は、第1の酸化物半導体層123と同様の材料及び同様の工
程で形成すればよい。
When the second
A second
The second
第2の酸化物半導体層133形成後に、第2の下地絶縁膜112(特に第2の上層下地絶
縁膜112b)から第2の酸化物半導体層133へ酸素を供給するための熱処理を行う。
熱処理において、熱処理温度は150℃以上450℃以下、熱処理時間を熱処理時間T2
とする。熱処理時間T2は、1時間以上15時間以下とする。
After the formation of the second
In the heat treatment, the heat treatment temperature is 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the heat treatment time is the heat treatment time T2.
And The heat treatment time T2 is 1 hour or more and 15 hours or less.
第1の酸化物半導体層123又は島状の第1の酸化物半導体層103の熱処理時間は、熱
処理時間T1及び熱処理時間T2の和である。一方、第2の酸化物半導体層133又は後
の工程で形成される島状の第2の酸化物半導体層113の熱処理時間は、熱処理時間T2
である。すなわち、第1の酸化物半導体層123又は島状の第1の酸化物半導体層103
の方が、第2の酸化物半導体層133又は島状の第2の酸化物半導体層113よりも熱処
理時間が長い。熱処理時間が長いと、層中(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絶縁層(第1の酸化物半導体層123の場合は第1の上層下地
絶縁膜102b、第2の酸化物半導体層133の場合は第2の上層下地絶縁膜112b)
から供給される酸素の量が増大する。よって、第1の酸化物半導体層123又は島状の第
1の酸化物半導体層103に供給される酸素の量は、第2の酸化物半導体層133又は島
状の第2の酸化物半導体層113に供給される酸素の量は多い。トランジスタの活性層と
して機能する酸化物半導体層に供給される酸素の量が多いと、トランジスタのしきい値電
圧のプラス方向へのシフト量が多くなる。これにより、第1のトランジスタ100のしき
い値電圧のプラス方向へのシフト量は、第2のトランジスタ110よりも多くなる。
The heat treatment time of the first
It is. That is, the first
The heat treatment time is longer than that of the second
The amount of oxygen supplied from the air increases. Therefore, the amount of oxygen supplied to the first
酸素供給のための加熱処理は、第2の酸化物半導体層133の形成後であれば、島状の第
2の酸化物半導体層113の形成前に行ってもよく、形成後に行ってもよい。
The heat treatment for supplying oxygen may be performed before or after the formation of the island-shaped second
加熱処理は大気雰囲気中、又は減圧雰囲気中等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第2の酸化物半導体層133までの積層構造を形成した基板10
1を導入し、第2の酸化物半導体層133に対して大気雰囲気中200℃において5時間
の加熱処理を行う。
The heat treatment can be performed in an air atmosphere or a reduced pressure atmosphere. For example, the
1 is introduced, and the second
次いで、第2の酸化物半導体層133を島状に加工して、島状の第2の酸化物半導体層1
13を形成する。次いで、当該島状の第2の酸化物半導体層113に接して第3の導電膜
134を形成する(図3(D)参照)。第3の導電膜134は、第1の導電膜124と同
様の材料及び同様の工程で形成すればよい。
Next, the second
13 is formed. Next, a third
次いで、第3の導電膜134の一部を除去することにより、第2のソース電極及び第2の
ドレイン電極である電極114a及び電極114bを形成する(図4(A)参照)。第3
の導電膜134の一部を除去して第2のソース電極及び第2のドレイン電極である電極1
14a及び電極114bを形成する方法については、第1のソース電極及び第1のドレイ
ン電極である電極104a及び電極104bと同様に形成すればよい。第3の導電膜13
4の一部を選択的にエッチングして形成される電極114a及び電極114b間の距離を
、第2の距離D2とする。すなわち、第2のソース電極及び第2のドレイン電極である電
極114a及び電極114bは、第2の距離D2離れて形成される。
Next, part of the third
Part of the
About the method of forming 14a and the
A distance between the
次いで、第2の酸化物半導体層113、第2のソース電極及び第2のドレイン電極である
電極114a及び電極114bを覆って、第2のゲート絶縁膜115を形成する(図4(
B)参照)。第2のゲート絶縁膜115は、第1のゲート絶縁膜105と同様の材料及び
同様の工程で形成すればよい。
Next, a second
B)). The second
次に、第2のゲート絶縁膜115上に、第2のゲート電極116を形成するための第4の
導電膜136を形成する(図4(C)参照)。第4の導電膜136は、第2の導電膜12
6と同様の材料及び同様の工程で形成すればよい。
Next, a fourth
6 may be formed by using the same material and the same process as 6.
次いで、フォトリソグラフィ工程により、第4の導電膜136の一部を選択的にエッチン
グして、第2のゲート幅G2を有する第2のゲート電極116を形成する(図5(A)参
照)。第4の導電膜136の一部を選択的にエッチングして、第2のゲート電極116を
形成する方法については、第1のゲート電極106と同様の方法で形成すればよい。
Next, part of the fourth
次に、第2のゲート絶縁膜115及び第2のゲート電極116を覆って、第3の層間絶縁
膜117及び第4の層間絶縁膜118を形成する(図5(B)参照)。第3の層間絶縁膜
117及び第4の層間絶縁膜118は、第1の層間絶縁膜107及び第2の層間絶縁膜1
08と同様に形成すればよい。以上のようにして、第2のトランジスタ110が作製され
る。
Next, a third
What is necessary is just to form like 08. As described above, the
図5(B)に示す第2のトランジスタ110では、第2のソース電極及び第2のドレイン
電極である電極114a及び電極114bとの距離である第2の距離D2は、第2のゲー
ト電極116のゲート幅G2よりも短い。そのため、第2のトランジスタ110において
、第2のチャネル形成領域の長さL2(チャネル長L2)は、第2のソース電極及び第2
のドレイン電極である電極114a及び電極114bの距離である第2の距離D2と同等
である。
In the
This is equivalent to the second distance D2 which is the distance between the
上述のように第1のトランジスタ100に行われる熱処理時間は、第2のトランジスタ1
10に行われる熱処理時間よりも長い。これにより、第1のトランジスタ100の第1の
酸化物半導体層103に供給される酸素の量が、第2のトランジスタ110の第2の酸化
物半導体層113よりも多くなる。そのため、第1のトランジスタ100のしきい値電圧
のプラス方向へのシフト量は、第2のトランジスタ110よりも多くなる。一方、第1の
トランジスタ100のチャネル長L1は、第2のトランジスタ110のチャネル長L2よ
りも短い。トランジスタのチャネル長が短くなるほど、トランジスタのしきい値電圧がマ
イナス方向にシフトする。
As described above, the heat treatment time performed on the
10 is longer than the heat treatment time performed. Accordingly, the amount of oxygen supplied to the first
本実施の形態では、熱処理時間が長い第1のトランジスタ100のチャネル長L1を、熱
処理時間が短い第2のトランジスタ110のチャネル長L2よりも短くなるように作製す
る。これにより、第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110のしきい値電
圧を同様にすることができる。よって第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ
110の電気的特性を均一化することが可能となる。
In this embodiment, the channel length L1 of the
第4の層間絶縁膜118を形成後、第1の層間絶縁膜107、第2の層間絶縁膜108、
第2の下地絶縁膜112、第2のゲート絶縁膜115、第3の層間絶縁膜117、及び、
第4の層間絶縁膜118それぞれの一部を除去して、第1のゲート電極106に達する開
口部を形成する(図示せず)。第4の層間絶縁膜118上に導電膜を形成し、当該導電膜
の一部をエッチング等で除去することにより、第4の層間絶縁膜118上に、当該開口部
を介して第1のゲート電極106に達する電極109を形成することができる(図1参照
)。なお、必要であれば、第4の層間絶縁膜118上に、他の電極と電気的に接続する配
線層を設けてもよい。
After forming the fourth
A second
A part of each of the fourth
なお本実施の形態の第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110の作製方法
において、活性層として機能する酸化物半導体層形成後に、酸化物半導体層に接してソー
ス電極及びドレイン電極を形成するが、本実施の形態はこれに限定されない。当該ソース
電極及びドレイン電極を形成後、当該ソース電極及びドレイン電極に接して、当該酸化物
半導体層を形成してもよい。
Note that in the method for manufacturing the
さらに階層化を進め3階層以上の多階層の半導体装置を作製する場合には、第4の層間絶
縁膜118を形成後、さらに下地絶縁膜を形成し、同様の手順で多階層の半導体装置を作
製すればよい。
In the case where a multilevel semiconductor device having three or more layers is manufactured by further increasing the hierarchy, a base insulating film is further formed after the fourth
本実施の形態により、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層する半導体
装置において、電気特性が均一な酸化物半導体トランジスタを得ることができる。
According to this embodiment, an oxide semiconductor transistor with uniform electrical characteristics can be obtained in a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked.
[実施の形態3]
本実施の形態では、実施の形態1及び実施の形態2で述べた半導体装置とは異なる構成を
有する半導体装置について述べる。
[Embodiment 3]
In this embodiment, a semiconductor device having a structure different from that of the semiconductor device described in Embodiments 1 and 2 is described.
本実施の形態1及び実施の形態2に示す酸化物半導体トランジスタは、ゲート絶縁膜を介
して酸化物半導体層の片側にだけ存在するゲート電極を少なくとも有していればよいが、
本実施の形態の酸化物半導体トランジスタでは、酸化物半導体層を間に挟んで存在する一
対のゲート電極を有していてもよい。酸化物半導体トランジスタが、酸化物半導体層を間
に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号線が接
続され、他方のゲート電極(バックゲートともいう)は、電気的に絶縁しているフローテ
ィングの状態であっても良いし、電位が他から与えられている状態であっても良い。後者
の場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていてもよいし、バックゲートにのみ
接地電位等の固定の電位が与えられていてもよい。バックゲートに与える電位の高さを制
御することで、酸化物半導体トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。酸化
物半導体トランジスタのしきい値電圧を制御することにより、酸化物半導体トランジスタ
をノーマリオフに維持することが容易となる。
The oxide semiconductor transistors described in Embodiments 1 and 2 may have at least a gate electrode that exists only on one side of the oxide semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween.
The oxide semiconductor transistor of this embodiment may include a pair of gate electrodes that are present with an oxide semiconductor layer interposed therebetween. In the case where an oxide semiconductor transistor includes a pair of gate electrodes that are sandwiched between oxide semiconductor layers, a signal line is connected to one gate electrode and the other gate electrode (also referred to as a back gate) May be in a floating state that is electrically insulated, or may be in a state in which a potential is applied from another. In the latter case, the same potential may be applied to the pair of electrodes, or a fixed potential such as a ground potential may be applied only to the back gate. By controlling the potential applied to the back gate, the threshold voltage of the oxide semiconductor transistor can be controlled. By controlling the threshold voltage of the oxide semiconductor transistor, the oxide semiconductor transistor can be easily kept normally off.
図6に、図1とは異なる構成を有する半導体装置の断面を示す。図6に示される半導体装
置において、第1のトランジスタ120は、図1に示す第1のトランジスタ100に、第
1の酸化物半導体層103を挟んで第1のゲート電極106の反対側(基板101側)に
別のゲート電極(第1のバックゲート121)を設けたものである。第1のバックゲート
121を設けることにより、第1のトランジスタ100のしきい値電圧を制御することが
より容易となる。また第1のバックゲート121を設けた場合、第1の下地絶縁膜102
(第1の下層下地絶縁膜102a及び第1の上層下地絶縁膜102b)は、ゲート絶縁膜
としても機能する。
FIG. 6 shows a cross section of a semiconductor device having a structure different from that in FIG. In the semiconductor device illustrated in FIG. 6, the
The (first lower
また図6に示される半導体装置において、第2のトランジスタ130は、図1に示す第2
のトランジスタ110に、第2の酸化物半導体層113を挟んで第2のゲート電極116
の反対側(第2の層間絶縁膜108側)に別のゲート電極(第2のバックゲート131)
を設けたものである。第2のバックゲート131を設けることにより、第2のトランジス
タ130のしきい値電圧を制御することがより容易となる。また第2のバックゲート13
1を設けた場合、第2の下地絶縁膜112(第2の下層下地絶縁膜112a及び第2の上
層下地絶縁膜112b)は、ゲート絶縁膜としても機能する。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 6, the
The
Another gate electrode (second back gate 131) on the opposite side (second
Is provided. By providing the
When 1 is provided, the second base insulating film 112 (the second lower
本実施の形態により、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層する半導体
装置において、電気特性が均一な酸化物半導体トランジスタを得ることができる。
According to this embodiment, an oxide semiconductor transistor with uniform electrical characteristics can be obtained in a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked.
[実施の形態4]
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態3とは異なる構成を有する半導体装置に
ついて述べる。
[Embodiment 4]
In this embodiment, a semiconductor device having a structure different from those in Embodiments 1 to 3 is described.
図7に、図1及び図6とは異なる構成の半導体装置の断面を示す。図1及び図6に示す酸
化物半導体トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極の距離が、ゲート電極のゲート
幅よりも短いので、チャネル形成領域の長さ(チャネル長)は、ソース電極及びドレイン
電極間の距離がチャネル長と等しい。一方、図7に示す酸化物半導体トランジスタでは、
ゲート電極のゲート幅がソース電極及びドレイン電極の距離よりも短いので、ゲート電極
のゲート幅がチャネル長と等しくなる。
FIG. 7 shows a cross section of a semiconductor device having a structure different from those in FIGS. In the oxide semiconductor transistor illustrated in FIGS. 1 and 6, since the distance between the source electrode and the drain electrode is shorter than the gate width of the gate electrode, the length of the channel formation region (channel length) is between the source electrode and the drain electrode. Is equal to the channel length. On the other hand, in the oxide semiconductor transistor illustrated in FIG.
Since the gate width of the gate electrode is shorter than the distance between the source electrode and the drain electrode, the gate width of the gate electrode becomes equal to the channel length.
上述のように、本明細書中において、酸化物半導体層中のソース電極と接する領域である
ソース領域、及び、酸化物半導体層中のドレイン電極と接する領域であるドレイン領域と
の間の領域で、ゲート電極と重畳する領域を、チャネル形成領域という。本実施の形態に
おいて、チャネル形成領域の長さ(チャネル長)とは、ソース電極及びドレイン電極の距
離、並びに、ゲート電極のゲート幅のうち、どちらか短い方となる。
As described above, in this specification, the region between the source region in contact with the source electrode in the oxide semiconductor layer and the drain region in contact with the drain electrode in the oxide semiconductor layer is used. A region overlapping with the gate electrode is referred to as a channel formation region. In this embodiment, the length of the channel formation region (channel length) is the shorter of the distance between the source electrode and the drain electrode and the gate width of the gate electrode.
図7(A)に示す半導体装置において、第1のトランジスタ125は、ゲート幅が第1の
ソース電極及び第1のドレイン電極である電極104a及び電極104b間の距離よりも
短い第1のゲート電極146を有している。第1のトランジスタ125において、チャネ
ル形成領域のチャネル長L3は、第1のゲート電極146のゲート幅と同等である。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 7A, the
また図7(A)に示す半導体装置において、第2のトランジスタ135は、ゲート幅が第
2のソース電極及び第2のドレイン電極である電極114a及び電極114b間の距離よ
りも短い第2のゲート電極156を有している。第2のトランジスタ135において、チ
ャネル形成領域のチャネル長L4は、第2のゲート電極156のゲート幅と同等である。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 7A, the
図1に示す第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110と同様に、図7(A
)に示される第1のトランジスタ125のチャネル長L3は、第2のトランジスタ135
のチャネル長よりも短い。しかしながら、先に作製される第1のトランジスタ125の熱
処理時間は、後に作製される第2のトランジスタ135の熱処理時間よりも長い。これに
より、第1のトランジスタ125の第1の酸化物半導体層103に供給される酸素の量が
、第2のトランジスタ135の第2の酸化物半導体層113よりも多くなる。そのため、
第1のトランジスタ125のしきい値電圧のプラス方向へのシフト量は、第2のトランジ
スタ135よりも多くなる。これにより、第1のトランジスタ125及び第2のトランジ
スタ135のしきい値電圧を同様にすることができる。よって第1のトランジスタ125
及び第2のトランジスタ135の電気的特性を均一化することが可能となる。
Similar to the
The channel length L3 of the
Shorter than the channel length. However, the heat treatment time of the
The shift amount of the threshold voltage of the
In addition, the electrical characteristics of the
図7(B)に示す第1のトランジスタ127及び第2のトランジスタ137は、それぞれ
、図7(A)に示す第1のトランジスタ125及び第2のトランジスタ135にバックゲ
ートを設けた例である。
A
図7(B)に示す第1のトランジスタ127は、第1の酸化物半導体層103を挟んで第
1のゲート電極146の反対側(基板101側)に別のゲート電極(第1のバックゲート
122)を設けたものである。第1のバックゲート122を設けることにより、第1のト
ランジスタ127のしきい値電圧を制御することがより容易となる。また第1のバックゲ
ート122を設けた場合、第1の下地絶縁膜102(第1の下層下地絶縁膜102a及び
第1の上層下地絶縁膜102b)は、ゲート絶縁膜としても機能する。
A
図7(B)に示す第2のトランジスタ137は、第2の酸化物半導体層113を挟んで第
2のゲート電極156の反対側(第2の層間絶縁膜108側)に別のゲート電極(第2の
バックゲート132)を設けたものである。第2のバックゲート132を設けることによ
り、第2のトランジスタ137のしきい値電圧を制御することがより容易となる。また第
2のバックゲート132を設けた場合、第2の下地絶縁膜112(第2の下層下地絶縁膜
112a及び第2の上層下地絶縁膜112b)は、ゲート絶縁膜としても機能する。
The
なお、図7(A)及び図7(B)に示す第1の酸化物半導体層103及び第2の酸化物半
導体層113それぞれにおいて、チャネル形成領域とソース領域の間の領域、及び、チャ
ネル形成領域とドレイン領域の間の領域をオフセット領域という。
Note that in each of the first
図7(A)に示す第1のトランジスタ125及び第2のトランジスタ135のそれぞれ、
並びに、図7(B)に示す第1のトランジスタ127及び第2のトランジスタ137のそ
れぞれにおいて、上述のオフセット領域を設けることにより、ゲート電極とソース電極間
に生じる寄生容量を低減することができる。また、ゲート電極とドレイン電極間に生じる
寄生容量を低減することができる。
Each of the
In addition, in each of the
また、第1の酸化物半導体層103及び第2の酸化物半導体層113それぞれに、第1の
ゲート電極106及び第2のゲート電極116それぞれをマスクとして、酸化物半導体の
導電性を変化させる不純物元素が添加される場合は、ソース領域及びチャネル形成領域と
の間のオフセット領域、並びに、ドレイン領域及びチャネル形成領域との間のオフセット
領域に、自己整合的に低抵抗領域が形成される。当該低抵抗領域が形成されると、第1の
トランジスタ125及び第2のトランジスタ135のそれぞれ、並びに、第1のトランジ
スタ127及び第2のトランジスタ137のそれぞれのオン抵抗を低減し、動作速度を向
上させることができる。
The first
なお本実施の形態では、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタと、2つの酸化物半
導体トランジスタを積層(集積化)した例について説明したが、酸化物半導体トランジス
タの数はこれに限定されない。酸化物半導体トランジスタを3つ以上積層して、多階層の
半導体装置を作製する場合は、上階層に設けられる酸化物半導体トランジスタほどチャネ
ル長が長くなるように作製すればよい。
Note that although an example in which the first transistor, the second transistor, and two oxide semiconductor transistors are stacked (integrated) is described in this embodiment, the number of oxide semiconductor transistors is not limited thereto. In the case where a multi-layer semiconductor device is manufactured by stacking three or more oxide semiconductor transistors, the channel length of the oxide semiconductor transistor provided in the upper layer may be increased.
本実施の形態により、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層する半導体
装置において、電気特性が均一な酸化物半導体トランジスタを得ることができる。
According to this embodiment, an oxide semiconductor transistor with uniform electrical characteristics can be obtained in a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked.
[実施の形態5]
本実施の形態では、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
み回数にも制限の無い半導体装置(記憶装置)について説明する。
[Embodiment 5]
In this embodiment, a semiconductor device (storage device) which can hold stored contents even when power is not supplied and has no limit on the number of writing operations will be described.
図8及び図9に、酸化物半導体とは異なる禁制帯幅を持つ半導体を用いたトランジスタ、
及び、酸化物半導体トランジスタを三次元的に階層化して積層する半導体装置の構成を示
す。図8に、当該半導体装置の断面図を、図9(A)に当該半導体装置の平面図を、図9
(B)に当該半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図8は、図9(A)のA−B
、及びC−Dにおける断面に相当する。なお、図9(A)においては、図8に示す半導体
装置の一部の構成要素の記載を省略している。
8 and 9, a transistor including a semiconductor having a forbidden bandwidth different from that of an oxide semiconductor,
In addition, a structure of a semiconductor device in which oxide semiconductor transistors are three-dimensionally layered and stacked is shown. FIG. 8 is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 9A is a plan view of the semiconductor device, and FIG.
(B) shows a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 8 is a cross-sectional view taken along AB of FIG.
, And corresponds to a cross section taken along CD. Note that in FIG. 9A, some components of the semiconductor device illustrated in FIG. 8 are not illustrated.
図8に示す半導体装置は、下から順に、酸化物半導体とは異なる禁制帯幅を持つ半導体を
用いたトランジスタ(第3のトランジスタ660とする)、酸化物半導体層を用いた第1
のトランジスタ100、第3のトランジスタ660と同様の構造を有する第4のトランジ
スタ670、酸化物半導体層を用い、第1のトランジスタ100よりチャネル長の長い第
2のトランジスタ110を積層(集積化)した半導体装置である。
The semiconductor device illustrated in FIG. 8 includes, in order from the bottom, a transistor using a semiconductor having a band gap different from that of an oxide semiconductor (referred to as a third transistor 660), and a first using an oxide semiconductor layer.
The
図8では、図1に示す第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110を用いた
が、第1のトランジスタ100及び第2のトランジスタ110の代わりに、図6に示す第
1のトランジスタ120及び第2のトランジスタ130、図7(A)に示す第1のトラン
ジスタ125及び第2のトランジスタ135、又は、図7(B)に示す第1のトランジス
タ127及び第2のトランジスタ137を用いてもよいのは言うでもない。
In FIG. 8, the
ここで、第3のトランジスタ660の半導体層は、酸化物半導体とは異なる禁制帯幅を持
つ半導体で形成される層である。このような半導体として、例えば、シリコンが挙げられ
る。酸化物半導体層以外の半導体層を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一
方で、酸化物半導体層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。
Here, the semiconductor layer of the
なお、上記トランジスタは、いずれもnチャネル型トランジスタであるものとして説明す
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、半導
体装置に用いられる材料や半導体装置の構造等、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。
Note that although all the above transistors are described as n-channel transistors, it goes without saying that p-channel transistors can be used. Further, the specific structure of the semiconductor device, such as a material used for the semiconductor device or a structure of the semiconductor device, need not be limited to that shown here.
図8における第3のトランジスタ660は、酸化物半導体層とは異なる禁制帯幅を持つ半
導体層(例えば、シリコン等)を含む基板600に設けられたチャネル形成領域616と
、チャネル形成領域616を挟むように設けられた不純物領域620と、チャネル形成領
域616上に設けられたゲート絶縁膜608と、ゲート絶縁膜608上に設けられたゲー
ト電極610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。
The
基板600上には第3のトランジスタ660を囲むように素子分離絶縁層606が設けら
れており、第3のトランジスタ660を覆うように絶縁層630が設けられている。なお
、第3のトランジスタ660において、ゲート電極610の側面に側壁絶縁層(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620としてもよい。
なお、素子分離絶縁層606は、LOCOS(Local Oxidation of
Silicon)や、STI(Shallow Trench Isolation)等
の素子分離技術を用いて形成することができる。
An element
Note that the element
It can be formed using an element isolation technique such as Silicon or STI (Shallow Trench Isolation).
単結晶半導体基板を用いた第3のトランジスタ660は、高速動作が可能である。このた
め、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報(データ)
の読み出しを高速に行うことができる。第3のトランジスタ660を覆うように絶縁層を
2層形成し、第1のトランジスタ100及び容量素子664の形成前の処理として、該絶
縁層2層にCMP処理を施して、平坦化した絶縁層630を形成し、同時にゲート電極6
10の上面を露出させる。
The
Can be read at high speed. Two insulating layers are formed so as to cover the
The top surface of 10 is exposed.
絶縁層630は、代表的には酸化シリコン、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、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を用いる
ことができる。絶縁層630は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成
することができる。
As the insulating
また、ポリイミド、アクリル樹脂、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。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法等の湿式法によって絶縁層6
30を形成してもよい。
Alternatively, an organic material such as polyimide, acrylic resin, or benzocyclobutene resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. When an organic material is used, the insulating layer 6 is formed by a wet method such as a spin coating method or a printing method.
30 may be formed.
なお、本実施の形態において、絶縁層630として酸化シリコン膜を用いる。
Note that in this embodiment, a silicon oxide film is used as the insulating
絶縁層630表面において、酸化物半導体層644形成領域に、平坦化処理を行うことが
好ましい。本実施の形態では、研磨処理(例えばCMP処理)により十分に平坦化した(
好ましくは絶縁層630表面の平均面粗さは0.15nm以下)絶縁層630上に酸化物
半導体層644を形成する。
Planarization treatment is preferably performed on the surface of the insulating
The average surface roughness of the surface of the insulating
なお不純物領域620は、絶縁層630、後述する第1の下層下地絶縁膜102a、及び
、第1の上層下地絶縁膜102bに設けられた開口部を介して、第1の上層下地絶縁膜1
02b上に設けられた電極653と電気的に接続されている。電極653は、電極104
a及び電極104bと同様の材料及び同様の工程にて形成される。
The
It is electrically connected to an
a and the same material and the same process as the
第1のトランジスタ100の電極104aと第3のトランジスタ660のゲート電極61
0は、第1の下層下地絶縁膜102a及び第1の上層下地絶縁膜102bに設けられた開
口部を介して電気的に接続されている。
The
0 is electrically connected through an opening provided in the first lower
また、第1の下層ゲート絶縁膜105a、第1の上層ゲート絶縁膜105b、第1の層間
絶縁膜107、及び第2の層間絶縁膜108を介して、第1のトランジスタ100の電極
104aと重畳する領域には、配線654が設けられており、電極104a、第1の下層
ゲート絶縁膜105a、第1の上層ゲート絶縁膜105b、第1の層間絶縁膜107、及
び第2の層間絶縁膜108、配線654とによって、容量素子664が構成される。すな
わち、第1のトランジスタ100の電極104aは、容量素子664の一方の電極として
機能し、配線654は、容量素子664の他方の電極として機能する。なお、容量素子6
64を設けない構成とすることもできる。
In addition, the first lower
A configuration without 64 is also possible.
第1のトランジスタ100及び容量素子664の上には、第2の酸化物半導体層113を
活性層とする第2のトランジスタ110が設けられている。第2のトランジスタ110の
電極114bは、第1の下層ゲート絶縁膜105a、第1の上層ゲート絶縁膜105b、
第1の層間絶縁膜107、第2の層間絶縁膜108、第2の下層下地絶縁膜112a、及
び、第2の上層下地絶縁膜112bに設けられた開口部を介して、第3のトランジスタ6
60と同様の構造を有する第4のトランジスタ670のゲート電極610と電気的に接続
されている。なお、第4のトランジスタ670の構造は第3のトランジスタ660の構造
と同様のため、詳細な説明は省略する。
A
Through the opening provided in the first
60 is electrically connected to the
また、第2の下層ゲート絶縁膜115a、第2の上層ゲート絶縁膜115b、第3の層間
絶縁膜117、及び第4の層間絶縁膜118を介して、第2のトランジスタ110の電極
114bと重畳する領域には、配線674が設けられており、電極114b、第2の下層
ゲート絶縁膜115a、第2の上層ゲート絶縁膜115b、第3の層間絶縁膜117、及
び第4の層間絶縁膜118と、配線674とによって、容量素子684が構成される。す
なわち、第2のトランジスタ110の電極114bは、容量素子684の一方の電極とし
て機能し、配線674は、容量素子684の他方の電極として機能する。なお、容量素子
684を設けない構成とすることもできる。
In addition, the second lower
また第2のトランジスタ110及び容量素子684上には、絶縁層652が設けられてい
る。また絶縁層652上に必要に応じて配線を設けてもよい。
An insulating
図8及び図9(A)において、第1のトランジスタ100及び第3のトランジスタ660
、並びに、第2のトランジスタ110及び第4のトランジスタ670は、それぞれ、少な
くとも一部が重畳するように設けられている。例えば、第3のトランジスタ660のソー
ス領域またはドレイン領域と、第1のトランジスタ100の第1の酸化物半導体層103
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、例えば、第1のトランジス
タ100及び容量素子664が、第3のトランジスタ660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664の配線654は、第3のトランジスタ6
60のゲート電極610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。
8 and 9A, the
In addition, each of the
It is preferable that a part of each is overlapped. For example, the
60
High integration can be achieved.
以上のような構成とすることで、高速動作性能を有する、酸化物半導体とは異なる禁制帯
幅を用いたトランジスタ、及び、オフ電流が極めて小さい、酸化物半導体層を用いたトラ
ンジスタとを三次元的に階層化した、低消費電力化が可能な高速動作の半導体装置(記憶
装置)を得ることができる。
With the above structure, a transistor using a forbidden band different from an oxide semiconductor, which has high-speed operation performance, and a transistor using an oxide semiconductor layer with extremely low off-state current are three-dimensional. Thus, it is possible to obtain a semiconductor device (storage device) operating at high speed and capable of reducing power consumption.
次に、図8及び図9(A)に対応する回路構成の一例を図9(B)に示す。 Next, an example of a circuit configuration corresponding to FIGS. 8 and 9A is illustrated in FIG.
図9(B)において、第1の配線(1st Line)と第3のトランジスタ660のソ
ース電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)と第3のトランジス
タ660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 L
ine)と第1のトランジスタ100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、第1のトランジスタ100のゲート
電極とは、電気的に接続されている。そして、第3のトランジスタ660のゲート電極と
、第1のトランジスタ100のソース電極またはドレイン電極の一方は、容量素子664
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664
の電極の他方は電気的に接続されている。
In FIG. 9B, the first wiring (1st Line) and the source electrode of the
ine) and one of the source electrode and the drain electrode of the
A fifth wiring (5th Line), and a
The other electrode is electrically connected.
図9(B)に示す半導体装置では、第3のトランジスタ660のゲート電極の電位が保持
可能という特徴を生かすことで、次のように、データの書き込み、保持、読み出しが可能
である。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 9B, data can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the
データの書き込み及び保持について説明する。まず、第4の配線の電位を、第1のトラン
ジスタ100がオン状態となる電位にして、第1のトランジスタ100をオン状態とする
。これにより、第3の配線の電位が、第3のトランジスタ660のゲート電極、及び容量
素子664に与えられる。すなわち、第3のトランジスタ660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、High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、第1のトランジスタ100がオフ状態となる電位にして、
第1のトランジスタ100をオフ状態とすることにより、第3のトランジスタ660のゲ
ート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
Data writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the
After that, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the
By turning off the
第1のトランジスタ100のオフ電流は極めて小さいため、第3のトランジスタ660の
ゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。
Since the off-state current of the
次にデータの読み出しについて説明する。第1の配線に所定の電位(定電位)を与えた状
態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第3のトランジスタ660
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、第
3のトランジスタ660をnチャネル型とすると、第3のトランジスタ660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電圧Vth_Hは、第
3のトランジスタ660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
のしきい値電圧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
、第3のトランジスタ660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、第3のトランジスタ660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、第3のトランジスタ660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(<Vt
h_L)となっても、第3のトランジスタ660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、保持されているデータを読み出すことができる。
Next, data reading will be described. When an appropriate potential (readout potential) is applied to the fifth wiring in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring, the
The second wiring has different potentials depending on the amount of charge held in the gate electrode. In general, when the
Thus, the charge applied to the gate electrode of the
It becomes. When the low level charge is applied, the potential of the fifth wiring is V 0 (<V t
h_L ), the
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルのデータのみを読
み出せることが必要になる。このようにデータを読み出さない場合には、ゲート電極の状
態にかかわらず第3のトランジスタ660が「オフ状態」となるような電位、つまり、V
th_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
わらず第3のトランジスタ660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。
Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only data of desired memory cells. When data is not read out in this way, a potential at which the
A potential smaller than th_H may be supplied to the fifth wiring. Alternatively , the potential at which the
A higher potential may be supplied to the fifth wiring.
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流
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データを保持するこ
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、長期にわたってデータを保持することが可能である。
In the semiconductor device described in this embodiment, data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. Further, data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報(データ)の書き込みに高い電圧を必要
とせず、素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(データ)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。
Further, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing information (data), and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that the problem of deterioration of the gate insulating layer does not occur at all. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data (data) is written depending on the on state and the off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.
上述のように、酸化物半導体トランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特徴を有し
ている。このため、酸化物半導体トランジスタをオフ状態とすることで、酸化物半導体ト
ランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されたノードの電荷(データ)
を長時間にわたって保持することが可能となる。
As described above, an oxide semiconductor transistor has a feature that an off-state current is extremely small. Therefore, by turning off the oxide semiconductor transistor, the charge (data) of the node electrically connected to one of the source and the drain of the oxide semiconductor transistor
Can be held for a long time.
以上、本実施の形態に示す構成、方法等は、他の実施の形態に示す構成、方法等を適宜組
み合わせて用いることができる。
As described above, the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.
[実施の形態6]
本実施の形態では、実施の形態5で述べた半導体装置を有するCPU(Central
Processing Unit)について、以下に説明する。
[Embodiment 6]
In this embodiment mode, a CPU (Central) including the semiconductor device described in
(Processing Unit) will be described below.
図11(A)は、CPUの具体的な構成を示すブロック図である。図11(A)に示すC
PUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logi
c unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ
1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジ
スタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus
I/F)、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース1189(R
OM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板等
を用いる。ROM1199及びROMインターフェース1189は、別チップに設けても
よい。もちろん、図11(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎ
ず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。
FIG. 11A is a block diagram illustrating a specific configuration of a CPU. C shown in FIG.
The PU is mounted on the
unit, arithmetic circuit),
I / F),
OM I / F). As the
バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクション
デコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタ
ラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ
1195に入力される。
Instructions input to the CPU via the
ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントロー
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアド
レスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
The
また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ119
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、及びレ
ジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイ
ミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号C
LK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各
種回路に供給する。
The
2. Generates a signal for controlling the operation timing of the
An internal clock generator for generating LK2 is provided, and an internal clock signal CLK2 is supplied to the various circuits.
図11(A)に示すCPUでは、レジスタ1196に、複数のメモリセルが設けられてい
る。レジスタ1196の複数のメモリセルのそれぞれとして、図9(B)に示した半導体
装置を用いることができる。
In the CPU illustrated in FIG. 11A, the
図11(A)に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191
からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジス
タ1196が有するメモリセルにおいて、位相反転素子によるデータの保持を行うか、容
量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。位相反転素子によるデータの保持が選
択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。
容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが
行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
In the CPU illustrated in FIG. 11A, the
The holding operation in the
When holding of data in the capacitor is selected, data is rewritten to the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cells in the
電源停止に関しては、図11(B)または図11(C)に示すように、メモリセル群と、
電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を
設けることにより行うことができる。以下に図11(B)及び図11(C)の回路の説明
を行う。
Regarding the power supply stop, as shown in FIG. 11B or FIG.
This can be performed by providing a switching element between nodes to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied. The circuits in FIGS. 11B and 11C will be described below.
図11(B)に示す半導体装置は、スイッチング素子1141と、メモリセル1142を
複数有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には
、図9(B)に示す半導体装置を用いることができる。メモリセル群1143が有する各
メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電源電位V
DDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142に
は、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。
A semiconductor device illustrated in FIG. 11B includes a
DD is supplied. Further, each
図11(B)では、スイッチング素子1141として、酸化物半導体トランジスタを用い
ており、該トランジスタは、そのゲート電極に与えられる信号SigAによりスイッチン
グが制御される。当該酸化物半導体トランジスタとして、図1に示す第1のトランジスタ
100、図1に示す第2のトランジスタ110、図6に示す第1のトランジスタ120、
図6に示す第2のトランジスタ130、図7(A)に示す第1のトランジスタ125、図
7(A)に示す第2のトランジスタ135、図7(B)に示す第1のトランジスタ127
、又は、図7(B)に示す第2のトランジスタ137を用いてもよい。
In FIG. 11B, an oxide semiconductor transistor is used as the
The
Alternatively, the
なお、図11(B)では、スイッチング素子1141がトランジスタを一つだけ有する構
成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチン
グ素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合
、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよ
いし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
Note that FIG. 11B illustrates a structure in which the
また、図11(B)では、スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有
する各メモリセル1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されているが
、スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されてい
てもよい。
In FIG. 11B, the
また、図11(C)には、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142に、スイ
ッチング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、半導体
装置の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各
メモリセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。
FIG. 11C illustrates an example of a semiconductor device in which a low-level power supply potential VSS is supplied to each
メモリセル群と、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、ス
イッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合
においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具
体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボード等の入力装置への
情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消費
電力を低減することができる。
A switching element is provided between the memory cell group and a node to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied to temporarily stop the operation of the CPU and retain data even when the supply of the power supply voltage is stopped. It is possible to reduce power consumption. Specifically, for example, even when a personal computer user stops inputting information to an input device such as a keyboard, the operation of the CPU can be stopped, thereby reducing power consumption. it can.
ここでは、CPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signal P
rocessor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmabl
e Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
Here, the CPU has been described as an example, but a DSP (Digital Signal P) is used.
processor, custom LSI, FPGA (Field Programmable)
e Gate Array) and the like.
ところで、不揮発性のランダムアクセスメモリとして磁気トンネル接合素子(MTJ素子
)が知られている。MTJ素子は、絶縁膜を介して上下に配置している膜中のスピンの向
きが平行であれば低抵抗状態、反平行であれば高抵抗状態となることで情報を記憶する素
子である。したがって、本実施の形態で示す酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導
体を用いたメモリとは原理が全く異なっている。表1はMTJ素子と、本実施の形態に係
る半導体装置との対比を示す。
Incidentally, a magnetic tunnel junction element (MTJ element) is known as a nonvolatile random access memory. The MTJ element is an element that stores information by being in a low resistance state if the spin directions in the films arranged above and below the insulating film are parallel and in a high resistance state if the spin directions are antiparallel. Therefore, the principle is completely different from that of a memory using a wide band gap semiconductor such as an oxide semiconductor described in this embodiment. Table 1 shows a comparison between the MTJ element and the semiconductor device according to the present embodiment.
MTJ素子は磁性材料を使用するためキュリー温度以上にすると磁性が失われてしまうと
いう欠点がある。また、MTJ素子は電流駆動であるため、シリコンのバイポーラデバイ
スと相性が良いが、バイポーラデバイスは集積化に不向きである。そして、MTJ素子は
書き込み電流が微小とはいえ、メモリの大容量化によって消費電力が増大してしまうとい
った問題がある。
Since the MTJ element uses a magnetic material, there is a drawback that the magnetism is lost when the temperature is higher than the Curie temperature. Further, since the MTJ element is current driven, it is compatible with a silicon bipolar device, but the bipolar device is not suitable for integration. Although the MTJ element has a small write current, there is a problem that the power consumption increases due to the increase in the capacity of the memory.
原理的にMTJ素子は磁界耐性に弱く強磁界にさらされるとスピンの向きが狂いやすい。
また、MTJ素子に用いる磁性体のナノスケール化によって生じる磁化揺らぎを制御する
必要がある。
In principle, the MTJ element is weak in magnetic field resistance, and when exposed to a strong magnetic field, the direction of spin tends to go wrong.
In addition, it is necessary to control the magnetization fluctuation caused by the nanoscale formation of the magnetic material used in the MTJ element.
さらに、MTJ素子はビット当たりの材料コストから見ても高価である。 Further, the MTJ element is expensive in view of the material cost per bit.
一方、上述の酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタは、チ
ャネルを形成する半導体が金属酸化物であること以外は、素子構造や動作原理がシリコン
MOSFETと同様である。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは磁界の影響を受
けず、ソフトエラーも生じ得ないといった特質を有する。このことからシリコン集積回路
と非常に整合性が良いといえる。
On the other hand, a transistor using a wide band gap semiconductor such as the above-described oxide semiconductor has the same element structure and operating principle as the silicon MOSFET except that the semiconductor forming the channel is a metal oxide. In addition, a transistor including an oxide semiconductor is not affected by a magnetic field and has a characteristic that a soft error cannot occur. Therefore, it can be said that the compatibility with the silicon integrated circuit is very good.
また、上述の酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタとシリ
コンを用いたトランジスタを組み合わせるメモリは、表1に示したように、スピントロニ
クスデバイスに比べて、耐熱性、3D化(三層以上の積層構造化)、磁界耐性、書き込み
電力量等多くの点で有利である。なお、表1にあるオーバーヘッドの電力とは、複数のプ
ロセッサが一つのロックについてスピンする時に、これらのプロセッサは、ロックについ
て競い、バスおよびシステム相互接続上で過剰なトラフィックを生成することによってシ
ステム性能を低下させる、所謂オーバーヘッドに消費される電力のことである。
In addition, as shown in Table 1, a memory in which a transistor using a wide bandgap semiconductor such as an oxide semiconductor described above and a transistor using silicon are combined is more heat resistant and 3D (three layers) than a spintronic device. This is advantageous in many respects, such as the above laminated structure), magnetic field resistance, and write power amount. Note that the overhead power in Table 1 means that when multiple processors spin on a lock, these processors compete for the lock and generate excessive traffic on the bus and system interconnect. This is the power consumed for so-called overhead.
このように、スピントロニクスデバイスに比べて有利な点の多い酸化物半導体を用いた半
導体装置を利用することで、半導体装置の省電力化が実現可能となる。
In this manner, by using a semiconductor device using an oxide semiconductor, which has many advantages over spintronic devices, power saving of the semiconductor device can be realized.
以上、本実施の形態に示す構成、方法等は、他の実施の形態に示す構成、方法等を適宜組
み合わせて用いることができる。
As described above, the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.
[実施の形態7]
実施の形態6ではCPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signa
l Processor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programm
able Gate Array)等のLSIにも応用可能である。本実施の形態におい
ては、トランジスタの階層構造を用いたFPGAに代表されるプログラマブル論理デバイ
ス(Programmable Logic Device:PLD)について説明する
。
[Embodiment 7]
In the sixth embodiment, the CPU has been described as an example, but a DSP (Digital Signal) is described.
l Processor), custom LSI, FPGA (Field Program)
The present invention can also be applied to LSIs such as (able Gate Array). In this embodiment, a programmable logic device (PLD) typified by an FPGA using a hierarchical structure of transistors will be described.
PLDは、製造後に購入者や設計者が構成を設定(コンフィギュレーション)することが
できる集積回路であり、出荷後に部分的に設計を再構築することができる。プログラム可
能な論理コンポーネントである論理ブロックを複数有し、これらを相互接続する再構築が
可能な配線層を有する。これにより複数の論理ブロックを組み合わせて複雑な論理回路を
構成することができ、また再構成することができる。
The PLD is an integrated circuit whose configuration can be set by a purchaser or designer after manufacture, and the design can be partially reconstructed after shipment. It has a plurality of logic blocks that are programmable logic components and a reconfigurable wiring layer that interconnects them. Accordingly, a complex logic circuit can be configured by combining a plurality of logic blocks, and can be reconfigured.
論理ブロックは、例えば、ルックアップテーブル(LUT)等を用いて構成されている。
ルックアップテーブルは、入力信号に対して、設定データに応じた演算処理を行い出力信
号とする。ここで、設定データは、各論理ブロックに対応して設けられた記憶回路に記憶
される。つまり、当該記憶回路に記憶されたデータに応じて、ルックアップテーブルは異
なる演算処理を行うことができる。そのため、論理ブロックの機能は、当該記憶回路に特
定の設定データを記憶させることで特定することができる。
The logical block is configured using, for example, a lookup table (LUT).
The look-up table performs an arithmetic process on the input signal according to the setting data to generate an output signal. Here, the setting data is stored in a storage circuit provided corresponding to each logical block. That is, the look-up table can perform different arithmetic processing depending on the data stored in the storage circuit. Therefore, the function of the logic block can be specified by storing specific setting data in the storage circuit.
上記の当該ルックアップテーブルの設定データ等をコンフィギュレーションデータと呼ぶ
。また、各論理ブロックに対応して設けられ、コンフィギュレーションデータを記憶する
記憶回路をコンフィギュレーションメモリと呼ぶ。更に、コンフィギュレーションデータ
をコンフィギュレーションメモリに記憶させることをコンフィギュレーションと呼ぶ。特
に、コンフィギュレーションメモリに記憶されたコンフィギュレーションデータを書き換
える(更新)することをリコンフィギュレーションとよぶ。PLDをユーザの目的に応じ
た回路構成に変更することは、所望のコンフィギュレーションデータを作成(プログラム
)し、コンフィギュレーションを行うことで実現できる。
The setting data of the lookup table is called configuration data. A storage circuit provided corresponding to each logical block and storing configuration data is referred to as a configuration memory. Furthermore, storing configuration data in the configuration memory is called configuration. In particular, rewriting (updating) configuration data stored in the configuration memory is called reconfiguration. Changing the PLD to a circuit configuration according to the user's purpose can be realized by creating (programming) desired configuration data and performing configuration.
PLDは、一般には、PLDを有する半導体装置の動作を停止した状態でコンフィギュレ
ーションを行う(静的コンフィギュレーション)。一方、PLDの特徴をより活かすため
、半導体装置の動作中にコンフィギュレーションを行う(動的コンフィギュレーション)
こともできる。
In general, the PLD is configured in a state where the operation of the semiconductor device having the PLD is stopped (static configuration). On the other hand, in order to make better use of the characteristics of PLD, configuration is performed during operation of the semiconductor device (dynamic configuration).
You can also.
PLDは、バグの修正や設計仕様の変更を現場で行うことが可能であり、開発期間や製造
期間を短縮することができ、低コストで製造することができる。
The PLD can fix bugs and change design specifications in the field, shorten the development period and manufacturing period, and can be manufactured at low cost.
従来のPLD9800は、図12(A)に示すように、格子状に配置された複数の論理ブ
ロック9801、複数の論理ブロック9801間に設けられた縦横に延びる複数の配線9
804、及び配線9804の交点に設けられた複数のスイッチ9805とを有する。
As shown in FIG. 12A, a conventional PLD 9800 includes a plurality of
804 and a plurality of switches 9805 provided at intersections of the wiring 9804.
論理ブロック9801は、基本回路として、例えば図12(B)のような構成を有する。
PLDの論理を構成するルックアップテーブル(LUT)9806はSRAM9802を
有する。図12(B)に示すルックアップテーブルは4入力1出力の例であり、4ビット
の入力から1ビットの出力を得る任意の論理回路を構成することができる。フリップフロ
ップ9807は、順序回路を構成し、セレクタ9808は、順序回路動作と組み合わせ回
路動作を切り換える。
The
A look-up table (LUT) 9806 constituting the logic of the PLD has an
スイッチ9805はトランスファゲート(アナログスイッチ)等により形成され、論理ブ
ロック9801におけるSRAM9802のルックアップテーブルによってオン又はオフ
が決定され、論理ブロック9801の任意の接続を実現する。
The switch 9805 is formed by a transfer gate (analog switch) or the like, and is turned on or off by the look-up table of the
本実施の形態においては、ルックアップテーブルに用いるSRAM9802の代わりに、
実施の形態5で説明した酸化物半導体トランジスタを用いた記憶装置で構成する。これに
より、三次元的に階層化して積層されたPLDを実現できる。
In this embodiment, instead of
The memory device using the oxide semiconductor transistor described in
従来構造においては、図12(A)に示すように論理ブロックは二次元的に配列していた
。このため、論理回路や配線を形成する領域が限られ、論理ブロックに形成することがで
きる機能が制限されていた。このため、より高度な論理回路を論理ブロック内に構成する
ためには、素子や配線等のさらなる微細化が求められ、コスト増につながっていた。
In the conventional structure, the logic blocks are two-dimensionally arranged as shown in FIG. For this reason, a region for forming a logic circuit or wiring is limited, and functions that can be formed in a logic block are limited. For this reason, in order to construct a more advanced logic circuit in a logic block, further miniaturization of elements, wirings, and the like is required, leading to an increase in cost.
しかし、上述したように、例えばルックアップテーブルに用いるSRAMを酸化物半導体
トランジスタに代え、該酸化物半導体トランジスタを上階層に形成すると、その分下階層
の領域に付加的な回路構成を配置することが可能になる。
However, as described above, for example, when an SRAM used for a lookup table is replaced with an oxide semiconductor transistor and the oxide semiconductor transistor is formed in an upper layer, an additional circuit configuration is disposed in the lower layer region accordingly. Is possible.
また、平面的に配置が困難な電気回路を上階層と合わせて作り込むことで、より各階層の
回路配置が簡素化され、高密度な集積化を図ることができる。
In addition, by creating an electrical circuit that is difficult to arrange in a plane in combination with the upper layer, the circuit arrangement of each layer is further simplified, and high-density integration can be achieved.
特に、開示される発明の一態様で示すトランジスタの階層構造をPLDに用いる場合、実
施の形態5において説明したような、高速動作性能を有し、酸化物半導体とは異なる禁制
帯幅を持つ半導体を用いたトランジスタ、及び、オフ電流が極めて小さい、酸化物半導体
を用いたトランジスタとを組み合わせることが好ましい。酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタを2階層以上の多階層構造とすることで、高密度に集積化した論理ブロックを形成
することができる。
In particular, when the hierarchical structure of the transistor described in one embodiment of the disclosed invention is used for a PLD, a semiconductor having high-speed operation performance and a forbidden band different from an oxide semiconductor as described in
以上、本実施の形態に示す構成、方法等は、他の実施の形態に示す構成、方法等を適宜組
み合わせて用いることができる。
As described above, the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.
[実施の形態8]
先の実施の形態で説明された半導体装置は、さまざまな電気機器(遊技機も含む)に適用
することができる。電気機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスク
トップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Dig
ital Versatile Disc)等の記録媒体に記憶された静止画又は動画を
再生する画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホン
ステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動
車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声
入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波
加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナー等の空調設備、
食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍
冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、等が挙
げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業
用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジン
や、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体等も、電気機器の範
疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と
電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)
、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付
自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコ
プター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。
これらの電気機器の具体例を図13に示す。
[Embodiment 8]
The semiconductor device described in any of the above embodiments can be applied to a variety of electric appliances (including game machines). As electrical equipment, display devices such as televisions and monitors, lighting devices, desktop or notebook personal computers, word processors, DVDs (Dig)
image playback device for playing back still images or moving images stored in a recording medium such as ital Versatile Disc), portable CD player, radio, tape recorder, headphone stereo, stereo, cordless telephone cordless handset, transceiver, portable radio, mobile phone , Car phones, portable game machines, calculators, personal digital assistants, electronic notebooks, electronic books, electronic translators, voice input devices, video cameras, digital still cameras, electric shavers, microwave ovens and other high-frequency heating devices, electric rice cookers , Air conditioning equipment such as electric washing machines, vacuum cleaners, air conditioners,
Examples include dishwashers, dish dryers, clothes dryers, futon dryers, electric refrigerators, electric freezers, electric refrigerators, DNA storage freezers, smoke detectors, radiation measuring instruments, and dialysis devices. Further examples include industrial equipment such as guide lights, traffic lights, belt conveyors, elevators, escalators, industrial robots, and power storage systems. In addition, an engine using petroleum, a moving body driven by an electric motor using electric power from a non-aqueous secondary battery, and the like are also included in the category of electric equipment. Examples of the mobile body include an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV) having both an internal combustion engine and an electric motor, and a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
, Tracked vehicles that changed these tire wheels into endless tracks, motorbikes including electric assist bicycles, motorcycles, electric wheelchairs, golf carts, small or large ships, submarines, helicopters, aircrafts, rockets, satellites, Examples include space probes, planetary probes, and spacecraft.
Specific examples of these electric devices are shown in FIGS.
図13(A)は、表示部を有するテーブル9000を示している。テーブル9000は、
筐体9001に表示部9003が組み込まれており、表示部9003により映像を表示す
ることが可能である。なお、4本の脚部9002により筐体9001を支持した構成を示
している。また、電力供給のための電源コード9005を筐体9001に有している。先
の実施の形態に示した多階層の半導体装置は、表示部9003の駆動回路等に適用するが
できる。
FIG. 13A illustrates a table 9000 having a display portion. Table 9000
A
表示部9003は、タッチ入力機能を有しており、テーブル9000の表示部9003に
表示された表示ボタン9004を指等で触れることで、画面操作や、情報を入力すること
ができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操
作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、イメージセン
サ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部9003にタッチ入力機能を持たせること
ができる。
The
また、筐体9001に設けられたヒンジによって、表示部9003の画面を床に対して垂
直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大
きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに
表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
Further, the hinge of the
図13(B)は、携帯音楽プレーヤであり、本体3021には表示部3023と、耳に装
着するための固定部3022と、スピーカ、操作ボタン3024、外部メモリスロット3
025等が設けられている。先の実施の形態に示した多階層の半導体装置は、本体302
1に内蔵されているメモリやCPU等に適用するができる。
FIG. 13B shows a portable music player. The
025 etc. are provided. The multi-level semiconductor device described in the above embodiment includes a main body 302.
1 can be applied to a memory, a CPU, and the like built in 1.
さらに、図13(B)に示す携帯音楽プレーヤにアンテナやマイク機能や無線機能を持た
せ、携帯電話と連携させれば、乗用車等を運転しながらワイヤレスによるハンズフリーで
の会話も可能である。
Further, if the portable music player shown in FIG. 13B has an antenna, a microphone function, and a wireless function and is linked to a mobile phone, wireless hands-free conversation is possible while driving a passenger car or the like.
図13(C)はコンピュータであり、CPUを含む本体9201、筐体9202、表示部
9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス92
06等を含む。コンピュータは、先の実施の形態に示した多階層の半導体装置は、CPU
等に用いることにより作製される。あるいは、本体9201に含まれるメモリ等に、先の
実施の形態に示した多階層の半導体装置を適用することができる。
FIG. 13C illustrates a computer, which includes a
Including 06. The computer is a CPU of the multi-layer semiconductor device described in the above embodiment.
It is produced by using for etc. Alternatively, the multilevel semiconductor device described in the above embodiment can be applied to a memory or the like included in the
図14(A)及び図14(B)は2つ折り可能なタブレット型端末である。図14(A)
は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、表示部9631a、表示部
9631b、表示モード切り替えスイッチ9034、電源スイッチ9035、省電力モー
ド切り替えスイッチ9036、留め具9033、操作スイッチ9038、を有する。
14A and 14B illustrate a tablet terminal that can be folded. FIG. 14 (A)
Is an open state, and the tablet terminal includes a
図14(A)及び図14(B)に示すような携帯機器においては、画像データの一時記憶
等にメモリとしてSRAMまたはDRAMが使用されている。当該メモリに、先の実施の
形態に示した多階層の半導体装置を適用することができる。
In portable devices as shown in FIGS. 14A and 14B, SRAM or DRAM is used as a memory for temporary storage of image data or the like. The multilevel semiconductor device described in any of the above embodiments can be applied to the memory.
また、表示部9631aは、一部をタッチパネルの領域9632aとすることができ、表
示された操作キー9638にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部
9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分
の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部
9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としてもよい。例えば、表示
部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631b
を表示画面として用いることができる。
Part of the
Can be used as a display screen.
また、表示部9631bにおいても表示部9631aと同様に、表示部9631bの一部
をタッチパネルの領域9632bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード
表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラス等でふれることで表
示部9631bにキーボードボタン表示することができる。
Further, in the
また、タッチパネルの領域9632aとタッチパネルの領域9632bに対して同時にタ
ッチ入力することもできる。
Touch input can be performed simultaneously on the
また、表示モード切り替えスイッチ9034は、縦表示又は横表示等の表示の向きを切り
替え、白黒表示やカラー表示の切り替え等を選択できる。省電力モード切り替えスイッチ
9036は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量
に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけ
でなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサ等の他の検出装置を内蔵させ
てもよい。
A display
また、図14(A)では表示部9631bと表示部9631aの表示面積が同じ例を示し
ているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示
の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネル
としてもよい。
FIG. 14A shows an example in which the display areas of the
図14(B)は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、太陽電池96
33、充放電制御回路9634、バッテリ9635、DCDCコンバータ9636を有す
る。なお、図14(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリ9635、D
CDCコンバータ9636を有する構成について示している。
FIG. 14B illustrates a closed state, in which the tablet terminal includes a
33, a charge /
A structure including the
なお、タブレット型端末は2つ折り可能なため、未使用時に筐体9630を閉じた状態に
することができる。従って、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、耐
久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
Note that since the tablet terminal can be folded in two, the
また、この他にも図14(A)及び図14(B)に示したタブレット型端末は、様々な情
報(静止画、動画、テキスト画像等)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻等を表
示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機
能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することが
できる。
In addition, the tablet terminal shown in FIGS. 14A and 14B has a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.), a calendar, a date or a time. A function for displaying on the display unit, a touch input function for performing touch input operation or editing of information displayed on the display unit, a function for controlling processing by various software (programs), and the like can be provided.
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池9633によって、電力をタッチパネル、
表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐
体9630の一面又は二面に効率的なバッテリ9635の充電を行う構成とすることがで
きるため好適である。なおバッテリ9635としては、リチウム二次電池を用いると、小
型化を図れる等の利点がある。
The
It can be supplied to a display unit, a video signal processing unit, or the like. Note that the
また、図14(B)に示す充放電制御回路9634の構成、及び動作について図14(C
)にブロック図を示し説明する。図14(C)には、太陽電池9633、バッテリ963
5、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、表
示部9631について示しており、バッテリ9635、DCDCコンバータ9636、コ
ンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3が、図14(B)に示す充放電制御回路9
634に対応する箇所となる。
FIG. 14C illustrates the structure and operation of the charge and
) Will be described with reference to a block diagram. FIG. 14C illustrates a
5 shows a
This corresponds to 634.
まず外光により太陽電池9633により発電がされる場合の動作の例について説明する。
太陽電池で発電した電力は、バッテリ9635を充電するための電圧となるようDCDC
コンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽電
池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ963
7で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部963
1での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリ9635
の充電を行う構成とすればよい。
First, an example of operation in the case where power is generated by the
The DCDC is used so that the power generated by the solar battery becomes a voltage for charging the
The
7, the voltage required for the display portion 9631 is increased or decreased. In addition, the display portion 963
When the display at 1 is not performed, SW1 is turned off, SW2 is turned on, and the
The configuration may be such that charging is performed.
なお太陽電池9633については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧
電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)等の他の発電手段によるバッテ
リ9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受信し
て充電する無接点電力電送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成とし
てもよい。
Note that the
図15(A)において、テレビジョン装置8000は、筐体8001に表示部8002が
組み込まれており、表示部8002により映像を表示し、スピーカ部8003から音声を
出力することが可能である。先の実施の形態に示した多階層の半導体装置を、情報通信を
行うためのCPUやメモリに適用することが可能である。図15(A)では、先の実施の
形態に示した多階層の半導体装置をCPU8004に適用する例を示している。
In FIG. 15A, a
表示部8002は、液晶表示装置、有機EL素子等の発光素子を各画素に備えた発光装置
、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Device
)、PDP(Plasma Display Panel)等の、半導体表示装置を用い
ることができる。
The
), A PDP (Plasma Display Panel), or the like can be used.
テレビジョン装置8000は、受信機やモデム等を備えていてもよい。テレビジョン装置
8000は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介
して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受
信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士等)の情報通信を行うこと
も可能である。
The
図15(A)において、室内機8200及び室外機8204を有するエアコンディショナ
ーは、先の実施の形態に示したCPUを用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機
8200は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図15(A)
において、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、
CPU8203は室外機8204に設けられていてもよい。あるいは、室内機8200と
室外機8204の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。先の実施の形態に示
したCPUは、酸化物半導体を用いたCPUであるため、耐熱性に優れており、信頼性の
高いエアコンディショナーを実現できる。
In FIG. 15A, an air conditioner including an
, The case where the
The
図15(A)において、電気冷凍冷蔵庫8300は、酸化物半導体を用いたCPUを備え
る電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室
用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図15(A)では、C
PU8304が、筐体8301の内部に設けられている。
In FIG. 15A, an electric refrigerator-
A
図15(B)において、電気機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車970
0には、二次電池9701が搭載されている。二次電池9701の電力は、制御回路97
02により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回路9702は、図
示しないROM、RAM、CPU等を有する処理装置9704によって制御される。先の
実施の形態に示したCPUを電気自動車9700のCPUに用いることができる。
FIG. 15B illustrates an example of an electric vehicle which is an example of an electric device. Electric vehicle 970
In 0, a
The output is adjusted by 02 and supplied to the
駆動装置9703は、直流電動機若しくは交流電動機単体、又は電動機と内燃機関と、を
組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報
(加速、減速、停止等)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷
情報等)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路970
2は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エネル
ギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、
図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
The
2 controls the output of the
Although not shown, an inverter that converts direct current into alternating current is also incorporated.
以上、本実施の形態に示す構成、方法等は、他の実施の形態に示す構成、方法等を適宜組
み合わせて用いることができる。
As described above, the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.
図10(A)及び図10(B)に、チャネル長が長い酸化物半導体トランジスタ及びチャ
ネル長の短い酸化物半導体トランジスタにおいて、ゲート電極に印加されるゲート電位V
g及びドレイン電流Idとの関係(以下「Vg−Id特性」という)を示す。
10A and 10B illustrate a gate potential V applied to a gate electrode in an oxide semiconductor transistor with a long channel length and an oxide semiconductor transistor with a short channel length.
The relationship between g and drain current Id (hereinafter referred to as “Vg-Id characteristics”) is shown.
図10(A)は、チャネル長9.9μm、チャネル形成領域の幅(チャネル幅)10μm
の酸化物半導体トランジスタのVg−Id特性を示している。一方、図10(B)は、チ
ャネル長0.25μm、チャネル幅10μmの酸化物半導体トランジスタのVg−Id特
性を示している。
FIG. 10A shows a channel length of 9.9 μm and a channel formation region width (channel width) of 10 μm.
The Vg-Id characteristic of the oxide semiconductor transistor is shown. On the other hand, FIG. 10B illustrates Vg-Id characteristics of an oxide semiconductor transistor having a channel length of 0.25 μm and a channel width of 10 μm.
図10(A)で用いた、チャネル長が長い(9.9μm)酸化物半導体トランジスタは、
ゲート電位Vgが0Vの時オフ状態であるノーマリオフのトランジスタである。一方、図
10(B)で用いた、チャネル長が短い(0.25μm)酸化物半導体トランジスタは、
ゲート電位Vgが0Vの時オン状態であるノーマリオンのトランジスタとなる。このよう
に、チャネル長が短くなるほど、しきい値電圧が低くなる。
The oxide semiconductor transistor having a long channel length (9.9 μm) used in FIG.
This is a normally-off transistor that is off when the gate potential Vg is 0V. On the other hand, the oxide semiconductor transistor with a short channel length (0.25 μm) used in FIG.
When the gate potential Vg is 0 V, the transistor is a normally-on transistor that is on. Thus, the threshold voltage decreases as the channel length decreases.
以上本実施例により、チャネル長の短いトランジスタは、より低いしきい値電圧を有し、
チャネル長の長いトランジスタは、より高いしきい値電圧を有することが確認された。
As described above, according to this embodiment, a transistor having a short channel length has a lower threshold voltage,
It was confirmed that a transistor having a long channel length has a higher threshold voltage.
100 第1のトランジスタ
101 基板
102 第1の下地絶縁膜
102a 第1の下層下地絶縁膜
102b 第1の上層下地絶縁膜
103 第1の酸化物半導体層
104a 電極
104b 電極
105 第1のゲート絶縁膜
105a 第1の下層ゲート絶縁膜
105b 第1の上層ゲート絶縁膜
106 第1のゲート電極
107 第1の層間絶縁膜
108 第2の層間絶縁膜
109 電極
110 第2のトランジスタ
112 第2の下地絶縁膜
112a 第2の下層下地絶縁膜
112b 第2の上層下地絶縁膜
113 第2の酸化物半導体層
114a 電極
114b 電極
115 第2のゲート絶縁膜
115a 第2の下層ゲート絶縁膜
115b 第2の上層ゲート絶縁膜
116 第2のゲート電極
117 第3の層間絶縁膜
118 第4の層間絶縁膜
120 第1のトランジスタ
121 第1のバックゲート
122 第1のバックゲート
123 第1の酸化物半導体層
124 第1の導電膜
125 第1のトランジスタ
126 第2の導電膜
127 第1のトランジスタ
130 第2のトランジスタ
131 第2のバックゲート
132 第2のバックゲート
133 第2の酸化物半導体層
134 第3の導電膜
135 第2のトランジスタ
136 第4の導電膜
137 第2のトランジスタ
146 第1のゲート電極
149 電極
156 第2のゲート電極
159 電極
600 基板
606 素子分離絶縁層
608 ゲート絶縁膜
610 ゲート電極
616 チャネル形成領域
620 不純物領域
630 絶縁層
652 絶縁層
653 電極
654 配線
660 第3のトランジスタ
664 容量素子
670 第4のトランジスタ
674 配線
684 容量素子
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
3021 本体
3022 固定部
3023 表示部
3024 操作ボタン
3025 外部メモリスロット
8000 テレビジョン装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8004 CPU
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9000 テーブル
9001 筐体
9002 脚部
9003 表示部
9004 表示ボタン
9005 電源コード
9033 留め具
9034 表示モード切り替えスイッチ
9035 電源スイッチ
9036 省電力モード切り替えスイッチ
9038 操作スイッチ
9201 本体
9202 筐体
9203 表示部
9204 キーボード
9205 外部接続ポート
9206 ポインティングデバイス
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリ
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 キーボード表示切り替えボタン
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
9800 PLD
9801 論理ブロック
9802 SRAM
9804 配線
9805 スイッチ
9806 LUT
9807 フリップフロップ
9808 セレクタ
100 First transistor 101 Substrate 102 First base insulating film 102a First lower base insulating film 102b First upper base insulating film 103 First oxide semiconductor layer 104a Electrode 104b Electrode 105 First gate insulating film 105a First lower gate insulating film 105b First upper gate insulating film 106 First gate electrode 107 First interlayer insulating film 108 Second interlayer insulating film 109 Electrode 110 Second transistor 112 Second base insulating film 112a Second lower base insulating film 112b Second upper base insulating film 113 Second oxide semiconductor layer 114a Electrode 114b Electrode 115 Second gate insulating film 115a Second lower gate insulating film 115b Second upper gate insulating film 116 Second gate electrode 117 Third interlayer insulating film 118 Fourth interlayer insulating film 120 First transistor 121 1st back gate 122 1st back gate 123 1st oxide semiconductor layer 124 1st conductive film 125 1st transistor 126 2nd conductive film 127 1st transistor 130 2nd transistor 131 2nd Back gate 132 Second back gate 133 Second oxide semiconductor layer 134 Third conductive film 135 Second transistor 136 Fourth conductive film 137 Second transistor 146 First gate electrode 149 Electrode 156 Second Gate electrode 159 electrode 600 substrate 606 element isolation insulating layer 608 gate insulating film 610 gate electrode 616 channel formation region 620 impurity region 630 insulating layer 652 insulating layer 653 electrode 654 wiring 660 third transistor 664 capacitor 670 fourth transistor 674 Wiring 684 Capacitor element 114 Switching elements 1142 memory cells 1143 memory cell group 1189 ROM interface 1190 substrate 1191 ALU
1192
3021
8200
8204
9000 Table 9001
9801
9804 Wiring 9805
9807 Flip-
Claims (1)
前記第1のソース電極上及び第1のドレイン電極上の第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上の第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第2の酸化物半導体層と、
前記第2の酸化物半導体層上の第2のソース電極及び第2のドレイン電極と、
前記第2のソース電極上及び前記第2のドレイン電極上の第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上の第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第1の電極、第2の電極、及び第3の電極と、を有し、
前記第2の酸化物半導体層は、前記第1の酸化物半導体層とは重ならず、
前記第1の電極は、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、前記第3の絶縁膜及び前記第4の絶縁膜が有する第1開口部を介して、前記第1のゲート電極と接続され、
前記第1開口部は、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、前記第3の絶縁膜及び前記第4の絶縁膜に設けられ、
前記第2の電極は、第2開口部を介して、前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極の一方と接続され、
前記第2開口部は、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、前記第3の絶縁膜及び前記第4の絶縁膜に設けられ、
前記第3の電極は、第3開口部を介して、前記第2のソース電極及び前記第2のドレイン電極の一方と接続され、
前記第3開口部は、第3の絶縁膜及び前記第4の絶縁膜に設けられ、
前記第1の電極、前記第2の電極及び前記第3の電極は、それぞれ、前記第1の酸化物半導体層を有する第1のトランジスタのチャネル幅方向に延びており、
前記第1の電極、前記第2の電極及び前記第3の電極は、それぞれ、前記第2の酸化物半導体層を有する第2のトランジスタのチャネル幅方向に延びており、
前記第2開口部と前記第3開口部を結ぶ線は、前記第1のトランジスタのチャネル幅方向に延びており、
前記第2開口部及び前記第3開口部のそれぞれは、前記第1の酸化物半導体層及び前記第2の酸化物半導体層とは重ならず、
上面からみた場合において、前記第2開口部と前記第3開口部を結ぶ線は、前記第1の酸化物半導体層と前記第2の酸化物半導体層との間に位置し、
前記第1のトランジスタのチャネル長は、前記第2のトランジスタのチャネル長よりも短いことを特徴とする半導体装置。 A first source electrode and a first drain electrode on the first oxide semiconductor layer;
A first gate insulating film on the first source electrode and the first drain electrode;
A first gate electrode on the first gate insulating film;
A first insulating film on the first gate electrode;
A second insulating film on the first insulating film;
A second oxide semiconductor layer on the second insulating film;
A second source electrode and a second drain electrode on the second oxide semiconductor layer;
A second gate insulating film on the second source electrode and on the second drain electrode;
A second gate electrode on the second gate insulating film;
A third insulating film on the second gate electrode;
A fourth insulating film on the third insulating film;
A first electrode, a second electrode, and a third electrode on the fourth insulating film;
The second oxide semiconductor layer does not overlap with the first oxide semiconductor layer,
The first electrode is connected to the first gate electrode through a first opening of the first insulating film, the second insulating film, the third insulating film, and the fourth insulating film. Connected with
The first opening is provided in the first insulating film, the second insulating film, the third insulating film, and the fourth insulating film,
The second electrode is connected to one of the first source electrode and the first drain electrode through a second opening,
The second opening is provided in the first insulating film, the second insulating film, the third insulating film, and the fourth insulating film,
The third electrode is connected to one of the second source electrode and the second drain electrode through a third opening,
The third opening is provided in the third insulating film and the fourth insulating film,
The first electrode, the second electrode, and the third electrode each extend in the channel width direction of the first transistor having the first oxide semiconductor layer,
The first electrode, the second electrode, and the third electrode each extend in the channel width direction of the second transistor having the second oxide semiconductor layer,
A line connecting the second opening and the third opening extends in the channel width direction of the first transistor,
Each of the second opening and the third opening does not overlap with the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer,
When viewed from above, a line connecting the second opening and the third opening is located between the first oxide semiconductor layer and the second oxide semiconductor layer,
The semiconductor device is characterized in that the channel length of the first transistor is shorter than the channel length of the second transistor.
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