JP7093673B2 - Semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュール、および電子機器に関する。 One aspect of the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device. Alternatively, one aspect of the invention relates to semiconductor wafers, modules, and electronic devices.
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置(液晶表示装置、発光表示装置など)、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics. A semiconductor circuit, an arithmetic unit, and a storage device, including a semiconductor element such as a transistor, are one aspect of a semiconductor device. Display devices (liquid crystal display devices, light emission display devices, etc.), projection devices, lighting devices, electro-optical devices, power storage devices, storage devices, semiconductor circuits, image pickup devices, electronic devices, etc. may be said to have semiconductor devices. ..
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。 It should be noted that one aspect of the present invention is not limited to the above technical fields. One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter).
近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタおよびメモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。 In recent years, the development of semiconductor devices has been promoted, and LSIs, CPUs, and memories are mainly used. A CPU is an aggregate of semiconductor elements having a semiconductor integrated circuit (at least a transistor and a memory) separated from a semiconductor wafer and having electrodes as connection terminals formed therein.
LSIやCPUやメモリなどの半導体回路(ICチップ)は、回路基板、例えば、プリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。 Semiconductor circuits (IC chips) such as LSIs, CPUs, and memories are mounted on circuit boards, for example, printed wiring boards, and are used as one of various electronic device components.
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する。)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 Further, a technique for forming a transistor by using a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface is attracting attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also referred to simply as display devices). Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。 Further, it is known that a transistor using an oxide semiconductor has an extremely small leakage current in a non-conducting state. For example, a low power consumption CPU that applies the characteristic that the leakage current of a transistor using an oxide semiconductor is low is disclosed (see Patent Document 1).
また、酸化物半導体を用いたトランジスタで、ゲート電極を開口部に埋め込んで作製する方法などが開示されている(特許文献2参照。)。 Further, a method of manufacturing a transistor using an oxide semiconductor by embedding a gate electrode in an opening is disclosed (see Patent Document 2).
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。 Further, in recent years, with the miniaturization and weight reduction of electronic devices, there is an increasing demand for integrated circuits in which transistors and the like are integrated at high density. Further, it is required to improve the productivity of semiconductor devices including integrated circuits.
本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、良好な周波数特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。 One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good frequency characteristics. One of the problems of one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good reliability. One aspect of the present invention is to provide a highly productive semiconductor device.
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。 One of the problems of one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device capable of retaining data for a long period of time. One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having a high information writing speed. One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having a high degree of freedom in design. One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing power consumption. One aspect of the present invention is to provide a novel semiconductor device.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 The description of these issues does not preclude the existence of other issues. It should be noted that one aspect of the present invention does not need to solve all of these problems. Issues other than these are self-evident from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract problems other than these from the description of the specification, drawings, claims, etc. Is.
本発明の一態様は、酸化物と、酸化物上に、お互いに離間して設けられた第1の導電体、および第2の導電体と、酸化物上、かつ第1の導電体と第2の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第3の導電体と、第3の導電体上の第1の絶縁体と、酸化物と、第3の導電体の間に配置され、第3の導電体の側面を覆い、かつ、第1の絶縁体の側面と接するように配置された第2の絶縁体と、第1の絶縁体、および第2の絶縁体上の、第1の開口、および第2の開口を有する第3の絶縁体と、第1の開口を介して第1の導電体と電気的に接続する第4の導電体と、第2の開口を介して第2の導電体と電気的に接続する第5の導電体と、を有し、第1の開口、および第2の開口の少なくとも一方は、第1の絶縁体、および第2の絶縁体の少なくとも一方と重畳する領域を有する半導体装置である。 One aspect of the present invention is an oxide, a first conductor provided on the oxide at a distance from each other, a second conductor, a first conductor on the oxide, and a first conductor. A third conductor having a region overlapping the region between the two conductors, a first insulator on the third conductor, an oxide, and a third conductor. The first on the second insulator, the first insulator, and the second insulator, which are arranged so as to cover the side surface of the third conductor and in contact with the side surface of the first insulator. And a third insulator having a second opening, a fourth conductor that electrically connects to the first conductor through the first opening, and a second through the second opening. It has a fifth conductor that electrically connects to the second conductor, and at least one of the first opening and the second opening is the first insulator and at least one of the second insulators. It is a semiconductor device having a region that overlaps with one of them.
上記において、第1の絶縁体、および第2の絶縁体は、それぞれ金属および酸素を含み、第3の絶縁体は、シリコンと酸素を含むことが好ましい。 In the above, it is preferable that the first insulator and the second insulator contain metal and oxygen, respectively, and the third insulator contains silicon and oxygen, respectively.
上記において、半導体装置は、第1の導電体の上面、および側面、第2の導電体の上面、および側面、並びに酸化物の側面を覆う第4の絶縁体と、第4の絶縁体と第3の絶縁体の間の第5の絶縁体を有してもよい。 In the above, the semiconductor device includes a fourth insulator covering the upper surface and side surface of the first conductor, the upper surface and side surface of the second conductor, and the side surface of the oxide, and the fourth insulator and the fourth insulator. It may have a fifth insulator between the three insulators.
上記において、第4の絶縁体は、金属および酸素を含み、第5の絶縁体は、シリコンと酸素を含むことが好ましい。 In the above, it is preferable that the fourth insulator contains metal and oxygen, and the fifth insulator contains silicon and oxygen.
上記において、第1の絶縁体上に、第6の絶縁体を有していてもよく、第6の絶縁体は、シリコンを含む窒化物であることが好ましい。 In the above, the sixth insulator may be provided on the first insulator, and the sixth insulator is preferably a nitride containing silicon.
本発明の一態様は、酸化物と、酸化物上に、お互いに離間して設けられた第1の導電体、第2の導電体、および第1の導電体と第2の導電体の間に設けられた第3の導電体と、酸化物上、かつ第1の導電体と第3の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第4の導電体と、第4の導電体上の第1の絶縁体と、酸化物と、第4の導電体の間に配置され、第4の導電体の側面を覆い、かつ、第1の絶縁体の側面と接するように配置された第2の絶縁体と、酸化物上、かつ第2の導電体と第3の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第5の導電体と、第5の導電体上の第3の絶縁体と、酸化物と、第5の導電体の間に配置され、第5の導電体の側面を覆い、かつ、第3の絶縁体の側面と接するように配置された第4の絶縁体と、第1の絶縁体、第2の絶縁体、第3の絶縁体、および第4の絶縁体上の、開口を有する第5の絶縁体と、開口を介して第3の導電体と電気的に接続する第6の導電体と、を有し、開口は、第1の絶縁体、第2の絶縁体、第3の絶縁体、および第4の絶縁体の少なくとも一と重畳する領域を有する半導体装置である。 One aspect of the present invention is an oxide, a first conductor provided on the oxide at a distance from each other, a second conductor, and between the first conductor and the second conductor. On a third conductor provided in, a fourth conductor having a region on the oxide and overlapping with a region between the first conductor and the third conductor, and on the fourth conductor. First insulator, oxide, and fourth conductor, which are arranged so as to cover the side surface of the fourth conductor and to be in contact with the side surface of the first insulator. A third insulation on the second conductor, a fifth conductor having a region on the oxide and overlapping the region between the second conductor and the third conductor, and a third conductor on the fifth conductor. A fourth insulator arranged between the body, the oxide, and the fifth conductor, covering the side surface of the fifth conductor and in contact with the side surface of the third insulator. , A fifth insulator with an opening on a first insulator, a second insulator, a third insulator, and a fourth insulator, and an electrical conductor and a third conductor through the opening. With a sixth conductor connected to, the opening has a region that overlaps with at least one of the first, second, third, and fourth insulators. It is a semiconductor device.
上記において、第1の絶縁体、第2の絶縁体、第3の絶縁体、および第4の絶縁体は、それぞれ金属および酸素を含み、第5の絶縁体は、シリコンと酸素を含むことが好ましい。 In the above, the first insulator, the second insulator, the third insulator, and the fourth insulator may contain metal and oxygen, respectively, and the fifth insulator may contain silicon and oxygen. preferable.
上記において、半導体装置は、第1の導電体の上面、および側面、第2の導電体の上面、および側面、第3の導電体の上面、および側面、並びに酸化物の側面を覆う第6の絶縁体と、第6の絶縁体と第5の絶縁体の間の第7の絶縁体とを有してもよい。 In the above, the semiconductor device covers the upper surface and side surface of the first conductor, the upper surface and side surface of the second conductor, the upper surface and side surface of the third conductor, and the side surface of the oxide. It may have an insulator and a seventh insulator between the sixth insulator and the fifth insulator.
上記において、第6の絶縁体は、金属および酸素を含み、第7の絶縁体は、シリコンと酸素を含むことが好ましい。 In the above, it is preferable that the sixth insulator contains metal and oxygen, and the seventh insulator contains silicon and oxygen.
上記において、第1の絶縁体上に、第8の絶縁体を有し、第3の絶縁体上に、第9の絶縁体を有し、第8の絶縁体、および第9の絶縁体は、それぞれシリコンを含む窒化物であることが好ましい。 In the above, the eighth insulator is on the first insulator, the ninth insulator is on the third insulator, the eighth insulator, and the ninth insulator are. , Each is preferably a nitride containing silicon.
上記において、金属は、アルミニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、タングステン、チタン、タンタル、およびニッケルから選ばれた一であることが好ましい。 In the above, the metal is preferably one selected from aluminum, hafnium, magnesium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, tungsten, titanium, tantalum, and nickel.
上記において、酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znとを有することが好ましい。 In the above, the oxide preferably contains In, the element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、良好な周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。本発明により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. According to one aspect of the present invention, a semiconductor device having good electrical characteristics can be provided. According to one aspect of the present invention, a semiconductor device having good frequency characteristics can be provided. INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good reliability. According to one aspect of the present invention, a highly productive semiconductor device can be provided.
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。 Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device capable of retaining data for a long period of time. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device having a high data writing speed. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device having a high degree of freedom in design. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device capable of suppressing power consumption. Alternatively, a new semiconductor device can be provided.
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 The description of these effects does not preclude the existence of other effects. It should be noted that one aspect of the present invention does not have to have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are self-evident from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the effects other than these from the description of the description, drawings, claims, etc. Is.
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that embodiments can be implemented in many different embodiments and that the embodiments and details can be varied in various ways without departing from the spirit and scope thereof. To. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Also, in the drawings, the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, layers, resist masks, and the like may be unintentionally reduced due to processing such as etching, but they may be omitted for ease of understanding. Further, in the drawings, the same reference numerals may be used in common between different drawings for the same parts or parts having similar functions, and the repeated description thereof may be omitted. Further, when referring to the same function, the hatch pattern may be the same and no particular reference numeral may be added.
また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。 Further, in order to facilitate understanding of the invention, in particular, in a top view (also referred to as a “plan view”) or a perspective view, the description of some components may be omitted. In addition, some hidden lines may be omitted.
また、本明細書等において、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 Further, in the present specification and the like, the ordinal numbers attached as the first, second, etc. are used for convenience, and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, the "first" can be appropriately replaced with the "second" or "third" for explanation. In addition, the ordinal numbers described in the present specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one aspect of the present invention.
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 Further, in the present specification and the like, words and phrases indicating arrangements such as "above" and "below" are used for convenience in order to explain the positional relationship between the configurations with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the configurations changes appropriately depending on the direction in which each configuration is depicted. Therefore, it is not limited to the words and phrases explained in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.
例えば、本明細書等において、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 For example, in the present specification and the like, when it is explicitly stated that X and Y are directly connected and that X and Y are connected, X and Y are electric. It is assumed that the case where X and Y are functionally connected and the case where X and Y are functionally connected are disclosed in the present specification and the like. Therefore, it is not limited to the predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and other than the connection relationship shown in the figure or text, it is assumed that the connection relationship is also described in the figure or text.
ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, it is assumed that X and Y are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。 Further, the functions of the source and the drain may be switched when transistors having different polarities are adopted or when the direction of the current changes in the circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain may be used interchangeably.
なお、本明細書などにおいて、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 In the present specification and the like, depending on the structure of the transistor, the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter, also referred to as “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor. (Hereinafter, also referred to as "apparent channel width") and may be different. For example, when the gate electrode covers the side surface of the semiconductor, the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence thereof may not be negligible. For example, in a transistor that is fine and has a gate electrode covering the side surface of the semiconductor, the ratio of the channel forming region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 In such a case, it may be difficult to estimate the effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, if the shape of the semiconductor is not known accurately, it is difficult to accurately measure the effective channel width.
また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、などは、断面TEM像などを解析することなどによって、値を決定することができる。 Further, in the present specification, when simply described as a channel width, it may refer to an apparent channel width. Alternatively, in the present specification, the term "channel width" may refer to an effective channel width. The values of the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, etc. can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のDOS(Density of States)が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。 The semiconductor impurities are, for example, other than the main components constituting the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity. The inclusion of impurities may result in, for example, an increase in DOS (Density of States) of the semiconductor, a decrease in crystallinity, and the like. When the semiconductor is an oxide semiconductor, the impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example, Group 1 element, Group 2 element, Group 13 element, Group 14 element, Group 15 element, and oxide semiconductor. There are transition metals other than the main components of the above, such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. In the case of oxide semiconductors, water may also function as an impurity. Further, in the case of an oxide semiconductor, oxygen deficiency may be formed, for example, by mixing impurities. When the semiconductor is silicon, the impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example, Group 1 elements excluding oxygen and hydrogen, Group 2 elements, Group 13 elements, Group 15 elements and the like.
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。 In the present specification and the like, silicon oxide has a higher oxygen content than nitrogen as its composition. Further, silicon nitride oxide has a higher nitrogen content than oxygen in its composition.
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が-10度以上10度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、-5度以上5度以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が-30度以上30度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80度以上100度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85度以上95度以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60度以上120度以下の角度で配置されている状態をいう。 Further, in the present specification and the like, "parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10 degrees or more and 10 degrees or less. Therefore, the case of -5 degrees or more and 5 degrees or less is also included. Further, "substantially parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30 degrees or more and 30 degrees or less. Further, "vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 degrees or more and 100 degrees or less. Therefore, the case of 85 degrees or more and 95 degrees or less is also included. Further, "substantially vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 degrees or more and 120 degrees or less.
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。 In the present specification, the barrier membrane is a membrane having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, and when the barrier membrane has conductivity, it is referred to as a conductive barrier membrane. There is.
本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む。)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう。)などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、OS FETあるいはOSトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。 In the present specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad expression. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as Oxide Semiconductor or simply OS) and the like. For example, when a metal oxide is used for the semiconductor layer of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when it is described as an OS FET or an OS transistor, it can be rephrased as a transistor having an oxide or an oxide semiconductor.
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅1μmあたりの電流が、室温において1×10-20A以下、85℃において1×10-18A以下、または125℃において1×10-16A以下であることをいう。 Further, in the present specification and the like, normally off means that when a potential is not applied to the gate or a ground potential is applied to the gate, the current per 1 μm of the channel width flowing through the transistor is 1 × 10 -20 at room temperature. A or less, 1 × 10 -18 A or less at 85 ° C, or 1 × 10 -16 A or less at 125 ° C.
(実施の形態1)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an example of a semiconductor device having the
<半導体装置の構成例>
図1(A)、図1(B)、および図1(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。
<Semiconductor device configuration example>
1 (A), 1 (B), and 1 (C) are a top view and a cross-sectional view of the
図1(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図1(B)、および図1(C)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図1(B)は、図1(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図1(C)は、図1(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
FIG. 1A is a top view of a semiconductor device having a
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200と、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、および絶縁体281を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、配線として機能する導電体203(導電体203a、および導電体203b)、およびプラグとして機能する導電体240(導電体240a、導電体240b、および導電体240c)とを有する。
The semiconductor device of one aspect of the present invention includes a
なお、トランジスタ200は、一つの半導体層にトランジスタ200a、およびトランジスタ200bを有している。また、トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方は、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方と共有している。このため、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bをそれぞれ形成する場合に比べ、トランジスタ200に接続するプラグなどの数を削減でき、また、トランジスタ200の面積を小さくすることができる。ここで、本実施の形態では、トランジスタ200の詳細な説明として、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの一方を中心に説明する場合があるが、特段の説明が無い限り、トランジスタ200aとトランジスタ200bは同様の構成を有しているため、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの他方の説明は省略する。また、本明細書において、トランジスタ200は、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bの一方、または両方を指す場合がある。
The
なお、導電体203は、絶縁体212の開口の内壁に接して導電体203aが形成され、さらに内側に導電体203bが形成されている。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体203aおよび導電体203bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
The
また、導電体240は、絶縁体280、および絶縁体281の開口内において、絶縁体241を介して、該開口の内壁に接して設けられる。絶縁体241に接して、導電体240の第1の導電体が形成され、さらに内側に導電体240の第2の導電体が形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体281の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体240の第1の導電体および導電体240の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
Further, the
[トランジスタ200]
図1に示すように、トランジスタ200は、基板(図示しない。)の上に配置された絶縁体214と、絶縁体214の上に配置された絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205(導電体205a、および導電体205b)と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230aと、酸化物230aの上に配置された酸化物230bと、酸化物230bの上に配置された導電体242(導電体242a、導電体242b、および導電体242c)と、絶縁体224、酸化物230a、酸化物230b、および導電体242を覆う絶縁体244と、絶縁体244の上に配置され、開口部を有する絶縁体280と、該開口部内で酸化物230bの上面、および側面と、酸化物230aの側面と、導電体242の側面と、絶縁体244の側面と、絶縁体280の側面と、に接するように設けられた酸化物230cと、酸化物230cの内側に設けられた絶縁体250aと、絶縁体250aの内側に設けられた絶縁体250bと、絶縁体250bの内側に設けられた導電体260aと、導電体260aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体260bと、絶縁体250bの内側に接し、かつ導電体260a、および導電体260b上に設けられた絶縁体272と、絶縁体272の内側に設けられた絶縁体273と、を有する。
[Transistor 200]
As shown in FIG. 1, the
なお、絶縁体280、酸化物230c、絶縁体250a、絶縁体250b、絶縁体272、および絶縁体273上に絶縁体281が設けられ、絶縁体281、絶縁体280、および絶縁体244に開口が設けられ、該開口内部において、酸化物230cの上面、および側面、絶縁体250aの上面、絶縁体250bの上面、および絶縁体272の上面、または側面が露出し、該開口の側面には、絶縁体241が設けられ、絶縁体241が設けられた該開口の内部に、導電体240が設けられる。
なお、トランジスタ200では、チャネルが形成される領域(以下、チャネル形成領域ともいう。)と、その近傍において、酸化物230が、酸化物230a、および酸化物230b、および酸化物230cの3層の積層構造を有する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230は、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を有する構成にしてもよい。また、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cがそれぞれ2層以上の積層構造を有していてもよい。図2は、トランジスタ200aのチャネル形成領域近傍の拡大図である。図2では、酸化物230cが酸化物230c1、および酸化物230c1上の酸化物230c2の2層からなる積層構造を有する例を示す。なお、図2では、トランジスタ200aの拡大図のみ示しているが、トランジスタ200bにおいても同様の構成となる。また、トランジスタ200では、導電体260を導電体260a、および導電体260bの2層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体260が、単層構造でも、3層以上の積層構造であってもよい。
In the
ここで、導電体260は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体242a、導電体242b、および導電体242cは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体260は、絶縁体280の開口、および導電体242aと導電体242cに挟まれた領域、または導電体242bと導電体242cに挟まれた領域に、酸化物230cや、絶縁体250などを介して、埋め込まれるように形成される。ここで、導電体260、導電体242a、導電体242b、および導電体242cの配置は、絶縁体280の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ200において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体260を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ200の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
Here, the
さらに、導電体260が、導電体242aと導電体242cの間の領域、または導電体242bと導電体242cの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体260は、導電体242a、導電体242b、または導電体242cと重畳する領域を有さない。これにより、導電体260と導電体242a、導電体242b、および導電体242cとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ200のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。
Further, since the
また、トランジスタ200は、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。
Further, the
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200に用いることができる。
Since the
例えば、酸化物230として、In-M-Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物230として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。
For example, as the
ここで、酸化物230は、水素、窒素、または金属元素などの不純物が存在すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。また、酸化物230に含まれる酸素濃度が低下すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。
Here, in the presence of impurities such as hydrogen, nitrogen, and metal elements, the
酸化物230上に接するように設けられ、ソース電極やドレイン電極として機能する導電体242(導電体242a、導電体242b、および導電体242c)が、酸化物230の酸素を吸収する機能を有する場合、または酸化物230に水素、窒素、または金属元素などの不純物を供給する機能を有する場合、酸化物230には、部分的に低抵抗領域として、領域231(領域231a、領域231b、および領域231c)が形成される場合がある。
When the conductor 242 (
絶縁体244は、導電体242の酸化を抑制するために設けられている。よって、導電体242が、耐酸化性材料、または酸素を吸収しても導電性が著しく低下することがない材料の場合は、絶縁体244は必ずしも設ける必要はない。また、絶縁体244が酸化物230a、および酸化物230bの側面を覆って、絶縁体224、あるいは絶縁体222と接することにより、酸化物230a、および酸化物230bへの水素や水などの不純物の混入、および酸化物230a、および酸化物230bからの酸素の放出を抑制することができる。
The
絶縁体250bは、導電体260と、導電体240の接触を防ぐために設けられる。さらに、絶縁体250bは、導電体260の酸化を抑制する機能を有していてもよく、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましい。一方、導電体260が、耐酸化性材料、または酸素を吸収しても導電性が著しく低下することがない場合は、絶縁体250bは導電体260の酸化を抑制する機能を有する必要はない。
The
絶縁体272、および絶縁体273は、導電体242を露出するための開口を形成する際、エッチングストッパとして機能する。絶縁体272、および絶縁体273により、導電体242を露出するための開口を自己整合的に形成し、導電体242と導電体240を電気的に接続することができる。このような構造により形成される開口や、該開口、および導電体の形成方法を、セルフアラインコンタクトと呼ぶ場合がある。
The
図1に示すように、酸化物230上に接するように導電体242が設けられ、酸化物230の、導電体242との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域231(領域231a、領域231b、および領域231c)が形成されている。また、酸化物230は、トランジスタ200のチャネル形成領域として機能する領域234(領域234a、および領域234b)を有する。なお、領域234a、および領域234bは、それぞれトランジスタ200a、およびトランジスタ200bのチャネル形成領域として機能する。
As shown in FIG. 1, a conductor 242 is provided so as to be in contact with the
領域231は、ソース領域またはドレイン領域として機能する。また、領域231は、領域234と比較して、酸素濃度が低い、または水素や、窒素や、金属元素などの不純物を多く含む、ことでキャリア濃度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域231は、領域234と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、領域231よりも、酸素濃度が高い、または不純物濃度が低いため、キャリア密度が低い高抵抗領域である。 Region 231 functions as a source region or a drain region. Further, the region 231 has a lower oxygen concentration than the region 234, or contains a large amount of impurities such as hydrogen, nitrogen, and metal elements, so that the carrier concentration is increased and the resistance is lowered. That is, the region 231 has a higher carrier density and a lower resistance than the region 234. Further, the region 234 functioning as the channel forming region is a high resistance region having a lower carrier density because the oxygen concentration is higher or the impurity concentration is lower than the region 231.
なお、低抵抗領域である領域231が金属元素を含む場合、領域231は、酸化物230に含まれる金属元素の他に、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
When the region 231 which is a low resistance region contains a metal element, the region 231 includes aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, in addition to the metal element contained in the
また、図1(B)では、領域231が、酸化物230bの膜厚方向において、酸化物230bの導電体242との界面近傍に形成されているが、本発明はこれに限らない。例えば、領域231は、酸化物230bの膜厚と概略同じ厚さを有していてもよいし、酸化物230aにも、形成されていてもよい。
Further, in FIG. 1B, the region 231 is formed in the vicinity of the interface of the
また、酸化物230において、各領域の境界を明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
Further, in the
酸化物230を、選択的に低抵抗化するには、導電体242として、例えば、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を含む材料を用いることが好ましい。または、導電体242となる導電膜242Aの形成において、酸化物230に、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などの不純物が注入される材料や成膜方法などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
To selectively reduce the resistance of the
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor using an oxide semiconductor, if impurities and oxygen deficiencies are present in the region where a channel is formed in the oxide semiconductor, the electrical characteristics are liable to fluctuate and the reliability may be deteriorated. Further, if oxygen deficiency is contained in the region where the channel is formed in the oxide semiconductor, the transistor tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that oxygen deficiency in the region 234 where the channel is formed is reduced as much as possible.
トランジスタのノーマリーオン化を抑制するには、酸化物230と近接する絶縁体250が、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含むことが好ましい。絶縁体250が有する酸素は、酸化物230へと拡散し、酸化物230の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
In order to suppress normalization of the transistor, it is preferable that the
つまり、絶縁体250が有する酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。
That is, the oxygen contained in the
また、酸化物230、および絶縁体250が有する酸素の、トランジスタ200より外方への拡散を抑制するために、絶縁体222、絶縁体244、絶縁体273、絶縁体272、絶縁体250bなどが設けられることが好ましい。これら絶縁体として、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム、およびハフニウムの一方を含む酸化物や、シリコンの窒化物などを用いることができる。さらに、これら絶縁膜は、水素、水、窒素、金属元素などの不純物が透過しにくい材料であることが好ましい。このような材料を用いることで、トランジスタ200の外方から、トランジスタ200への不純物の混入を抑制することができる。
Further, in order to suppress the diffusion of oxygen contained in the
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。 Further, since the oxide semiconductor can be formed into a film by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor constituting a highly integrated semiconductor device. Further, since the transistor using the oxide semiconductor in the channel forming region has an extremely small leakage current (off current) in the non-conducting state, it is possible to provide a semiconductor device having low power consumption.
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 From the above, it is possible to provide a semiconductor device having a transistor having a large on-current. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device having a transistor having a small off-current. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
Hereinafter, a detailed configuration of the semiconductor device having the
導電体203は、図1(A)および図1(C)に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体205に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体203は、絶縁体212に埋め込まれて設けることが好ましい。
As shown in FIGS. 1A and 1C, the
導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、導電体203の上に接して設けるとよい。また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。
The
ここで、導電体260は、第1のゲート(トップゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体205は、第2のゲート(ボトムゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電体205に印加する電位を、導電体260に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200のVthを制御することができる。特に、導電体205に負の電位を印加することにより、トランジスタ200のVthを0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体205に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。
Here, the
また、導電体203上に導電体205を設けることで、第1のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体260と、導電体203との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体203と導電体260の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられることで、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減し、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることができる。
Further, by providing the
また、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ200のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体203の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200のチャネル長方向に延伸されてもよい。
Further, by reducing the parasitic capacitance between the
なお、導電体205は、図1(A)に示すように、酸化物230、および導電体260と重なるように配置する。また、導電体205は、酸化物230における領域234よりも、大きく設けるとよい。特に、図1(C)に示すように、導電体205は、酸化物230の領域234のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
As shown in FIG. 1A, the
上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
By having the above configuration, when a potential is applied to the
つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S-channel)構造とよぶ。
That is, the channel forming region of the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the
また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して導電体205aが形成され、さらに内側に導電体205bが形成されている。ここで、導電体205aおよび導電体205bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体205aおよび導電体205bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
Further, the
ここで、導電体205aまたは導電体203aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。
Here, the
導電体205aまたは導電体203aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205bまたは導電体203bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体205aまたは導電体203aとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、トランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。
Since the
また、導電体205bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
Further, as the
また、導電体203bは、配線として機能するため、導電体205bより導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体203bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
Further, since the
特に、導電体203bに、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
In particular, it is preferable to use copper for the
なお、導電体205、絶縁体214、および絶縁体216は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体203の一部が第2のゲート電極として機能することができる。
The
絶縁体210、および絶縁体214は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体210、および絶縁体214は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。
It is preferable that the
例えば、絶縁体210として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体210および絶縁体214よりも基板側からトランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体210および絶縁体214よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。
For example, it is preferable to use aluminum oxide or the like as the
また、導電体203の上に導電体205を積層して設ける構成にすることにより、導電体203と導電体205の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体203の第2の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。
Further, by stacking the
また、層間膜として機能する絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体281は、絶縁体210、または絶縁体214よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
Further, the
例えば、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体281として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化シリコンを積層して用いてもよい。
For example, as
絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体250は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
The
ここで、絶縁体224は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。
Here, as the
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm3、または3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 As the insulator having an excess oxygen region, specifically, it is preferable to use an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating. Oxides that desorb oxygen by heating are those whose oxygen desorption amount in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. An oxide film of 0.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
また、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。
Further, when the
絶縁体222が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が有する酸素は、絶縁体216側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体205が、絶縁体224や、酸化物230が有する酸素と反応することを抑制することができる。
Since the
絶縁体222は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh-k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh-k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
The
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
In particular, it is preferable to use an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the oxygen is difficult to permeate). As the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like. When the
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon nitride or silicon nitride may be laminated and used on the above-mentioned insulator.
なお、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
The
酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。
The
なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
The
また、酸化物230aおよび酸化物230cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物230bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物230aおよび酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。
Further, it is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the
ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
Here, at the junction of the
具体的には、酸化物230aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、または1:1:0.5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230bとして、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、または1:1:1[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230cとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、Ga:Zn=2:1[原子数比]、またはGa:Zn=2:5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、図2に示すように酸化物230cを酸化物230c1と、酸化物230c1上の酸化物230c2 を含む積層構造とする場合の具体例としては、酸化物230c1としてIn:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、酸化物230c2としてIn:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]との積層構造、酸化物230c1としてIn:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、酸化物230c2としてGa:Zn=2:1[原子数比]との積層構造、酸化物230c1としてIn:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、酸化物230c2としてGa:Zn=2:5[原子数比]との積層構造、酸化物230c1としてIn:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、酸化物230c2として酸化ガリウムとの積層構造などが挙げられる。
Specifically, as the
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ200は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物230cを積層構造とした場合、上述の酸化物230bと、酸化物230cとの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、酸化物230cが有する構成元素が、絶縁体250側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物230cを積層構造とし、積層構造の上方にInを含まない、またはInの濃度が低減された酸化物を位置させるため、絶縁体250側に拡散しうるInを抑制することができる。絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能するため、Inが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物230cを積層構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
At this time, the main path of the carrier is the
また、酸化物230cを積層構造とすることで、キャリアの主たる経路は酸化物230bと、酸化物230c1との界面およびその近傍となる場合がある。
Further, by forming the
また、酸化物230c1は、絶縁体280の側面と接するため、絶縁体280に含まれる酸素を酸化物230c1を介してトランジスタ200のチャネル形成領域に供給することができる。また、酸化物230c2として、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましい。上述した材料を用いることで、絶縁体280に含まれる酸素が酸化物230c2を透過して、絶縁体250、または導電体260に吸収されることを抑制でき、効率的にチャネル形成領域に酸素を供給することができる。
Further, since the oxide 230c1 is in contact with the side surface of the
また、酸化物230は、領域231および領域234を有する。なお、領域231の少なくとも一部は、導電体242と接する領域を有する。
Further, the
なお、トランジスタ200をオンさせると、領域231a、領域231b、または領域231cは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域234の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。
When the
つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 That is, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics that meets the requirements according to the circuit design.
酸化物230は、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。例えば、領域234となる金属酸化物としては、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
As the
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。 Since a transistor using an oxide semiconductor has an extremely small leakage current in a non-conducting state, it is possible to provide a semiconductor device having low power consumption. Further, since the oxide semiconductor can be formed into a film by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor constituting a highly integrated semiconductor device.
酸化物230b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体242(導電体242a、導電体242b、および導電体242c)が設けられる。導電体242としては、上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
A conductor 242 (
酸化物230と接するように上記導電体242を設けることで、領域231の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域231に導電体242に含まれる金属と、酸化物230の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域231のキャリア密度が増加し、領域231は、低抵抗領域となる。
By providing the conductor 242 so as to be in contact with the
ここで、導電体242aと導電体242cの間の領域、および導電体242bと導電体242cの間の領域は、絶縁体280の開口に重畳して形成される。これにより、導電体242aと導電体242cの間、および導電体242bと導電体242cの間に導電体260を自己整合的に配置することができる。
Here, the region between the
絶縁体244は、導電体242を覆うように設けられ、導電体242の酸化を抑制する。このとき、絶縁体244は、酸化物230の側面を覆い、絶縁体224と接するように設けられてもよい。
The
絶縁体244として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
As the
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体242が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体244は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both oxides of aluminum or hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the thermal history in a later step. If the conductor 242 is a material having oxidation resistance, or if the conductivity does not significantly decrease even if oxygen is absorbed, the
絶縁体244上には、絶縁体280が設けられる。絶縁体280の表面は、平坦化されていることが好ましい。
An
酸化物230cは、図1(B)、および図1(C)に示すように、酸化物230bの上面、酸化物230bの側面、酸化物230aの側面、導電体242の側面、絶縁体244の側面、および絶縁体280の側面に接するように設けられる。
As shown in FIGS. 1B and 1C, the
絶縁体250a、および絶縁体250bは、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250aは、酸化物230cの内側(上面および側面)に接して配置することが好ましい。絶縁体250aは、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm3、または3.0×1020atoms/cm3である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。
The
具体的には、絶縁体250aとして、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
Specifically, as the
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250aとして、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250aから、酸化物230cを通じて、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250a中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250aの膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。
By providing an insulator that releases oxygen by heating as an
また、絶縁体250は、酸化物230bと導電体260の間だけでなく、導電体242と導電体260の間にも設けられる。絶縁体250として要求される膜厚により、導電体242と導電体260の間に寄生容量が形成され、トランジスタ200、あるいは半導体装置の特性に悪影響を与えてしまう場合には、導電体242と導電体260の間に位置する絶縁体250の膜厚を酸化物230bと導電体260の間に位置する絶縁体250の膜厚より、厚くするのが好ましい。そのためには、導電体242と導電体260の間に位置する絶縁体250aを2層構造とし、酸化物230bと導電体260の間に位置する絶縁体250aを単層構造とすればよい。例えば、酸化物230cとなる酸化膜230Cの内側に、第1の絶縁体となる絶縁膜を形成し、該絶縁膜に対して異方性エッチングを行い、酸化膜230Cの内壁のみに第1の絶縁体を形成する。続けて、第2の絶縁体となる絶縁膜を形成することで、酸化物230bと導電体260の間に位置する絶縁体250aは単層構造となり、導電体242と導電体260の間に位置する絶縁体250aは2層構造となる。よって、導電体242と導電体260の間に位置する絶縁体250aの膜厚を酸化物230bと導電体260の間に位置する絶縁体250aの膜厚より、厚くすることができる。
Further, the
絶縁体250aに酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体250bは、比誘電率が高いhigh-k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、絶縁体250aと絶縁体250bとの積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。
When silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the
具体的には、絶縁体250bとして、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
Specifically, the
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both oxides of aluminum or hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the thermal history in a later step.
また、絶縁体250bは、導電体240を設けるための開口を絶縁体281、絶縁体280、および絶縁体244に形成する際、導電体260の側壁を保護するエッチングストッパ(サイドウォールともいう)としての機能も有する。絶縁体250bを設けることで、導電体260と導電体240との接触を防ぐことができる。
Further, the
また、絶縁体250aと導電体260との間に絶縁体250bを設けることで、絶縁体250aが有する酸素を、効率的に酸化物230へ供給できる場合がある。絶縁体250bは、絶縁体250aからの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する絶縁体250bを設けることで、絶縁体250aから導電体260への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。
Further, by providing the
第1のゲート電極として機能する導電体260は、図1では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。例えば、導電体260が、2層構造である場合、導電体260aは、導電体205aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
The
導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250に含まれる酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
Since the
また、導電体260bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体260は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
Further, as the
また、図1(C)に示すように、導電体205が、酸化物230のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体260は、当該領域において、絶縁体250を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物230の側面の外側において、導電体205と、絶縁体250と、導電体260とは、積層構造を形成することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 1C, when the
上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
By having the above configuration, when a potential is applied to the
つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
That is, the channel forming region of the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the
ここで、図1(B)、および図1(C)に示すように、酸化物230c、および絶縁体250の上面の高さは、絶縁体280の上面の高さと概略一致することが好ましい。一方、導電体260の上面は、絶縁体280の上面より低く、絶縁体280に対して導電体260は、凹部を有していることが好ましい。
Here, as shown in FIGS. 1B and 1C, it is preferable that the height of the upper surface of the
絶縁体250bの側面に接し、導電体260上に、絶縁体272を設け、絶縁体272の内側に、絶縁体273を設けることが好ましい。絶縁体272、および絶縁体273は、導電体240を設けるための開口を絶縁体281、絶縁体280、および絶縁体244に形成する際、エッチングストッパとして機能する。絶縁体272、および絶縁体273として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。または、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンなどのシリコン窒化物を用いることができる。
It is preferable to provide the
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。例えば、絶縁体272として、酸化アルミニウムを用い、絶縁体273として、窒化シリコンを用いることができる。また、絶縁体272、および絶縁体273の上面の高さは、絶縁体280の上面の高さと概略一致することが好ましい。
In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both oxides of aluminum or hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the thermal history in a later step. For example, aluminum oxide can be used as the
絶縁体280は、絶縁体244上に設けられる。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体280は、酸素を有することが好ましい。例えば、絶縁体280として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
The
絶縁体244が設けられない場合、絶縁体280は、酸化物230a、および酸化物230bの側面と接する。このとき、絶縁体280に含まれる酸素が、加熱により酸化物230の領域234に供給される場合がある。なお、絶縁体280中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
If the
また、絶縁体280の上に、層間膜として機能する絶縁体281を設けることが好ましい。絶縁体281は、絶縁体224や、絶縁体280などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
Further, it is preferable to provide an
また、絶縁体281、絶縁体280、および絶縁体244に形成された開口に、導電体242と電気的に接続する導電体240(導電体240a、導電体240b、および導電体240c)を配置する。このとき、該開口の側面には絶縁体241を設けることが好ましい。絶縁体241は、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体241として、絶縁体210、絶縁体214、絶縁体222、絶縁体244、絶縁体250b、絶縁体272、絶縁体273などと同様の材料を用いることができる。また、後述するが、チャネル幅方向において、絶縁体241は、酸化物230a、および酸化物230bの側面にも形成される場合がある。絶縁体241を設けることにより、導電体240の酸化を抑制することができる。また、絶縁体280、および絶縁体281に含まれる水素の導電体240を介した酸化物230への拡散を抑制することができる。
Further, the conductor 240 (
該開口の一部は、酸化物230c、および絶縁体250と重なる領域を有するように形成される。導電体240の一部は、絶縁体241と接する。また、導電体240は、酸化物230c、絶縁体250、絶縁体272、および絶縁体273のいずれか一、または複数と接する場合がある。なお、導電体240上面は、絶縁体281の上面と、同一平面上にしてもよい。
A portion of the opening is formed to have a region overlapping the
なお、導電体240は第1の導電体、および第2の導電体からなる積層構造としてもよい。この場合、導電体242と接続する第1の導電体上に第2の導電体が設けられる。また、第1の導電体は、第2の導電体の側面を覆うように設けることが好ましい。
The
導電体260の側面に設けられた絶縁体250b、および導電体260上に設けられた絶縁体272、および絶縁体273が、導電体242の一部を露出する開口、すなわち導電体240を設けるための開口を形成する際、エッチングストッパとして機能するため、導電体260と導電体240の接触を防ぐことができる。
To provide an opening in which the
図3(A)は、導電体242の一部を露出する開口を形成する際、リソグラフィー法におけるマスクのアライメントが、A1方向にずれてしまった場合の例を示している。このような場合でも、絶縁体250b、絶縁体272、および絶縁体273が、エッチングストッパとして機能するため、導電体260と導電体240の接触を防ぐことができる。また、導電体242cとのコンタクトは、自己整合的に形成されるため、図3(A)のようにマスクのアライメントがずれたとしても、導電体242cと導電体240cとの接触面積は、図1(B)で示した導電体242cと導電体240cとの接触面積と等しく、コンタクト抵抗の低下は起こらない。
FIG. 3A shows an example in which the alignment of the mask in the lithography method is deviated in the A1 direction when forming an opening that exposes a part of the conductor 242. Even in such a case, since the
ここで、図3(B)に、図1(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位、すなわちトランジスタ200のソース領域またはドレイン領域の断面図を示す。図3(B)に示すように、導電体240a(導電体240b、導電体240c)は、絶縁体241に覆われない、導電体242a(導電体242b、導電体242c)の上面、および側面と接する。また、絶縁体281、絶縁体280、および絶縁体244に形成された開口の内壁に絶縁体241を設けない場合、あるいは、酸化物230aの側面、および酸化物230bの側面に絶縁体241が設けられない場合は、導電体240a(導電体240b、導電体240c)は、酸化物230bの側面、および酸化物230aの側面と接する。したがって、導電体240a(導電体240b、導電体240c)と、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域との接触面積が増えるため、コンタクト抵抗が低減でき好ましい。また、導電体240a(導電体240b)が、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と接する構成にしてもよい。
Here, FIG. 3B shows a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A5-A6 in FIG. 1A, that is, the source region or drain region of the
また、図3(C)は、導電体242a(導電体242b、導電体242c)の一部を露出する開口を形成する際、リソグラフィー法におけるマスクのアライメントが、A5方向にずれてしまった場合の例を示している。チャネル幅方向において、導電体242a(導電体242b、導電体242c)、酸化物230b、および酸化物230aの幅よりも、開口の幅を大きくすることにより、アライメントずれが生じても、導電体242a(導電体242b、導電体242c)は、絶縁体241に覆われない、導電体242a(導電体242b、導電体242c)の上面、および側面と接することができ、良好なコンタクトが得られる。
Further, FIG. 3C shows a case where the mask alignment in the lithography method is deviated in the A5 direction when forming an opening that exposes a part of the
導電体240a、導電体240b、および導電体240cは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体240a、導電体240b、および導電体240cは積層構造としてもよい。
As the
また、導電体240を積層構造とする場合、絶縁体241を介して、または直接、酸化物230a、酸化物230b、導電体242、絶縁体244、絶縁体280、絶縁体281と接する第1の導電体には、導電体205aなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体281より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。また、第1の導電体の内側に設ける第2の導電体として、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
Further, when the
また、図示しないが、導電体240aの上面、導電体240bの上面、および導電体240cの上面に接して、配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体203などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
Further, although not shown, a conductor that functions as wiring may be arranged in contact with the upper surface of the
<半導体装置の構成材料>
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
<Constituent materials for semiconductor devices>
Hereinafter, the constituent materials that can be used in the semiconductor device will be described.
<<基板>>
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
<< Board >>
As the substrate on which the
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 Further, a flexible substrate may be used as the substrate. As a method of providing the transistor on the flexible substrate, there is also a method of forming the transistor on the inflexible substrate, peeling off the transistor, and transposing it to the substrate which is a flexible substrate. In that case, it is advisable to provide a release layer between the inflexible substrate and the transistor. Further, the substrate may have elasticity. Further, the substrate may have a property of returning to the original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, it may have a property that does not return to the original shape. The substrate has, for example, a region having a thickness of 5 μm or more and 700 μm or less, preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 300 μm or less. By thinning the substrate, the weight of the semiconductor device having a transistor can be reduced. Further, by making the substrate thinner, it may have elasticity even when glass or the like is used, or it may have a property of returning to the original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, it is possible to alleviate the impact applied to the semiconductor device on the substrate due to dropping or the like. That is, it is possible to provide a durable semiconductor device.
可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編み込んだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が1×10-3/K以下、5×10-5/K以下、または1×10-5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。 As the substrate which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin or glass, fibers thereof, or the like can be used. Further, as the substrate, a sheet, a film, a foil or the like in which fibers are woven may be used. A substrate that is a flexible substrate is preferable because the lower the coefficient of linear expansion, the more the deformation due to the environment is suppressed. As the substrate which is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 -3 / K or less, 5 × 10 -5 / K or less, or 1 × 10 -5 / K or less may be used. .. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic and the like. In particular, aramid has a low coefficient of linear expansion and is therefore suitable as a substrate that is a flexible substrate.
<<絶縁体>>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
<< Insulator >>
Examples of the insulator include oxides having insulating properties, nitrides, nitride oxides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, metal nitride oxides and the like.
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high-k材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。 For example, as the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulator, it is possible to reduce the voltage during transistor operation while maintaining the physical film thickness. On the other hand, by using a material having a low relative permittivity for the insulator that functions as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. Therefore, the material may be selected according to the function of the insulator.
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。 Examples of the insulator having a high specific dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, nitride oxides having aluminum and hafnium, oxides having silicon and hafnium, silicon and hafnium. There are nitrides having oxides, or nitrides having silicon and hafnium.
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。 Examples of the insulator having a low relative permittivity include silicon oxide, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and empty. There are silicon oxide with pores, resin, and the like.
また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are thermally stable. Therefore, for example, by combining with a resin, a laminated structure that is thermally stable and has a low relative permittivity can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, and the like. Further, for example, silicon oxide and silicon oxide nitride can be combined with an insulator having a high relative permittivity to form a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity.
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素や水などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。 Further, the transistor using the oxide semiconductor can stabilize the electrical characteristics of the transistor by surrounding the transistor with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and water and oxygen.
水素や水などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、リン、塩素、アルゴン、シリコン、アルミニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、タングステン、チタン、タンタル、またはニッケルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどのシリコン窒化物を用いることができる。 Examples of the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and water and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, phosphorus, chlorine, argon, silicon, aluminum, hafnium, magnesium, gallium, and germanium. Insulations containing, ittrium, zirconium, lanthanum, neodymium, tungsten, titanium, tantalum, or nickel may be used in a single layer or in a laminate. Specifically, as an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, etc. Metal oxides such as tungsten oxide, titanium oxide, tantalum oxide, or nickel oxide, and silicon nitrides such as silicon nitride or silicon nitride can be used.
例えば、絶縁体250b、絶縁体272、および絶縁体273として、アルミニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、タングステン、チタン、タンタル、またはニッケルなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、シリコンの窒化物や、酸素を含むシリコンの窒化物、すなわち、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンなどを用いることができる。
For example, as the
絶縁体250b、絶縁体272、および絶縁体273は、絶縁体244、絶縁体280、および絶縁体281に開口部を形成する際、エッチングストッパとして機能するため、絶縁体244、絶縁体280、および絶縁体281の加工におけるエッチングレートと異なるエッチングレートを有する材料を用いることが好ましい。
The
例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体250a、および絶縁体224は、酸素を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、酸素を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物230と接する構造とすることで、酸化物230が有する酸素欠損を補償することができる。
For example, the
また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体222において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。
Further, for example, in the
上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。 By adopting the above-mentioned laminated structure, it is possible to improve the on-current without weakening the influence of the electric field from the gate electrode. In addition, the physical thickness of the gate insulator keeps the distance between the gate electrode and the region where the channel is formed, so that the leakage current between the gate electrode and the channel formation region can be suppressed. ..
絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体281は、比誘電率の低い絶縁体の単層、または積層を有することが好ましい。例えば、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体281は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、および絶縁体281は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、またはアクリルなどがある。
The
絶縁体210、絶縁体214、絶縁体244、および絶縁体241としては、水素や水などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体210、絶縁体214、絶縁体244、および絶縁体241、としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
As the
<<導電体>>
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
<< Conductor >>
Conductors include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, berylium, indium, ruthenium, iridium, strontium, and lanthanum. A material containing at least one kind of metal element selected from the above can be used. Further, a semiconductor having high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, and a silicide such as nickel silicide may be used.
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。 Further, a plurality of conductive layers formed of the above materials may be laminated and used. For example, a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined. Further, a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined. Further, a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen are combined.
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。 When an oxide is used in the channel forming region of the transistor, a laminated structure in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined is used for the conductor functioning as a gate electrode. Is preferable. In this case, a conductive material containing oxygen may be provided on the channel forming region side. By providing the conductive material containing oxygen on the channel forming region side, oxygen separated from the conductive material can be easily supplied to the channel forming region.
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。 In particular, as the conductor that functions as the gate electrode, it is preferable to use a conductive material containing a metal element and oxygen contained in the metal oxide in which the channel is formed. Further, the above-mentioned conductive material containing a metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride and tantalum nitride may be used. Further, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon were added. Indium zinc oxide may be used. Further, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, it may be possible to capture hydrogen contained in the metal oxide in which the channel is formed. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed in from an outer insulator or the like.
導電体260、導電体203、導電体205、導電体242、および導電体240としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
The
<<金属酸化物>>
酸化物230として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。
<< Metal Oxide >>
As the
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium, tin and the like are preferably contained. Further, one or more kinds selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like may be contained.
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn-M-Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, consider the case where the metal oxide is an In—M—Zn oxide having indium, the element M, and zinc. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like. However, as the element M, a plurality of the above-mentioned elements may be combined in some cases.
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 In addition, in this specification and the like, a metal oxide having nitrogen may also be generically referred to as a metal oxide. Further, the metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.
[金属酸化物の構成]
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud-Aligned Composite)-OSの構成について説明する。
[Composition of metal oxide]
Hereinafter, the configuration of the CAC (Cloud-Aligned Company) -OS that can be used for the transistor disclosed in one aspect of the present invention will be described.
なお、本明細書等において、CAAC(c-axis aligned crystal)、およびCAC(Cloud-Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。 In addition, in this specification and the like, it may be described as CAAC (c-axis aligned composite) and CAC (Cloud-Aligned Composite). In addition, CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a composition of a material.
CAC-OSまたはCAC-metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC-OSまたはCAC-metal oxideを、トランジスタの半導体層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(または正孔)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC-OSまたはCAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OSまたはCAC-metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material, an insulating function in a part of the material, and a semiconductor function as a whole of the material. When CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the semiconductor layer of the transistor, the conductive function is the function of flowing electrons (or holes) to be carriers, and the insulating function is the carrier. It is a function that does not allow electrons to flow. By making the conductive function and the insulating function act in a complementary manner, a switching function (on / off function) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. Further, in the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. Further, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 Further, in CAC-OS or CAC-metal oxide, when the conductive region and the insulating region are dispersed in the material in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less, respectively. There is.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC-OSまたはCAC-metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap due to an insulating region and a component having a narrow gap due to a conductive region. In the case of this configuration, when the carrier is flown, the carrier mainly flows in the component having a narrow gap. Further, the component having a narrow gap acts complementarily to the component having a wide gap, and the carrier flows to the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel forming region of the transistor, a high current driving force, that is, a large on-current and a high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.
すなわち、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, the CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.
[金属酸化物の構造]
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-like oxide semiconductor)、および非晶質酸化物半導体などがある。
[Structure of metal oxide]
Oxide semiconductors (metal oxides) are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. Examples of the non-single crystal oxide semiconductor include CAAC-OS (c-axis aligned crystal linear semiconductor), polycrystal oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-lik). OS: amorphous-like oxide semiconductor), amorphous oxide semiconductors, and the like.
CAAC-OSは、c軸配向性を有し、かつa-b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 CAAC-OS has a c-axis orientation and has a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have strain. The strain refers to a region where the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned in the region where a plurality of nanocrystals are connected.
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC-OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC-OSが、a-b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagonal shapes and may have non-regular hexagonal shapes. In addition, in distortion, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. In CAAC-OS, it is difficult to confirm a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and that the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. Because.
また、CAAC-OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 Further, CAAC-OS is a layered crystal in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a structure (also called a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as a (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as a (In, M) layer.
CAAC-OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC-OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC-OSは不純物や欠陥(酸素欠損(VO:oxygen vacancyともいう。)など)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC-OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC-OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。 CAAC-OS is a highly crystalline metal oxide. On the other hand, in CAAC-OS, it is difficult to confirm a clear grain boundary, so it can be said that the decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur. Further, since the crystallinity of the metal oxide may be deteriorated due to the mixing of impurities or the generation of defects, CAAC-OS is a metal having few impurities and defects (oxygen deficiency (VO: oxygen vacancy), etc.). It can also be called an oxide. Therefore, the metal oxide having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the metal oxide having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
nc-OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc-OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc-OSは、分析方法によっては、a-like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). In addition, nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, the nc-OS may be indistinguishable from the a-like OS and the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム-ガリウム-亜鉛酸化物(以下、IGZO)は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、IGZOは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶(ここでは、数mmの結晶、または数cmの結晶)よりも小さな結晶(例えば、上述のナノ結晶)とする方が、構造的に安定となる場合がある。 Indium-gallium-zinc oxide (hereinafter referred to as IGZO), which is a kind of metal oxide having indium, gallium, and zinc, may have a stable structure by forming the above-mentioned nanocrystals. be. In particular, since IGZO tends to have difficulty in crystal growth in the atmosphere, it is better to use smaller crystals (for example, the above-mentioned nanocrystals) than large crystals (here, a few mm crystal or a few cm crystal). However, it may be structurally stable.
a-like OSは、nc-OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。a-like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、a-like OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is a metal oxide having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.
酸化物半導体(金属酸化物)は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a-like OS、nc-OS、CAAC-OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors (metal oxides) have various structures, and each has different characteristics. The oxide semiconductor according to one aspect of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.
[金属酸化物を有するトランジスタ]
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
[Transistor with metal oxide]
Subsequently, a case where the metal oxide is used in the channel forming region of the transistor will be described.
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 By using the metal oxide in the channel forming region of the transistor, a transistor having high field effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が8×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10-9/cm3以上とすればよい。 Further, it is preferable to use a metal oxide having a low carrier density for the transistor. When the carrier density of the metal oxide film is lowered, the impurity concentration in the metal oxide film may be lowered to lower the defect level density. In the present specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. For example, metal oxides have a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 -9 /. It may be cm 3 or more.
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 Further, since the metal oxide film having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has a low defect level density, the trap level density may also be low.
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge captured at the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor having a metal oxide having a high trap level density in the channel forming region may have unstable electrical characteristics.
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the concentration of impurities in the metal oxide. Further, in order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.
[不純物]
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
[impurities]
Here, the influence of each impurity in the metal oxide will be described.
金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the metal oxide, a defect level is formed in the metal oxide. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the metal oxide and the concentration of silicon and carbon near the interface with the metal oxide (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。 Further, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal in the channel forming region tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。 Further, in the metal oxide, when nitrogen is contained, electrons which are carriers are generated, the carrier density is increased, and it is easy to form an n-type. As a result, a transistor using a metal oxide containing nitrogen in the channel forming region tends to have a normally-on characteristic. Therefore, in the metal oxide, it is preferable that the nitrogen in the channel forming region is reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the metal oxide is 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less in SIMS. It is preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。 Further, hydrogen contained in a metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency. When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using a metal oxide containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic.
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位(sDOS:shallow level Density of States)を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位を指す。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、当該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。 Further, hydrogen contained in the metal oxide may form shallow defect levels (sDOS: shallow level Density of States) in the metal oxide. The shallow defect level refers to the interface state located near the lower end of the conduction band. It is presumed that the shallow defect level exists near the boundary between the high-density region and the low-density region in the metal oxide. Here, the high-density region and the low-density region in the metal oxide are distinguished by the amount of hydrogen contained in the region. That is, the high-density region is a region containing a larger amount of hydrogen as compared with the low-density region. In the vicinity of the boundary between the high-density region and the low-density region in the metal oxide, minute cracks are likely to occur due to the stress strain between the two regions, and oxygen deficiency and indium dungling bonds occur in the vicinity of the cracks. It is presumed that shallow defect levels are formed by the localization of impurities such as hydrogen or water.
また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。 Further, the high-density region in the metal oxide may have higher crystallinity than the low-density region. Further, the high-density region in the metal oxide may have a higher film density than the low-density region. When the metal oxide has a composition of indium, gallium, and zinc, the high-density region contains indium, gallium, and zinc, and the low-density region contains indium and zinc. May have. In other words, the low density region may have a lower percentage of gallium than the high density region.
なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位とともに深い欠陥準位(dDOS:deep level Density of States)も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位を指す。 The shallow defect level is presumed to be due to oxygen deficiency. It is estimated that as the oxygen deficiency in the metal oxide increases, the deep defect levels (dDOS: deep level Density of States) increase as well as the shallow defect levels. This is because the deep defect level is also considered to be due to oxygen deficiency. The deep defect level refers to a defect level located near the center of the band gap.
したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的には、金属酸化物の成膜時の温度を、170℃またはその近傍、好ましくは130℃またはその近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位を低減することができる。 Therefore, by suppressing oxygen deficiency in the metal oxide, it is possible to reduce both the shallow defect level and the deep defect level. Further, the shallow defect level may be controlled to some extent by adjusting the temperature at the time of film formation of the metal oxide. Specifically, the shallow defect level can be reduced by setting the temperature at the time of film formation of the metal oxide to 170 ° C. or its vicinity, preferably 130 ° C. or its vicinity, and more preferably room temperature.
また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体層に用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。すなわち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流-ゲート電圧(Id-Vg)特性において、ゲート電圧Vgに対するドレイン電流Idの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の1つである、S値(Subthreshold Swing、SSとも言う。)が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。 Further, the shallow defect level of the metal oxide affects the electrical characteristics of the transistor using the metal oxide in the semiconductor layer. That is, due to the shallow defect level, the change of the drain current Id with respect to the gate voltage Vg becomes gradual in the drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristic of the transistor, and the rising or bad characteristics of the rising state of the transistor from the off state to the on state are good or bad. The S value (also referred to as Subthreshold Swing, SS), which is one of the criteria for the above, deteriorates. This is thought to be because the electrons were trapped in the shallow defect level.
このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 Therefore, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in metal oxides, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 . By using a metal oxide having sufficiently reduced impurities in the channel forming region of the transistor, stable electrical characteristics can be imparted.
<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図4乃至図14を用いて説明する。また、図4乃至図14において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)に示すA1-A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Method of manufacturing semiconductor devices>
Next, the manufacturing method of the semiconductor device having the
まず、基板(図示しない。)を準備し、当該基板上に絶縁体210を成膜する。絶縁体210の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法、またはALD(Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。
First, a substrate (not shown) is prepared, and an
なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。 The CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, an optical CVD (Photo CVD) method using light, and the like. .. Further, it can be divided into a metal CVD (Metal CVD) method and an organometallic CVD (MOCVD: Metalorganic CVD) method depending on the raw material gas used.
特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。 In particular, the ALD method has excellent step covering property and excellent thickness uniformity, and is therefore suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively slow film forming speed, it may be preferable to use it in combination with another film forming method such as a CVD method having a high film forming speed.
本実施の形態では、絶縁体210として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体210は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
In the present embodiment, aluminum oxide is formed as the
次に絶縁体210上に絶縁体212を成膜する。絶縁体212の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体212として、CVD法によって酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを成膜する。
Next, the
次に、絶縁体212に、絶縁体210に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体210は、絶縁体212をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパとして機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、開口を形成する絶縁体212に酸化シリコンを用いた場合は、絶縁体210は、エッチングストッパとして機能する絶縁体として、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
Next, the
開口の形成後に、導電体203aとなる導電膜を成膜する。当該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体203aとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
After forming the opening, a conductive film to be a
本実施の形態では、導電体203aとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。導電体203aとしてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体203bで銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体203aから外に拡散するのを抑制することができる。
In the present embodiment, as the conductive film to be the
次に、導電体203aとなる導電膜上に、導電体203bとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体203bとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
Next, a conductive film to be the
次に、CMP処理を行うことで、導電体203aとなる導電膜、ならびに導電体203bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体212を露出する。その結果、開口部のみに、導電体203aとなる導電膜、ならびに導電体203bとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体203aおよび導電体203bを含む導電体203を形成することができる(図5参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体212の一部が除去される場合がある。
Next, by performing the CMP treatment, a part of the conductive film to be the
次に、絶縁体212、および導電体203上に絶縁体214を成膜する。絶縁体214の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体214として、CVD法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体214として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体203bに銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。
Next, the
次に、絶縁体214上に絶縁体216を成膜する。絶縁体216の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体216として、CVD法によって酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを成膜する。
Next, the
次に、絶縁体214および絶縁体216に、導電体203に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
Next, an opening reaching the
開口の形成後に、導電体205aとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体205aとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
After forming the opening, a conductive film to be a
本実施の形態では、導電体205aとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
In the present embodiment, tantalum nitride is formed as a conductive film to be the
次に、導電体205aとなる導電膜上に、導電体205bとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
Next, a conductive film to be the
本実施の形態では、導電体205bとなる導電膜として、CVD法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にCVD法によってタングステンを成膜する。
In the present embodiment, titanium nitride is formed as a conductive film to be the
次に、CMP処理を行うことで、導電体205aとなる導電膜、ならびに導電体205bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体216を露出する。その結果、開口部のみに、導電体205a、および導電体205bとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体205aおよび導電体205bを含む導電体205を形成することができる(図5参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体216の一部が除去される場合がある。
Next, by performing the CMP treatment, a part of the conductive film to be the
次に、絶縁体216、および導電体205上に絶縁体222を成膜する。絶縁体222として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体222が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ200の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体222を通じてトランジスタ200の内側へ拡散することが抑制され、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
Next, the
絶縁体222の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。ALD法を用いて形成した膜は、被覆性が良好である。一方、スパッタリング法を用いることで、他の手法を用いるよりも水素濃度の低減した膜を形成することができ、好ましい。デバイスに求められる特性に合わせて選択するとよい。
The film formation of the
次に、絶縁体222上に絶縁体224を成膜する。絶縁体224の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体224として、スパッタリング法を用いて酸化シリコンを成膜する。また、CVD法によって酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを成膜してもよい。
Next, the
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、もしくは10%以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 Subsequently, it is preferable to perform heat treatment. The heat treatment may be performed at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. The heat treatment is carried out in an atmosphere of nitrogen or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas, 1% or more, or 10% or more. Further, the heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Alternatively, the heat treatment may be carried out in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of oxidizing gas to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere. good.
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体224の成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体224に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
In the present embodiment, as the heat treatment, after the film formation of the
また、加熱処理は、絶縁体222の成膜後に行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。
Further, the heat treatment can also be performed after the film formation of the
ここで、絶縁体224に多くの酸素を含有させるために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えば、マイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にRF(Radio Frequency)を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にRFを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率良く絶縁体224内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体224に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
Here, in order to contain a large amount of oxygen in the
次に、絶縁体224上に、酸化膜230Aと、酸化膜230Bを順に成膜する(図4参照。)。なお、上記酸化膜は、大気環境に晒さずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜230A、および酸化膜230B上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜230Aと酸化膜230Bとの界面近傍を清浄に保つことができる。
Next, the
酸化膜230A、および酸化膜230Bの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
The
例えば、酸化膜230A、および酸化膜230Bをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、例えば、In-M-Zn酸化物ターゲットを用いることができる。
For example, when the
特に、酸化膜230Aにはより多くの酸素が含まれることが好ましい。したがって、酸化膜230Aのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。
In particular, it is preferable that the
また、酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を1%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
Further, when the
本実施の形態では、酸化膜230Aとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4、または1:1:0.5[いずれも原子数比]のターゲットを用いて成膜することができる。また、酸化膜230Bとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1、5:1:6、または1:1:1[いずれも原子数比]のターゲットを用いて成膜することができる。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物230に求められる特性に合わせて形成するとよい。
In the present embodiment, as the
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜230A、および酸化膜230B中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。
Next, heat treatment may be performed. For the heat treatment, the above-mentioned heat treatment conditions can be used. By heat treatment, impurities such as hydrogen and water in the
次に、酸化膜230B上に導電膜242Aを形成する(図4参照。)。導電膜242Aは、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。なお、導電膜240Aの形成は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
Next, the
次に、導電膜242Aを加工して、酸化膜230A、および酸化膜230Bを加工するためのハードマスクを形成する。
Next, the
なお、導電膜242Aの加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
The
リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultraviolet)光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。 In the lithography method, the resist is first exposed through a mask. Next, the exposed area is removed or left with a developer to form a resist mask. Next, a conductor, a semiconductor, an insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching the resist mask. For example, a resist mask may be formed by exposing the resist with KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, UV (Extreme Ultraviolet) light, or the like. Further, an immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled between the substrate and the projection lens for exposure. Further, instead of the above-mentioned light, an electron beam or an ion beam may be used. When an electron beam or an ion beam is used, the above-mentioned mask for resist exposure is not required because the drawing is performed directly on the resist. The resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process. ..
次に、レジストマスクを用いて、導電膜242Aをエッチングすることでハードマスクとして機能する導電体242Bを形成する(図5参照。)。導電体242B形成後は、レジストマスクを除去してから酸化膜の加工を行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。
Next, a
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置などを用いることができる。 As the dry etching apparatus, a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having parallel plate type electrodes can be used. The capacitive coupling type plasma etching apparatus having a parallel plate type electrode may be configured to apply a high frequency power source to one of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a plurality of different high frequency power supplies may be applied to one of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a high frequency power supply having the same frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a high frequency power supply having a different frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used. As the dry etching apparatus having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus can be used.
次に、導電体242Bをハードマスクとして用い、酸化膜230A、および酸化膜230Bを島状に加工して、酸化物230a、および酸化物230bを形成する(図5参照。)。なお、当該加工処理にて、絶縁体224の一部が除去される場合がある。上記酸化膜のエッチング後にハードマスクとして機能する導電体242Bをエッチングにより除去してもよいが、本実施の形態では、導電体242Bをさらに加工して、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体を形成するため、導電体242Bは除去しない。
Next, using the
ここで、酸化物230a、および酸化物230bは、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、酸化物230a、および酸化物230bの側面は、絶縁体222の上面、または基板の上面に対し、テーパー形状を有することが好ましい。酸化物230a、および酸化物230bの側面が、絶縁体222の上面、または基板の上面に対し、テーパー形状を有することで、後工程において酸化物230a、および酸化物230bの側面への膜の形成、あるいは側面に形成された膜の除去を容易に行うことができる。
Here, the
また、酸化物230a、酸化物230b、および導電体242Bの側面と、導電体242Bの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
Further, it has a curved surface between the side surface of the
なお、当該酸化膜の加工は、導電体242Bをハードマスクに用い、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
For the processing of the oxide film, the
また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が、酸化物230a、および酸化物230bなどの側面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
Further, by performing the above-mentioned dry etching or the like, impurities caused by the etching gas or the like may adhere to or diffuse to the side surface or the inside of the
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。 Cleaning is performed to remove the above impurities and the like. Examples of the cleaning method include wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleaning may be appropriately combined.
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、過酸化水素水、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。 As the wet cleaning, the cleaning treatment may be performed using an aqueous solution obtained by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, hydrofluoric acid or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning may be performed using pure water or carbonated water. In this embodiment, ultrasonic cleaning is performed using pure water or carbonated water.
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。ただし、該加熱処理により、導電体242Bの酸化が懸念される場合、該加熱処理は、酸素を含まない雰囲気で行われることが好ましい。一方、導電体242Bが、耐酸化性材料を含む場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。
Subsequently, heat treatment may be performed. As the heat treatment conditions, the above-mentioned heat treatment conditions can be used. However, when there is concern about oxidation of the
次に、絶縁体224、酸化物230a、酸化物230b、および導電体242B上に絶縁体244を成膜する(図6参照。)。なお、絶縁体244は、絶縁性バリアとして機能することが好ましく、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを含む絶縁体を成膜するとよい。また、アルミニウムおよびハフニウムの双方を含む絶縁体として、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることができる。バリア性を有する絶縁体244により、導電体242Bの酸化を抑制することができる。なお、導電体242Bが、耐酸化性材料を含む場合、絶縁体244は、必ずしも設ける必要は無い。なお、絶縁体244の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
Next, the
次に、絶縁体244の上に、絶縁体280を成膜する。絶縁体280は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。絶縁体280の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体280として、スパッタリング法によって酸化シリコンを成膜する。スパッタリング法を用いることで、絶縁体280中の水素濃度を低減できるため、好ましい。また、CVD法によって酸化窒化シリコンを成膜してもよい。CVD法を用いることで被覆性よく絶縁体280を形成できるため好ましい。
Next, the
なお、絶縁体280は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体280は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体280は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼び、得られる膜を平坦化膜と呼ぶ場合がある。平坦化処理としては、CMP処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、CMP処理を用いる。ただし、絶縁体280の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。
The
次に、絶縁体280上に、ハードマスク246を形成する(図6参照。)。ハードマスク246は、後工程において、絶縁体280、絶縁体244、および導電体242Bをエッチングする際のハードマスクとして機能すればよく、導電体、または絶縁体により形成することができる。本実施の形態では、導電体242Bの加工においてハードマスク246をエッチングし、除去するため、ハードマスク246は、導電体であることが好ましく、導電体242Bと同じ材料からなることが好ましい。
Next, a
次に、ハードマスク246を用いて、少なくとも導電体205と重なる領域を有するように、絶縁体280、絶縁体244、および導電体242Bに対して加工処理を行い、開口245を形成する(図7参照。)。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、微細加工が可能な点、また絶縁体280の側面を概略垂直に加工できる点からドライエッチング法を用いるほうが好ましい。また、導電体242Bを加工することにより、導電体242(導電体242a、導電体242b、および導電体242c)が形成される。該加工により、酸化物230aの側面、酸化物230bの上面と側面、および絶縁体224の表面の一部が露出する。また、該加工により絶縁体224の一部がエッチングされ、絶縁体222の一部が露出する場合がある。また、該加工により、ハードマスク246も除去されることが好ましい。一方、絶縁体280上にハードマスク246は残っていてもよく、その場合、後工程の絶縁体272A、および絶縁体272Bの研磨工程にて除去すればよい。
Next, using the
導電体242aと導電体242c、および導電体242bと導電体242cが互いに向かい合う面の断面は、テーパー形状を有する場合がある。一方、該断面は概略垂直形状を有していてもよい。
The cross section of the surface where the
なお、後工程にて形成される導電体260は、開口245内に自己整合的に配置される。
The
ここで、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。一方、導電体242が耐酸化性を有する導電体の場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。 Here, it is preferable to perform heat treatment. The heat treatment may be performed at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. The heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. On the other hand, when the conductor 242 is a conductor having oxidation resistance, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen. Further, the heat treatment may be performed in a reduced pressure state. For example, as a heat treatment, a treatment is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour.
該加熱処理により、酸化物230a、および酸化物230bに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。また、上記加工におけるドライエッチングにて酸化物230a、または酸化物230bに生じたダメージを回復することができる。また、酸素を含む雰囲気で加熱処理を行った場合、酸化物230a、および酸化物230bに酸素を添加することができる。
By the heat treatment, impurities such as hydrogen and water contained in the
また、上記加熱処理により、導電体242から、上述した金属元素が酸化物230へ拡散し、酸化物230に金属元素が添加される場合がある。また、酸化物230の導電体242との界面近傍における酸素が導電体242に吸収される場合がある。その結果、酸化物230の導電体242との界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物230の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物230の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物230に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。なお、図7(B)では、酸化物230の上記低抵抗化領域の一例として、点線にて領域231(領域231a、領域231b、および領域231c)を示している。
Further, by the heat treatment, the above-mentioned metal element may be diffused from the conductor 242 to the
領域231は、酸化物230bの導電体242近傍において、深さ方向、および水平方向に拡散するように設けられる例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域231は、深さ方向において、酸化物230bの全体に形成されていてもよいし、酸化物230aに形成されていてもよい。また、領域231は、水平方向において、導電体242から水平方向に拡散した領域に形成される例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域231は、導電体242と重なる領域のみに形成されてもよいし、後工程で形成される導電体260の一部と重なる領域にも形成されてもよい。
The region 231 shows an example in which the
また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態になると考えられる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態になると考えられる。したがって、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化すると考えられる。
Further, it is considered that the hydrogen in the
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。 Further, after the heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of the oxidizing gas. The heat treatment may be performed at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
なお、導電膜242Aの成膜後、または、導電体242の形成後の加熱処理において、導電膜242Aまたは導電体242に、酸化物230の領域231の酸素が吸収されることで、領域231に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物230の領域231は、n型となり、低抵抗化される。
In the heat treatment after the film formation of the
領域231の酸素濃度は、領域234の酸素濃度より低い場合がある。また、領域231の水素濃度は、領域234の酸素濃度より高い場合がある。 The oxygen concentration in region 231 may be lower than the oxygen concentration in region 234. Further, the hydrogen concentration in the region 231 may be higher than the oxygen concentration in the region 234.
次に、開口245内において、酸化物230aの側面、酸化物230bの上面、および側面、導電体242の側面、絶縁体244の側面、および絶縁体280の側面と接する領域を有するように、絶縁体280上に酸化膜230Cを形成する(図8参照)。
Next, the insulation is provided so as to have a region in the
酸化膜230Cの形成は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。酸化物230cに求める特性に合わせて、酸化膜230A、または酸化膜230Bと同様の成膜方法を用いて、酸化膜230Cを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜230Cとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1、または1:3:4[いずれも原子数比]のターゲットを用いて成膜することができる。
The
尚、酸化膜230Cは、積層としてもよい。例えば、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて成膜して、連続してIn:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜してもよい。
The
続いて、酸化膜230C上に、絶縁体250Aを成膜する(図8参照。)。
Subsequently, an
絶縁体250Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁体250Aとして、CVD法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁体250Aを成膜する際の成膜温度は、350℃以上450℃未満、特に400℃前後とすることが好ましい。絶縁体250Aを、400℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
The
なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁体250Aを曝すことで、絶縁体250A、へ酸素を導入することができる。
By exciting oxygen with microwaves to generate high-density oxygen plasma and exposing the
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体250Aの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
Moreover, you may perform heat treatment. For the heat treatment, the above-mentioned heat treatment conditions can be used. By the heat treatment, the water concentration and the hydrogen concentration of the
次に、絶縁体250A上に絶縁体250Bを形成する(図8参照。)。絶縁体250Bを加工して得られる絶縁体250bは、後工程にて、絶縁体281、および絶縁体280等に開口を形成する際に、エッチングストッパとして機能する。また、絶縁体250Bは、絶縁性バリアとして機能することが好ましい。絶縁体250Bとして、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを含む絶縁体を成膜するとよい。また、アルミニウムおよびハフニウムの双方を含む絶縁体として、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることができる。絶縁体250Bとして、絶縁性バリアを用いることで、後工程で形成される、ゲート電極として機能する導電体260の酸化を抑制することが可能となる。一方、導電体260が耐酸化性材料により形成されている場合、または、酸素を吸収しても導電性が著しく低下しない材料である場合は、絶縁体250Bは、絶縁性バリアの機能を有する必要は無い。
Next, the
ここで、絶縁体250Bを成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体250Bを成膜しながら、絶縁体250Aに酸素を導入することができる。あるいは、絶縁体250Aの側面に対しても被覆性が良好なALD法を用いて絶縁体250Bを成膜してもよい。
Here, as a means for forming the
続いて、導電膜260A、および導電膜260Bを順次成膜する(図8参照。)。導電膜260A、および導電膜260Bは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。導電膜260Aとして、窒化チタンを成膜し、導電膜260Bとして、タングステンを成膜してもよい。
Subsequently, the
導電膜260Aとして、CVD法、またはスパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。導電膜260Aに金属窒化物を用いることにより、絶縁体250A、または絶縁体250Bが有する酸素により、導電膜260Bが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。
As the
また、導電膜260Bとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
Further, by laminating a low resistance metal film as the
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、絶縁体250Bから、絶縁体250Aに酸素が添加され、絶縁体250Aに含まれる酸素濃度を増加させることができる。また、本加熱処理により、酸化物230bに低抵抗領域(領域231)が形成される場合がある。
Subsequently, heat treatment can be performed. For the heat treatment, the above-mentioned heat treatment conditions can be used. In some cases, the heat treatment may not be performed. By this heat treatment, oxygen is added from the
導電膜260BをCVD法(メタルCVD法)を用いて形成する場合、導電膜260Bは、表面に凹凸(ラフネス)を有する場合がある。そこで、導電膜260Bの表面に対して平坦化処理を行うことが好ましい(図9参照。)。平坦化処理には、CMP法にて、導電膜260Bを研磨する方法を用いることができる。図9では、導電膜260Bの表面のみを研磨し、平坦化する例を示しているが、本発明はこれに限らない。導電膜260Aが露出するまで導電膜260Bを研磨してもよいし、絶縁体250Bが露出するまで導電膜260B、および導電膜260Aを研磨してもよい。また、当該平坦化処理を行わずに、次工程に示すように導電体260a、および導電体260bを形成してもよい。
When the
次に、導電膜260B、および導電膜260Aを加工して、導電体260(導電体260a、および導電体260b)を形成する(図10参照。)。導電膜260B、および導電膜260Aの加工には、ドライエッチングや、ウエットエッチングを用いることができる。該加工は、導電体260の上面が、絶縁体280の上面よりも低くなるまで行うことが好ましい。
Next, the
このとき、導電体260は、少なくとも一部が、導電体205、酸化物230a、および酸化物230bと重なるように形成される。導電体260のチャネル長方向の幅は、絶縁体280に設けられる開口245の幅と、酸化膜230Cの厚さと、絶縁体250Aの厚さと、絶縁体250Bの厚さにより、決定される。トランジスタ200、または半導体装置に要求される性能に応じて、上記の幅や厚さを調整し、所望の幅を有する導電体260を形成することができる。
At this time, the
このようにして、導電体260は、開口245に、埋め込まれるように形成される。導電体260の形成は、リソグラフィー法を用いることなく自己整合的に行われるので、導電体260の位置合わせのマージンを設ける必要がない。よって、トランジスタ200の占有面積の縮小を図り、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。また、リソグラフィー工程が不要となるので工程簡略化による生産性の向上が見込まれる。
In this way, the
また、半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体260の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体260の膜厚を大きくすると、導電体260はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体260を開口245に埋め込むように設けるため、導電体260をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体260を倒壊させることなく、形成することができる。
Further, in miniaturizing a semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the
次に、導電体260、および絶縁体250を覆うように絶縁体272A、および絶縁体273Aを順次形成する(図11参照。)。絶縁体272A、および絶縁体273Aとして、アルミニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、タングステン、チタン、タンタル、またはニッケルなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体272A、および絶縁体273Aとして、シリコンの窒化物や、酸素を含むシリコンの窒化物、すなわち、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンなどを用いることができる。例えば、絶縁体272Aとして、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケルなどの金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体273Aとしてシリコンを含む窒化物を用いることができる。
Next, the
また、絶縁体272A、および絶縁体273Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて形成することができる。ALD法を用いて形成した膜は、被覆性が良好である。一方、スパッタリング法を用いることで、他の手法を用いるよりも水素濃度の低減した膜を形成することができ、好ましい。デバイスに求められる特性に合わせて選択するとよい。
Further, the
次に、絶縁体273A、絶縁体272A、絶縁体250B、絶縁体250A、および酸化膜230Cを、絶縁体280が露出するまで研磨し、絶縁体273、絶縁体272、絶縁体250b、絶縁体250a、酸化物230cを形成する(図12参照。)。上記研磨には、CMP法を用いることができる。該研磨により、絶縁体273、絶縁体272、絶縁体250b、絶縁体250a、および酸化物230cの上面は、絶縁体280の上面と概略一致することが好ましい。
Next, the
ここで、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体250aや絶縁体280などの絶縁体が有する酸素を酸化物230に供給することができる。また、酸化物230c、絶縁体250、導電体260、絶縁体272、または絶縁体273の形成による酸化物230bのダメージを回復することができる。また、本加熱処理により、酸化物230bに低抵抗領域(領域231)が形成される場合がある。
Here, heat treatment may be performed. For the heat treatment, the above-mentioned heat treatment conditions can be used. By the heat treatment, oxygen contained in an insulator such as an
次に、絶縁体280、絶縁体272、絶縁体273などを覆うように絶縁体281を形成する(図13参照。)。絶縁体281は、絶縁体280と同様の装置を用い、同様の材料を用いて形成することができる。例えば、CVD法を用いて、酸化窒化シリコンを含む絶縁体281を形成する。
Next, the
次に、絶縁体281、絶縁体280、および絶縁体244を、リソグラフィー法を用いて加工し、導電体242と接続する開口を形成する(図14参照。)。開口を形成する際、絶縁体250b、絶縁体272、および絶縁体273は、エッチングストッパとして機能する。このため、開口は絶縁体250b、絶縁体272、および絶縁体273の少なくとも一と重畳する領域を有してもよい。例えば、絶縁体272、および絶縁体273は、ハードマスクとして機能し、絶縁体250bはサイドウォールとして機能することで、開口内部にて導電体260が露出することを防ぐことができる。これにより、後工程にて形成される導電体240と導電体260のショートを防ぐことができる。このとき、絶縁体281、および絶縁体280のエッチングレートに対して、絶縁体273、絶縁体272、および絶縁体250bのエッチングレートが十分に小さいことが好ましい。また、絶縁体281、および絶縁体280のエッチングレートに対して、絶縁体250a、および酸化物230cのエッチングレートが十分に小さいことがより好ましい。
Next, the
図14では、導電体260の側面に、絶縁体250bだけでなく、絶縁体250a、および酸化物230cが残存している例を示している。このように、絶縁体250a、および酸化物230cもサイドウォールとして機能することが好ましい。このように、ゲート電極として機能する導電体260の上面および側面に、エッチングストッパを設けることで形成されるコンタクトを、セルフアラインコンタクト(SAC)、SACを形成する工程を、SACプロセスと呼ぶことがある。
FIG. 14 shows an example in which not only the
次に、絶縁体241となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体241を形成する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。絶縁体241となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ALD法によって、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを成膜することが好ましい。また、異方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体240aおよび導電体240bの酸化を防止することができる。また、導電体240aおよび導電体240bから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
Next, an insulating film to be the
次に、導電体240(導電体240a、導電体240b、および導電体240c)となる導電膜を成膜する。導電体240となる導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体240となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。
Next, a conductive film to be a conductor 240 (
次に、CMP処理を行うことで、導電体240となる導電膜の一部を除去し、絶縁体281を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240を形成することができる(図1参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体281の一部が除去される場合がある。
Next, by performing the CMP treatment, a part of the conductive film to be the
本実施の形態において、開口の形成にSACプロセスを用いているため、導電体260と導電体240は接することなく、それらの間隔は、一定に保たれる。
In the present embodiment, since the SAC process is used to form the openings, the
以上により、トランジスタ200を有する半導体装置を作製することができる。図4乃至図14に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200を作成することができる。
From the above, the semiconductor device having the
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, a semiconductor device having good electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one aspect of the present invention, a semiconductor device having a small off-current can be provided. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a large on-current. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a highly reliable semiconductor device. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a highly productive semiconductor device.
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the configurations and methods shown in the present embodiment can be appropriately combined with the configurations and methods shown in other embodiments and examples.
<半導体装置の変形例1>
以下では、図15を用いて、先の<半導体装置の構成例>で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
<Modification example 1 of semiconductor device>
Hereinafter, an example of a semiconductor device having a
図15(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図15(B)、および図15(C)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図15(B)は、図15(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図15(C)は、図15(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図15(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
FIG. 15A is a top view of the semiconductor device having the
なお、図15に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図1参照。)を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 In the semiconductor device shown in FIG. 15, the same reference numerals are added to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices (see FIG. 1) shown in <Semiconductor device configuration example>.
以下、トランジスタ200の構成について、それぞれ図15を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ200の構成材料については<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。
Hereinafter, the configurations of the
先の<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図1参照。)では、トランジスタ200が一つの半導体層に二つのトランジスタ(トランジスタ200a、およびトランジスタ200b)を有している例を示したが、本発明はこれに限らない。図15に示すようにトランジスタ200は、一つの半導体層に一つのトランジスタ(トランジスタ200a)を有していてもよい。図15に示すトランジスタ200においても、SACプロセスを用いることで、トランジスタ200の面積を小さくすることができる。トランジスタ200では、トランジスタ200aの第1のゲート電極として機能する導電体260の側面にエッチングストッパとして機能する絶縁体250bと、導電体260の上面にエッチングストッパとして機能する絶縁体272、および絶縁体273が設けられている。これらのエッチングストッパが設けられることで、導電体242を露出するコンタクトを導電体260側面に近づけても、導電体260と導電体240が接続することは無く、トランジスタ200の面積を小さくすることができる。
In the semiconductor device (see FIG. 1) shown in the above <Semiconductor device configuration example>, an example is shown in which the
<半導体装置の変形例2>
以下では、図16を用いて、先の<半導体装置の構成例>で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
<Modification 2 of semiconductor device>
Hereinafter, an example of a semiconductor device having a
図16(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図16(B)、および図16(C)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図16(B)は、図16(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図16(C)は、図16(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図16(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
FIG. 16A is a top view of a semiconductor device having a
なお、図16に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図1参照。)を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。 In the semiconductor device shown in FIG. 16, the same reference numerals are given to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices (see FIG. 1) shown in <Semiconductor device configuration example>.
以下、トランジスタ200の構成について、それぞれ図16を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ200の構成材料については<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。
Hereinafter, the configurations of the
図23に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図1参照。)とは、酸化物230bの上面に酸化物230cが設けられ、酸化物230cの上面に導電体242、および絶縁体250が設けられている点が異なる。
The semiconductor device shown in FIG. 23 is different from the semiconductor device (see FIG. 1) shown in <Semiconductor device configuration example> in that the
このような構成のトランジスタ200を形成するには、酸化膜230B形成後に酸化膜230Cを形成し、酸化膜C上に導電膜242Aを形成すればよい。
In order to form the
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the configuration, structure, method and the like shown in the present embodiment can be appropriately combined with the configuration, structure, method and the like shown in other embodiments and examples.
(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図17乃至図20を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a form of a semiconductor device that functions as a storage device, which is different from the above-described embodiment, will be described with reference to FIGS. 17 to 20.
<記憶装置1>
図17(A)(B)に記憶装置を構成するセル600を示す。セル600は、トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100a、および容量素子100bを有している。図17(A)は、セル600の上面図である。また、図17(B)は、図17(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図17(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Storage device 1>
17 (A) and 17 (B) show
セル600は、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bを有し、トランジスタ200aの上に重畳して容量素子100aを有し、トランジスタ200bの上に重畳して容量素子100bを有する。セル600では、トランジスタ200aとトランジスタ200b、および容量素子100aと容量素子100bは、線対称に配置される場合がある。よって、トランジスタ200aとトランジスタ200bは同様の構成を有することが好ましく、容量素子100aと容量素子100bは同様の構成を有することが好ましい。
The
トランジスタ200aおよびトランジスタ200b上の絶縁体281の上に絶縁体130を有し、絶縁体130の上に絶縁体150を有する。ここで、絶縁体150は、絶縁体281に用いることができる絶縁体を用いればよい。
The
さらに、絶縁体150の上に導電体160を有する。また、絶縁体280、絶縁体281、絶縁体130、および絶縁体150に形成された開口に埋め込まれるように導電体240が設けられる。導電体240の下面は導電体242bと接し、導電体240の上面は導電体160と接している。また、導電体240は、絶縁体273の上面、および側面に接して、導電体242bと電気的に接続している。
Further, the
トランジスタ200aおよびトランジスタ200bは、上記実施の形態に示すトランジスタ200を用いることができる。よって、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの構成については、上記トランジスタ200の記載を参酌することができる。また、図17(A)(B)において、トランジスタ200a、トランジスタ200bの要素の符号は省略している。なお、図17(A)(B)に示すトランジスタ200aおよびトランジスタ200bは一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
As the
トランジスタ200aとトランジスタ200bは、両方とも酸化物230に形成されており、トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方は、いずれも導電体242cと接している。よって、トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方は、導電体242cを介して導電体240cと電気的に接続している。これにより、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bのコンタクト部が共有され、プラグとコンタクトホールの数を低減することができる。このように、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共有することで、メモリセルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。
Both the
[容量素子100aおよび容量素子100b]
図25(A)(B)に示すように、容量素子100aは、トランジスタ200aと重畳する領域に設ける。同様に、容量素子100bは、トランジスタ200bと重畳する領域に設ける。なお、容量素子100bは、容量素子100aが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。以下において、容量素子100aの詳細な構造について説明するが、特にことわりが無い限り容量素子100bについては、容量素子100aの説明を参酌することができる。
[
As shown in FIGS. 25A and 25B, the
容量素子100aは、導電体110、絶縁体130、絶縁体130上の導電体120を有する。ここで、導電体110および導電体120は、導電体203、導電体205、導電体242、または導電体260などに用いることができる導電体を用いればよい。
The
容量素子100aは、絶縁体281上に設けられ、導電体240aを介してトランジスタ200aと電気的に接続する。容量素子100aは、絶縁体281上に設けられ、下部電極として機能する導電体110と、上部電極として機能する導電体120が、誘電体として機能する絶縁体130を挟んで対向する構成である。ここで、容量素子100aの導電体110は、導電体242aに接して形成されている。
The
また、絶縁体130は、誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。
Further, it is preferable to use an insulator having a large dielectric constant as the
また、絶縁体130は、積層構造であってもよい、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などから、2層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ALD法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、0.5nm以上5nm以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子100aとすることができる。
Further, the
なお、導電体110、または導電体120は、積層構造であってもよい。例えば、導電体110、または導電体120は、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを主成分とする導電性材料と、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料と、の積層構造としてもよい。また、導電体110、または導電体120は、単層構造としてもよいし、3層以上の積層構造としてもよい。
The
[セルアレイの構造]
次に、上記のセルを行列またはマトリクス状に配置した、セルアレイの一例について、図18乃至図20を用いて説明する。
[Structure of cell array]
Next, an example of a cell array in which the above cells are arranged in a matrix or a matrix will be described with reference to FIGS. 18 to 20.
図18は、図17に示すセルを、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図19は、図18に示す回路図のセル600と、セル600に隣接するセル601の近傍の断面構造を示す模式図である。図20は、図18に示す回路図の配線WL、配線BL、および酸化物230のレイアウトを示した模式図である。図18乃至図20では、配線BLの延伸方向をx方向とし、配線WLの延伸方向をy方向とし、xy平面に垂直な方向をz方向とする。なお、図18および図20では、セルを3×3個配置する例を示しているが、本実施の形態はこれに限られることなく、セルアレイに含まれるメモリセルまたは配線等の、個数及び配置は、適宜設定すればよい。また、図20の上面図では、図の明瞭化のために、図18に示す一部の要素を省いて図示している。
FIG. 18 is a circuit diagram showing a form in which the cells shown in FIG. 17 are arranged in a matrix. FIG. 19 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure in the vicinity of the
図18に示すように、セルを構成するトランジスタ200aとトランジスタ200bのソースおよびドレインの一方が共通の配線BL(BL01、BL02、BL03)と電気的に接続する。また、当該配線BLは、x方向に配列されたセル600が有するトランジスタ200aとトランジスタ200bのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、セル600を構成する、トランジスタ200aの第1のゲートと、トランジスタ200bの第1のゲートは、それぞれ異なる配線WL(WL01乃至WL06)と電気的に接続する。また、これらの配線WLは、y方向に配列されたセル600が有する、トランジスタ200aの第1のゲートと、トランジスタ200bの第1のゲートと、それぞれ電気的に接続する。
As shown in FIG. 18, one of the source and drain of the
また、セル600が有する、容量素子100aの一方の電極、および容量素子100bの一方の電極は、配線PLと電気的に接続する。例えば、配線PLはy方向に延伸して形成すればよい。
Further, one electrode of the
また、各セル600が有するトランジスタ200aおよびトランジスタ200bには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。当該BGはトランジスタ400と接続されており、BGに印加される電位は、トランジスタ400によって制御することができる。
Further, the
例えば、図19に示すように、導電体160をx方向に延伸させて配線BLとして機能させ、導電体260をy方向に延伸させて配線WLとして機能させ、導電体120をy方向に延伸させて配線PLとして機能させることができる。また、導電体203をy方向に延伸させてBGに接続する配線として機能させることもできる。
For example, as shown in FIG. 19, the
また、図19に示すように、セル600が有する容量素子100bの一方の電極として機能する導電体120が、セル601が有する容量素子100aの一方の電極をも兼ねる構成とすることが好ましい。また、図示しないが、セル600が有する容量素子100aの一方の電極として機能する導電体120が、セル600の左側に隣接するセルの容量素子の一方の電極を兼ねている。セル601の右側のセルについても同様の構成となっている。従って、セルアレイを構成することができる。当該セルアレイの構成とすることで、隣り合うセルの間隔を小さくすることができるので、セルアレイの投影面積を小さくすることができ、高集積化が可能となる。
Further, as shown in FIG. 19, it is preferable that the
また、図20に示すように、酸化物230および配線WLをマトリクス状に配置することで、図18に示す回路図の半導体装置を形成することができる。ここで、配線BLは、配線WLおよび酸化物230とは異なる層に設けることが好ましい。特に、配線BLよりも、下層に容量素子100a、および容量素子100bを設けることで、酸化物230の長辺方向と、配線BLが、概略平行になるレイアウトを実現することができる。従って、セルのレイアウトを単純化することができ、設計の自由度が向上し、工程コストを低減することができる。
Further, as shown in FIG. 20, by arranging the
また、図20では、酸化物230の長辺が配線WLの延伸方向と概略直交するように、酸化物230および配線WLを設けたが、これに限られるものではない。例えば、酸化物230の長辺が配線WLの延伸方向と直交せず、酸化物230の長辺が配線WLの延伸方向に対して傾けて配置されるレイアウトにしてもよい。好ましくは、酸化物230の長辺と配線WLのなす角が、20°以上70°以下、好ましくは30°以上60°以下になるように、酸化物230と配線WLを設ければよい。
Further, in FIG. 20, the
また、当該セルアレイを平面のみでなく積層する構成としてもよい。複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dセルアレイを構成することができる。 Further, the cellar array may be laminated not only on a flat surface but also on a flat surface. By stacking a plurality of cell array, cells can be integrated and arranged without increasing the occupied area of the cell array. That is, a 3D cell array can be configured.
以上のように、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 As described above, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Alternatively, according to one aspect of the present invention, a semiconductor device having a small off-current can be provided. Alternatively, according to one aspect of the present invention, a transistor having a large on-current can be provided. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a highly reliable semiconductor device. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, one aspect of the present invention can provide a highly productive semiconductor device.
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the configurations and methods shown in the present embodiment can be appropriately combined with the configurations and methods shown in other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図21を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a form of a semiconductor device that functions as a storage device, which is different from the above-described embodiment, will be described with reference to FIG. 21.
<記憶装置2>
図21(A)に示す記憶装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bを有するトランジスタ200、容量素子100a、および容量素子100bを有している。図21(A)は、トランジスタ200、およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。図21(B)には、トランジスタ300近傍のトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図を示す。なお、以降の説明において、トランジスタ300、トランジスタ200a、および容量素子100aを有する記憶装置について説明する。一方、トランジスタ200が有するトランジスタ200bは、トランジスタ200bと接続する容量素子100b、および図示しないトランジスタにより、別途記憶装置を構成することができるが、特段の説明が無い限り、重複する説明は省略する。
<Storage device 2>
The storage device shown in FIG. 21A includes a
トランジスタ200aは、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200aは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
The
図21(A)に示す記憶装置において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200aのトップゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200aのボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200aのソースおよびドレインの他方は、容量素子100aの電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100aの電極の他方と電気的に接続されている。
In the storage device shown in FIG. 21A, the wiring 1001 is electrically connected to the source of the
図21(A)に示す記憶装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
The storage device shown in FIG. 21 (A) has a characteristic that the potential of the gate of the
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線1004の電位を、トランジスタ200aが導通状態となる電位にして、トランジスタ200aを導通状態とする。これにより、配線1003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100aの電極の一方と電気的に接続するノードSNに与えられる。すなわち、トランジスタ300のゲートには、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。)のどちらかが与えられるものとする。その後、配線1004の電位を、トランジスタ200aが非導通状態となる電位にして、トランジスタ200aを非導通状態とすることにより、ノードSNに電荷が保持される(保持)。
Writing and retaining information will be described. First, the potential of the
トランジスタ200aのオフ電流が小さい場合、ノードSNの電荷は長期間にわたって保持される。
When the off current of the
次に情報の読み出しについて説明する。配線1001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線1005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、配線1002は、ノードSNに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上の閾値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上の閾値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上の閾値電圧とは、トランジスタ300を導通状態とするために必要な配線1005の電位をいうものとする。したがって、配線1005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードSN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、ノードSNにHighレベル電荷が与えられていた場合には、配線1005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は導通状態となる。一方、ノードSNにLowレベル電荷が与えられていた場合には、配線1005の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は非導通状態のままである。このため、配線1002の電位を判別することで、ノードSNに保持されている情報を読み出すことができる。
Next, reading information will be described. When a predetermined potential (constant potential) is applied to the wiring 1001 and an appropriate potential (reading potential) is applied to the wiring 1005, the wiring 1002 takes a potential corresponding to the amount of electric charge held in the node SN. This is because when the
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがNOR型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードSNに与えられた電荷によらずトランジスタ300が非導通状態となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線1005に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがNAND型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードSNに与えられた電荷によらずトランジスタ300が導通状態となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線1005に与えればよい。
When the memory cells are arranged in an array, the information of the desired memory cells must be read at the time of reading. For example, when the memory cell array has a NOR type configuration, only the information of a desired memory cell can be read out by setting the
<記憶装置2の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図21(A)に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100a、および容量素子100bを有する。トランジスタ200は、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bを有し、トランジスタ300の上方に設けられる。また、容量素子100a、および容量素子100bはトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
<Structure of storage device 2>
As shown in FIG. 21A, the storage device of one aspect of the present invention includes a
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。
The
トランジスタ300は、図21(B)に示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。
As shown in FIG. 21B, the
トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。
The
半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。
It is preferable to include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor in a region in which a channel of the
低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。
In the
ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
The
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することでトランジスタのVthを調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 Since the work function is determined by the material of the conductor, the Vth of the transistor can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embedding property, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.
なお、図21に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
The
トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。
An
絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
As the
絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
The
また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
Further, for the
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by the CVD method can be used. Here, hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atoms/cm2以下、好ましくは5×1015atoms/cm2以下であればよい。
The amount of hydrogen desorbed can be analyzed using, for example, a heated desorption gas analysis method (TDS). For example, the amount of hydrogen desorbed from the
なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
The
また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100a、またはトランジスタ200aと電気的に接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線として機能する。また、プラグまたは配線として機能する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
Further, the
各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
As the material of each plug and wiring (
絶縁体326、および導電体330上に、一または複数の配線層を設けてもよい。例えば、図21(A)において、絶縁体350(絶縁体350-1、絶縁体350-2、絶縁体350-3、絶縁体350-4)、絶縁体352(絶縁体352-1、絶縁体352-2、絶縁体352-3、絶縁体352-4)、および絶縁体354(絶縁体354-1、絶縁体354-2、絶縁体354-3、絶縁体354-4)が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354には、導電体356(導電体356-1、導電体356-2、導電体356-3、導電体356-4)が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
One or more wiring layers may be provided on the
なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。
For example, as the insulator 350, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。
As the conductor having a barrier property against hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by laminating tantalum nitride and tungsten having high conductivity, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen from the
図21(A)において、導電体356を含む配線層を4層積層する例を示しているが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層を3層以下にしてもよいし、5層以上にしてもよい。 FIG. 21A shows an example in which four wiring layers including a conductor 356 are laminated, but the storage device according to the present embodiment is not limited to this. The number of wiring layers including the conductor 356 may be 3 or less, or 5 or more.
絶縁体354上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
An
また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、およびトランジスタ200aを構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100a、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
Further, the
特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。
In particular, the
絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。なお、トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図21(A)に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
A
トランジスタ200の上方には、絶縁体281を設ける。
An
また、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体244、絶縁体280、および絶縁体281には、導電体240、および絶縁体241等が埋め込まれている。
Further, a
導電体240は、容量素子100a、トランジスタ200a、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。導電体240は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
The
トランジスタ200aの上方には、容量素子100aが設けられている。容量素子100aは、導電体110と、導電体120、絶縁体130とを有する。
A
導電体110は、容量素子100aの電極としての機能を有する。
The
導電体110には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム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(窒化タンタル膜、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。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
The
図21(A)では、導電体110は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
In FIG. 21A, the
絶縁体130を介して、導電体110と重畳するように、導電体120を設ける。なお、導電体120は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。
The
導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
An
また、絶縁体150、および絶縁体130には、導電体240と電気的に接続する導電体112が埋め込まれている。また、導電体112、および絶縁体150上に導電体160を設けてもよい。
Further, in the
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。 By using this structure, it is possible to suppress fluctuations in electrical characteristics and improve reliability in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor. Alternatively, it is possible to provide a transistor having an oxide semiconductor having a large on-current. Alternatively, it is possible to provide a transistor having an oxide semiconductor having a small off-current. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved.
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the configuration, structure, method and the like shown in the present embodiment can be appropriately combined with the configuration, structure, method and the like shown in other embodiments and examples.
(実施の形態4)
本実施の形態では、図22および図23を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ場合がある。)、および容量素子が適用されている記憶装置(以下、OSメモリ装置と呼ぶ場合がある。)について説明する。OSメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するOSトランジスタを有する記憶装置である。OSトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、OSメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, using FIGS. 22 and 23, a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter, may be referred to as an OS transistor) and a capacitive element according to one aspect of the present invention are applied. The storage device (hereinafter, may be referred to as an OS memory device) is described. The OS memory device is a storage device having at least a capacitance element and an OS transistor that controls charging / discharging of the capacitance element. Since the off-current of the OS transistor is extremely small, the OS memory device has excellent holding characteristics and can function as a non-volatile memory.
<記憶装置の構成例>
図22(A)にOSメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置1400は、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470を有する。周辺回路1411は、行回路1420、列回路1430、出力回路1440、コントロールロジック回路1460を有する。
<Configuration example of storage device>
FIG. 22A shows an example of the configuration of the OS memory device. The
列回路1430は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ1470が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路1440を介して、データ信号RDATAとして記憶装置1400の外部に出力される。また、行回路1420は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
The
記憶装置1400には、外部から電源電圧として低電源電圧(VSS)、周辺回路1411用の高電源電圧(VDD)、メモリセルアレイ1470用の高電源電圧(VIL)が供給される。また、記憶装置1400には、制御信号(CE、WE、RE)、アドレス信号ADDR、データ信号WDATAが外部から入力される。アドレス信号ADDRは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、WDATAは書き込み回路に入力される。
The
コントロールロジック回路1460は、外部からの入力信号(CE、WE、RE)を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。CEは、チップイネーブル信号であり、WEは、書き込みイネーブル信号であり、REは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路1460が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
The
メモリセルアレイ1470は、行列状に配置された、複数個のメモリセルMCと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ1470と行回路1420とを接続している配線の数は、メモリセルMCの構成、一列に有するメモリセルMCの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ1470と列回路1430とを接続している配線の数は、メモリセルMCの構成、一行に有するメモリセルMCの数などによって決まる。
The
なお、図22(A)において、周辺回路1411とメモリセルアレイ1470を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図22(B)に示すように、周辺回路1411の一部の上に、メモリセルアレイ1470が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ1470の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
Although FIG. 22A shows an example in which the
図23に上述のメモリセルMCに適用できるメモリセルの構成例について説明する。 FIG. 23 describes an example of a memory cell configuration applicable to the above-mentioned memory cell MC.
[DOSRAM]
図23(A)乃至(C)に、DRAMのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、1OSトランジスタ1容量素子型のメモリセルを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ場合がある。図23(A)に示す、メモリセル1471は、トランジスタM1と、容量素子CAと、を有する。なお、トランジスタM1は、ゲート(フロントゲートと呼ぶ場合がある。)、及びバックゲートを有する。
[DOSRAM]
23 (A) to 23 (C) show an example of a circuit configuration of a DRAM memory cell. In the present specification and the like, a DRAM using a memory cell of a 1OS transistor and a 1-capacity element type may be referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory). The
トランジスタM1の第1端子は、容量素子CAの第1端子と接続され、トランジスタM1の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM1のゲートは、配線WOLと接続され、トランジスタM1のバックゲートは、配線BGLと接続されている。容量素子CAの第2端子は、配線CALと接続されている。 The first terminal of the transistor M1 is connected to the first terminal of the capacitive element CA, the second terminal of the transistor M1 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M1 is connected. Is connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitive element CA is connected to the wiring CAL.
配線BILは、ビット線として機能し、配線WOLは、ワード線として機能する。配線CALは、容量素子CAの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線CALには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線BGLは、トランジスタM1のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM1のしきい値電圧を増減することができる。 The wiring BIL functions as a bit line and the wiring WOL functions as a word line. The wiring CAL functions as wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitive element CA. It is preferable to apply a low level potential to the wiring CAL when writing and reading data. The wiring BGL functions as wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1. The threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.
また、メモリセルMCは、メモリセル1471に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルMCは、図23(B)に示すメモリセル1472のように、トランジスタM1のバックゲートが、配線BGLでなく、配線WOLと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図23(C)に示すメモリセル1473ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタM1で構成されたメモリセルとしてもよい。
Further, the memory cell MC is not limited to the
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1471等に用いる場合、トランジスタM1としてトランジスタ200を用い、容量素子CAとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM1のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタM1によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル1471、メモリセル1472、メモリセル1473に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
When the semiconductor device shown in the above embodiment is used for the
また、DOSRAMにおいて、上記のように、メモリセルアレイ1470の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
Further, in the DOSRAM, if the sense amplifier is provided so as to overlap under the
[NOSRAM]
図23(D)乃至(H)に、2トランジスタ1容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図23(D)に示す、メモリセル1474は、トランジスタM2と、トランジスタM3と、容量素子CBと、を有する。なお、トランジスタM2は、フロントゲート(単にゲートと呼ぶ場合がある。)、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタM2にOSトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM)と呼ぶ場合がある。
[NOSRAM]
23 (D) to (H) show an example of a circuit configuration of a gain cell type memory cell having two transistors and one capacitance element. The
トランジスタM2の第1端子は、容量素子CBの第1端子と接続され、トランジスタM2の第2端子は、配線WBLと接続され、トランジスタM2のゲートは、配線WOLと接続され、トランジスタM2のバックゲートは、配線BGLと接続されている。容量素子CBの第2端子は、配線CALと接続されている。トランジスタM3の第1端子は、配線RBLと接続され、トランジスタM3の第2端子は、配線SLと接続され、トランジスタM3のゲートは、容量素子CBの第1端子と接続されている。 The first terminal of the transistor M2 is connected to the first terminal of the capacitive element CB, the second terminal of the transistor M2 is connected to the wiring WBL, the gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M2. Is connected to the wiring BGL. The second terminal of the capacitive element CB is connected to the wiring CAL. The first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, the second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and the gate of the transistor M3 is connected to the first terminal of the capacitive element CB.
配線WBLは、書き込みビット線として機能し、配線RBLは、読み出しビット線として機能し、配線WOLは、ワード線として機能する。配線CALは、容量素子CBの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線CALには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線BGLは、トランジスタM2のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM2のしきい値電圧を増減することができる。 The wiring WBL functions as a write bit line, the wiring RBL functions as a read bit line, and the wiring WOL functions as a word line. The wiring CAL functions as wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitive element CB. It is preferable to apply a low level potential to the wiring CAL during data writing, data retention, and data reading. The wiring BGL functions as wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M2. The threshold voltage of the transistor M2 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.
また、メモリセルMCは、メモリセル1474に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルMCは、図23(E)に示すメモリセル1475のように、トランジスタM2のバックゲートが、配線BGLでなく、配線WOLと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図23(F)に示すメモリセル1476のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタM2で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルMCは、図23(G)に示すメモリセル1477のように、配線WBLと配線RBLを一本の配線BILとしてまとめた構成であってもよい。
Further, the memory cell MC is not limited to the
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1474等に用いる場合、トランジスタM2としてトランジスタ200を用い、トランジスタM3としてトランジスタ300を用い、容量素子CBとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM2としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM2のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタM2によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル1474に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル1475乃至1477も同様である。
When the semiconductor device shown in the above embodiment is used for the
なお、トランジスタM3は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタと呼ぶ場合がある)であってもよい。Siトランジスタの導電型は、nチャネル型としてもよいし、pチャネル型としてもよい。Siトランジスタは、OSトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタM3として、Siトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタM3にSiトランジスタを用いることで、トランジスタM3の上に積層してトランジスタM2を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。 The transistor M3 may be a transistor having silicon in the channel forming region (hereinafter, may be referred to as a Si transistor). The conductive type of the Si transistor may be an n-channel type or a p-channel type. The Si transistor may have higher field effect mobility than the OS transistor. Therefore, a Si transistor may be used as the transistor M3 that functions as a readout transistor. Further, by using a Si transistor for the transistor M3, the transistor M2 can be provided by stacking it on the transistor M3, so that the occupied area of the memory cell can be reduced and the storage device can be highly integrated.
また、トランジスタM3はOSトランジスタであってもよい。トランジスタM2、M3にOSトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ1470をn型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
Further, the transistor M3 may be an OS transistor. When an OS transistor is used for the transistors M2 and M3, the circuit can be configured by using only the n-type transistor in the
また、図23(H)に3トランジスタ1容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図23(H)に示すメモリセル1478は、トランジスタM4乃至M6、および容量素子CCを有する。容量素子CCは適宜設けられる。メモリセル1478は、配線BIL、RWL、WWL、BGL、およびGNDLに電気的に接続されている。配線GNDLは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル1478を、配線BILに代えて、配線RBL、WBLに電気的に接続してもよい。
Further, FIG. 23 (H) shows an example of a gain cell type memory cell having a 3-transistor and 1-capacity element. The
トランジスタM4は、バックゲートを有するOSトランジスタであり、バックゲートは配線BGLに電気的に接続されている。なお、トランジスタM4のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタM4はバックゲートを有さなくてもよい。 The transistor M4 is an OS transistor having a back gate, and the back gate is electrically connected to the wiring BGL. The back gate and the gate of the transistor M4 may be electrically connected to each other. Alternatively, the transistor M4 does not have to have a back gate.
なお、トランジスタM5、M6はそれぞれ、nチャネル型Siトランジスタまたはpチャネル型Siトランジスタでもよい。或いは、トランジスタM4乃至M6がOSトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ1470をn型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
The transistors M5 and M6 may be n-channel type Si transistors or p-channel type Si transistors, respectively. Alternatively, the transistors M4 to M6 may be OS transistors. In this case, the
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1478に用いる場合、トランジスタM4としてトランジスタ200を用い、トランジスタM5、M6としてトランジスタ300を用い、容量素子CCとして容量素子100を用いることができる。トランジスタM4としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM4のリーク電流を非常に低くすることができる。
When the semiconductor device shown in the above embodiment is used for the
なお、本実施の形態に示す、周辺回路1411、およびメモリセルアレイ1470等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
The configurations of the
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The configuration shown in this embodiment can be appropriately combined with the configuration shown in other embodiments and the like.
(実施の形態5)
本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
(Embodiment 5)
This embodiment shows an example of an electronic component and an electronic device incorporating a storage device or the like shown in the above embodiment.
<電子部品>
まず、上記実施の形態に示す記憶装置が組み込まれた電子部品の例を、図24(A)、(B)を用いて説明を行う。
<Electronic components>
First, an example of an electronic component incorporating the storage device shown in the above embodiment will be described with reference to FIGS. 24 (A) and 24 (B).
図24(A)に電子部品700および電子部品700が実装された基板(実装基板704)の斜視図を示す。図24(A)に示す電子部品700はICチップであり、リードおよび回路部710を有する。電子部品700は、例えばプリント基板702に実装される。このようなICチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板702上で電気的に接続されることで実装基板704が完成する。
FIG. 24A shows a perspective view of the
回路部710には、上記実施の形態で示した各種の回路が1のダイに設けられている。回路部710は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Siトランジスタ層712、配線層714、OSトランジスタ層716に大別される。OSトランジスタ層716をSiトランジスタ層712に積層して設けることができるため、電子部品700の小型化が容易である。
In the
電子部品700の回路部710として、上記実施の形態に示した記憶装置が設けられている。図24(A)では、電子部品700のパッケージにQFP(Quad Flat Package)を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
As the
図24(B)に電子部品730の斜視図を示す。電子部品730は、SiP(System in package)またはMCM(Multi Chip Module)の一例である。電子部品730は、パッケージ基板732(プリント基板)上にインターポーザ731が設けられ、インターポーザ731上に半導体装置735、および複数の回路部710が設けられている。
FIG. 24B shows a perspective view of the
電子部品730では、回路部710として、上記実施の形態に示す記憶装置を広帯域メモリ(HBM:High Bandwidth Memory)として用いる例を示している。また、半導体装置735は、CPU、GPU、FPGAなどの集積回路(半導体装置)を用いることができる。
In the
パッケージ基板732は、セラミック基板、プラスチック基板、またはガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ731は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。
As the
インターポーザ731は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ731は、インターポーザ731上に設けられた集積回路をパッケージ基板732に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ731に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板732を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、TSV(Through Silicon Via)を用いることも出来る。
The
インターポーザ731としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。
It is preferable to use a silicon interposer as the
HBMでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、HBMを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、HBMを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 In HBM, it is necessary to connect many wires in order to realize a wide memory bandwidth. Therefore, the interposer on which the HBM is mounted is required to form fine and high-density wiring. Therefore, it is preferable to use a silicon interposer as an interposer for mounting HBM.
また、シリコンインターポーザを用いたSiPやMCMなどでは、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する2.5Dパッケージ(2.5次元実装)では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 Further, in SiP or MCM using a silicon interposer, the reliability is unlikely to be lowered due to the difference in the expansion coefficient between the integrated circuit and the interposer. Further, since the surface of the silicon interposer is high, poor connection between the integrated circuit provided on the silicon interposer and the silicon interposer is unlikely to occur. In particular, in a 2.5D package (2.5-dimensional mounting) in which a plurality of integrated circuits are arranged side by side on an interposer, it is preferable to use a silicon interposer.
また、電子部品730と重ねてヒートシンク(放熱板)を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ731上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品730では、回路部710と半導体装置735の高さを揃えることが好ましい。
Further, a heat sink (heat sink) may be provided so as to be overlapped with the
電子部品730を他の基板に実装するため、パッケージ基板732の底部に電極733を設けてもよい。図24(B)では、電極733を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板732の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、BGA(Ball Grid Array)実装を実現できる。また、電極733を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板732の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、PGA(Pin Grid Array)実装を実現できる。
In order to mount the
電子部品730は、BGAおよびPGAに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、SPGA(Staggered Pin Grid Array)、LGA(Land Grid Array)、QFP(Quad Flat Package)、QFJ(Quad Flat J-leaded package)、またはQFN(Quad Flat Non-leaded package)などの実装方法を用いることができる。
The
<電子機器>
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図25を用いて説明を行う。
<Electronic equipment>
Next, an example of an electronic device provided with the above electronic components will be described with reference to FIG. 25.
ロボット7100は、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ(赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど)、および移動機構などを備える。電子部品730はプロセッサなどを有し、これら周辺機器を制御する機能を有する。例えば、電子部品700はセンサで取得されたデータを記憶する機能を有する。
The
マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット7100は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット7100において、は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。
The microphone has a function of detecting an acoustic signal such as a user's voice and an environmental sound. In addition, the speaker has a function of emitting audio signals such as voice and horn. The
カメラは、ロボット7100の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット7100は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット7100は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。
The camera has a function of photographing the surroundings of the
飛行体7120は、プロペラ、カメラ、およびバッテリなどを有し、自律して飛行する機能を有する。電子部品730はこれら周辺機器を制御する機能を有する。
The flying
例えば、カメラで撮影した画像データは、電子部品700に記憶される。電子部品730は、画像データを解析し、移動する際の障害物の有無などを察知することができる。また、電子部品730によってバッテリの蓄電容量の変化から、バッテリ残量を推定することができる。
For example, the image data taken by the camera is stored in the
掃除ロボット7140は、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット7300には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット7300は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。
The
例えば、電子部品730は、カメラが撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシに絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシの回転を止めることができる。
For example, the
自動車7160は、エンジン、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。例えば、電子部品730は、ナビゲーション情報、速度、エンジンの状態、ギアの選択状態、ブレーキの使用頻度などのデータに基づいて、自動車7160の走行状態を最適化するための制御を行う。例えば、カメラで撮影した画像データは電子部品700に記憶される。
The
電子部品700および/または電子部品730は、TV装置7200(テレビジョン受像装置)、スマートフォン7210、PC7220(パーソナルコンピュータ)、7230、ゲーム機7240、ゲーム機7260等に組み込むことができる。
The
例えば、TV装置7200に内蔵された電子部品730は画像エンジンとして機能させることができる。例えば、電子部品730は、ノイズ除去、解像度アップコンバージョンなどの画像処理を行う。
For example, the
スマートフォン7210は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン7210は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。電子部品730によってこれら周辺機器が制御される。
The
PC7220、PC7230はそれぞれノート型PC、据え置き型PCの例である。PC7230には、キーボード7232、およびモニタ装置7233が無線または有線により接続可能である。ゲーム機7240は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機7260は据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機7260には、無線または有線でコントローラ7262が接続されている。コントローラ7262に、電子部品700および/または電子部品730を組み込むこともできる。
PC7220 and PC7230 are examples of notebook PCs and stationary PCs, respectively. A
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be appropriately combined with the configurations described in other embodiments and the like.
(実施の形態6)
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器(例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ(ビデオカメラも含む)、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど)の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード(例えば、SDカード)、USBメモリ、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図26にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an application example of a storage device using the semiconductor device shown in the previous embodiment will be described. The semiconductor device shown in the above embodiment is, for example, a storage device for various electronic devices (for example, an information terminal, a computer, a smartphone, an electronic book terminal, a digital camera (including a video camera), a recording / playback device, a navigation system, etc.). Can be applied to. Here, the computer includes a tablet-type computer, a notebook-type computer, a desktop-type computer, and a large-scale computer such as a server system. Alternatively, the semiconductor device shown in the above embodiment is applied to various removable storage devices such as a memory card (for example, an SD card), a USB memory, and an SSD (solid state drive). FIG. 26 schematically shows some configuration examples of the removable storage device. For example, the semiconductor device shown in the above embodiment is processed into a packaged memory chip and used for various storage devices and removable memories.
図26(A)はUSBメモリの模式図である。USBメモリ1100は、筐体1101、キャップ1102、USBコネクタ1103および基板1104を有する。基板1104は、筐体1101に収納されている。例えば、基板1104には、メモリチップ1105、コントローラチップ1106が取り付けられている。基板1104のメモリチップ1105などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
FIG. 26A is a schematic diagram of the USB memory. The
図26(B)はSDカードの外観の模式図であり、図26(C)は、SDカードの内部構造の模式図である。SDカード1110は、筐体1111、コネクタ1112および基板1113を有する。基板1113は筐体1111に収納されている。例えば、基板1113には、メモリチップ1114、コントローラチップ1115が取り付けられている。基板1113の裏面側にもメモリチップ1114を設けることで、SDカード1110の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板1113に設けてもよい。これによって、ホスト装置とSDカード1110間の無線通信によって、メモリチップ1114のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板1113のメモリチップ1114などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
FIG. 26B is a schematic diagram of the appearance of the SD card, and FIG. 26C is a schematic diagram of the internal structure of the SD card. The
図26(D)はSSDの外観の模式図であり、図26(E)は、SSDの内部構造の模式図である。SSD1150は、筐体1151、コネクタ1152および基板1153を有する。基板1153は筐体1151に収納されている。例えば、基板1153には、メモリチップ1154、メモリチップ1155、コントローラチップ1156が取り付けられている。メモリチップ1155はコントローラチップ1156のワークメモリであり、例えばDOSRAMチップを用いればよい。基板1153の裏面側にもメモリチップ1154を設けることで、SSD1150の容量を増やすことができる。基板1153のメモリチップ1154などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
FIG. 26 (D) is a schematic diagram of the appearance of the SSD, and FIG. 26 (E) is a schematic diagram of the internal structure of the SSD. The
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be appropriately combined with the configurations described in other embodiments and the like.
200 トランジスタ、203 導電体、205 導電体、210 絶縁体、212 絶縁体、214 絶縁体、216 絶縁体、218 導電体、222 絶縁体、224 絶縁体、230 酸化物、231 領域、234 領域、240 導電体、241 絶縁体、242 導電体、244 絶縁体、245 開口、246 ハードマスク、250 絶縁体、260 導電体、272 絶縁体、273 絶縁体、280 絶縁体、281 絶縁体 200 Insulator, 203 Insulator, 205 Insulator, 210 Insulator, 212 Insulator, 214 Insulator, 216 Insulator, 218 Insulator, 222 Insulator, 224 Insulator, 230 Oxide, 231 Region, 234 Region, 240 Conductor, 241 Insulator, 242 Insulator, 244 Insulator, 245 Opening, 246 Hard Mask, 250 Insulator, 260 Insulator, 272 Insulator, 273 Insulator, 280 Insulator, 281 Insulator
Claims (12)
前記酸化物上に、お互いに離間して設けられた第1の導電体、および第2の導電体と、
前記酸化物上、かつ前記第1の導電体と前記第2の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第3の導電体と、
前記第3の導電体上の第1の絶縁体と、
前記酸化物と、前記第3の導電体の間に配置され、前記第3の導電体の側面を覆い、かつ、前記第1の絶縁体の側面と接するように配置された第2の絶縁体と、
前記第1の絶縁体、および前記第2の絶縁体上の、第1の開口、および第2の開口を有する第3の絶縁体と、
前記第1の開口を介して前記第1の導電体と電気的に接続する第4の導電体と、
前記第2の開口を介して前記第2の導電体と電気的に接続する第5の導電体と、を有し、
前記第1の開口、および前記第2の開口の少なくとも一方は、前記第1の絶縁体、および前記第2の絶縁体の少なくとも一方と重畳する領域を有する、半導体装置。 With oxides
A first conductor and a second conductor provided on the oxide so as to be separated from each other,
A third conductor having a region on the oxide and overlapping with a region between the first conductor and the second conductor.
With the first insulator on the third conductor,
A second insulator arranged between the oxide and the third conductor, covering the side surface of the third conductor, and arranging so as to be in contact with the side surface of the first insulator. When,
A third insulator having a first opening and a second opening on the first insulator and the second insulator.
A fourth conductor that is electrically connected to the first conductor through the first opening.
It has a fifth conductor that is electrically connected to the second conductor through the second opening.
A semiconductor device having a region in which at least one of the first opening and the second opening overlaps with at least one of the first insulator and the second insulator.
前記第1の絶縁体、および前記第2の絶縁体は、それぞれ金属および酸素を含み、前記第3の絶縁体は、シリコンと酸素を含む、半導体装置。 In claim 1,
A semiconductor device in which the first insulator and the second insulator contain metal and oxygen, respectively, and the third insulator contains silicon and oxygen, respectively.
前記半導体装置は、前記第1の導電体の上面、および側面、前記第2の導電体の上面、および側面、並びに前記酸化物の側面を覆う第4の絶縁体と、
前記第4の絶縁体と前記第3の絶縁体の間の第5の絶縁体と、を有する、半導体装置。 In claim 1 or 2,
The semiconductor device includes an upper surface and a side surface of the first conductor, an upper surface and a side surface of the second conductor, and a fourth insulator covering the side surface of the oxide.
A semiconductor device having a fifth insulator between the fourth insulator and the third insulator.
前記第4の絶縁体は、金属および酸素を含み、前記第5の絶縁体は、シリコンと酸素を含む、半導体装置。 In claim 3,
The fourth insulator contains metal and oxygen, and the fifth insulator contains silicon and oxygen, a semiconductor device.
前記第1の絶縁体上に、第6の絶縁体を有し、
前記第6の絶縁体は、シリコンを含む窒化物である、半導体装置。 In any one of claims 1 to 4,
A sixth insulator is provided on the first insulator.
The sixth insulator is a semiconductor device which is a nitride containing silicon.
前記酸化物上に、お互いに離間して設けられた第1の導電体、第2の導電体、および前記第1の導電体と前記第2の導電体の間に設けられた第3の導電体と、
前記酸化物上、かつ前記第1の導電体と前記第3の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第4の導電体と、
前記第4の導電体上の第1の絶縁体と、
前記酸化物と、前記第4の導電体の間に配置され、前記第4の導電体の側面を覆い、かつ、前記第1の絶縁体の側面と接するように配置された第2の絶縁体と、
前記酸化物上、かつ前記第2の導電体と前記第3の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第5の導電体と、
前記第5の導電体上の第3の絶縁体と、
前記酸化物と、前記第5の導電体の間に配置され、前記第5の導電体の側面を覆い、かつ、前記第3の絶縁体の側面と接するように配置された第4の絶縁体と、
前記第1の絶縁体、前記第2の絶縁体、前記第3の絶縁体、および前記第4の絶縁体上の、開口を有する第5の絶縁体と、
前記開口を介して前記第3の導電体と電気的に接続する第6の導電体と、を有し、
前記開口は、前記第1の絶縁体、前記第2の絶縁体、前記第3の絶縁体、および前記第4の絶縁体の少なくとも一と重畳する領域を有する、半導体装置。 With oxides
A first conductor, a second conductor, and a third conductor provided between the first conductor and the second conductor, which are provided on the oxide at a distance from each other. With the body
A fourth conductor having a region on the oxide and overlapping with a region between the first conductor and the third conductor.
With the first insulator on the fourth conductor,
A second insulator arranged between the oxide and the fourth conductor, covering the side surface of the fourth conductor and in contact with the side surface of the first insulator. When,
A fifth conductor having a region on the oxide and overlapping with a region between the second conductor and the third conductor.
With the third insulator on the fifth conductor,
A fourth insulator arranged between the oxide and the fifth conductor, covering the side surface of the fifth conductor and in contact with the side surface of the third insulator. When,
A fifth insulator with an opening on the first insulator, the second insulator, the third insulator, and the fourth insulator.
It has a sixth conductor that is electrically connected to the third conductor through the opening.
A semiconductor device in which the opening has a region that overlaps with at least one of the first insulator, the second insulator, the third insulator, and the fourth insulator.
前記第1の絶縁体、前記第2の絶縁体、前記第3の絶縁体、および前記第4の絶縁体は、それぞれ金属および酸素を含み、前記第5の絶縁体は、シリコンと酸素を含む、半導体装置。 In claim 6,
The first insulator, the second insulator, the third insulator, and the fourth insulator contain metal and oxygen, respectively, and the fifth insulator contains silicon and oxygen, respectively. , Semiconductor device.
前記半導体装置は、前記第1の導電体の上面、および側面、前記第2の導電体の上面、および側面、前記第3の導電体の上面、および側面、並びに前記酸化物の側面を覆う第6の絶縁体と、
前記第6の絶縁体と前記第5の絶縁体の間の第7の絶縁体と、を有する、半導体装置。 In claim 6 or 7,
The semiconductor device covers the upper surface and side surface of the first conductor, the upper surface and side surface of the second conductor, the upper surface and side surface of the third conductor, and the side surface of the oxide. 6 insulators and
A semiconductor device having a seventh insulator between the sixth insulator and the fifth insulator.
前記第6の絶縁体は、金属および酸素を含み、前記第7の絶縁体は、シリコンと酸素を含む、半導体装置。 In claim 8,
The sixth insulator contains metal and oxygen, and the seventh insulator contains silicon and oxygen, a semiconductor device.
前記第1の絶縁体上に、第8の絶縁体を有し、
前記第3の絶縁体上に、第9の絶縁体を有し、
前記第8の絶縁体、および前記第9の絶縁体は、それぞれシリコンを含む窒化物である、半導体装置。 In any one of claims 6 to 9,
An eighth insulator is provided on the first insulator.
A ninth insulator is provided on the third insulator.
A semiconductor device in which the eighth insulator and the ninth insulator are nitrides containing silicon, respectively.
前記金属は、アルミニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、タングステン、チタン、タンタル、およびニッケルから選ばれた一である、半導体装置。 In any one of claims 2, claim 4, claim 7, and claim 9.
The metal is one selected from aluminum, hafnium, magnesium, gallium, germanium , ittrium, zirconium, lantern, neodymium, tungsten, titanium, tantalum, and nickel.
前記酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有する、半導体装置。
In any one of claims 1 to 11 .
A semiconductor device in which the oxide has In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
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