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JP7441282B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device.

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、及び電子機器などは、半導体装置を有するといえる場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. Semiconductor elements such as transistors, semiconductor circuits, arithmetic devices, and storage devices are examples of semiconductor devices. Display devices (liquid crystal display devices, light emitting display devices, etc.), projection devices, lighting devices, electro-optical devices, power storage devices, storage devices, semiconductor circuits, imaging devices, electronic equipment, 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、又は、製造方法に関するものである。又は、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. One embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter.

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。)等の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。 2. Description of the Related Art Technologies for constructing transistors using semiconductor thin films are attracting attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices). Although silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, oxide semiconductors are attracting attention as other materials.

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はIn-Ga-Zn酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタを用いて、表示装置を作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照。)。 For example, a technique for manufacturing a display device using a transistor having a channel formation region using zinc oxide or In-Ga-Zn oxide as an oxide semiconductor has been disclosed (see Patent Document 1 and Patent Document 2). ).

さらに近年、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、記憶装置の集積回路を作製する技術が公開されている(特許文献3参照。)。また、記憶装置だけでなく、演算装置等も、酸化物半導体を有するトランジスタによって作製されてきている。 Furthermore, in recent years, a technique for manufacturing an integrated circuit of a memory device using a transistor including an oxide semiconductor has been disclosed (see Patent Document 3). Furthermore, not only memory devices but also arithmetic devices and the like have been manufactured using transistors including oxide semiconductors.

特開2007-123861号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-123861 特開2007-96055号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-96055 特開2011-119674号公報Japanese Patent Application Publication No. 2011-119674

ところで、電子機器の高性能化、小型化、軽量化に伴い、集積回路は高集積化され、トランジスタのサイズは微細化している。これに従って、トランジスタ作製のプロセスルールも、45nm、32nm、22nmと年々小さくなっている。これに伴い、酸化物半導体を有するトランジスタも、微細な構造において、設計通り良好な電気特性を有するものが求められている。 By the way, as electronic devices become more sophisticated, smaller, and lighter, integrated circuits become more highly integrated and the size of transistors becomes smaller. Accordingly, the process rules for manufacturing transistors are becoming smaller year by year, from 45 nm to 32 nm to 22 nm. Along with this, transistors including oxide semiconductors are also required to have good electrical characteristics as designed in a fine structure.

本発明の一態様は、微細化又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。又は、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。又は、本発明の一態様は、オフ電流の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、オン電流の大きい半導体装置を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、基板面内の電気特性ばらつきが小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。又は、本発明の一態様は、信頼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。又は、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の一つとする。又は、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とする。又は、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。又は、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とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low off-state current. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a large on-current. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with small variations in electrical characteristics within the plane of a substrate. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a high degree of freedom in design. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high productivity. Alternatively, an object of one embodiment 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。 Note that the description of these issues does not preclude the existence of other issues. Note that one embodiment of the present invention does not need to solve all of these problems. Note that issues other than these will naturally become clear from the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract issues other than these from the description, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様は、第1の導電体と、第1の導電体上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の第2の導電体と、第1の導電体、第1の絶縁体、及び第2の導電体の側面と接する領域を有する酸化物と、酸化物上の第2の絶縁体と、第2の絶縁体上の第3の導電体と、を有し、第2の絶縁体は、酸化物を介して、第1の導電体、第1の絶縁体、及び第2の導電体の側面と向かい合う領域を有し、第3の導電体は、酸化物及び第2の絶縁体を介して、第1の導電体、第1の絶縁体、及び第2の導電体の側面と向かい合う領域を有する、半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a first conductor, a first insulator on the first conductor, a second conductor on the first insulator, a first conductor, and a first insulator. an oxide having a region in contact with a side surface of the second conductor, a second insulator on the oxide, and a third conductor on the second insulator, The second insulator has a region facing the first conductor, the first insulator, and the side surface of the second conductor through an oxide, and the third conductor has an oxide and a region facing the side surfaces of the second conductor. The semiconductor device has a first conductor, a first insulator, and a region facing side surfaces of the second conductor with a second insulator interposed therebetween.

また、上記態様において、第1の導電体、第1の絶縁体、及び第2の導電体は、第3の絶縁体で覆われ、第3の絶縁体は開口を有し、酸化物、第2の絶縁体、及び第3の導電体は、開口を埋め込むように形成されていてもよい。 Further, in the above aspect, the first conductor, the first insulator, and the second conductor are covered with a third insulator, the third insulator has an opening, and the first conductor, the first insulator, and the second conductor are The second insulator and the third conductor may be formed to fill the opening.

また、上記態様において、酸化物は、第2の導電体の上面と接する領域を有し、第2の絶縁体は、酸化物を介して、第2の導電体の上面と重なる領域を有し、第3の導電体は、酸化物及び第2の絶縁体を介して、第2の導電体の上面と重なる領域を有していてもよい。 Further, in the above aspect, the oxide has a region in contact with the top surface of the second conductor, and the second insulator has a region overlapping with the top surface of the second conductor via the oxide. , the third conductor may have a region that overlaps with the upper surface of the second conductor via the oxide and the second insulator.

また、上記態様において、第1の絶縁体の膜厚は、1nm以上100nm以下であってもよい。 Further, in the above aspect, the film thickness of the first insulator may be 1 nm or more and 100 nm or less.

また、上記態様において、酸化物は、金属酸化物を含んでいてもよい。 Further, in the above embodiment, the oxide may include a metal oxide.

本発明の一態様により、微細化又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。又は、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。又は、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。又は、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。又は、本発明の一態様により、基板面内の電気特性ばらつきが小さい半導体装置を提供することができる。又は、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。又は、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。又は、本発明の一態様により、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。又は、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。又は、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having good electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with a large on-current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with small variations in electrical characteristics within a substrate surface can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with a high degree of freedom in design can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly productive semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel 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。 Note that the description of these effects does not preclude the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not need to have all of these effects. Note that effects other than these will become obvious from the description, drawings, claims, etc., and effects other than these can be extracted from the description, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係る半導体装置の上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図及び断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a storage device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a storage device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a storage device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a storage device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図及び回路図。1 is a block diagram and a circuit diagram illustrating a configuration example of a storage device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図、回路図、及び半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。1A and 1B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and a timing chart illustrating an operation example of the semiconductor device. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示す回路図、及び半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。2A and 2B are a circuit diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and a timing chart illustrating an operation example of the semiconductor device. 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。1 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体ウエハの上面図。FIG. 1 is a top view of a semiconductor wafer according to one embodiment of the present invention. 電子部品の作製工程例を説明するフローチャート及び斜視模式図。A flowchart and a perspective schematic diagram illustrating an example of a manufacturing process of an electronic component. 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。1 is a diagram illustrating an electronic device according to one embodiment of the present invention.

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、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。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, those skilled in the art will readily understand that the embodiments can be implemented in many different ways and that the form and details thereof can be changed in various ways without departing from the spirit and scope thereof. Ru. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the contents described in the following embodiments.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、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、図面に示す形状又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、同一部分又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。 In addition, in the drawings, the size, thickness of layers, or regions may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. Note that the drawings schematically show ideal examples and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in actual manufacturing processes, layers, resist masks, etc. may be unintentionally reduced due to treatments such as etching, but these are sometimes omitted for ease of understanding. In addition, in the drawings, the same reference numerals are used for the same parts or parts having similar functions in different drawings, and repeated description thereof may be omitted. Furthermore, when referring to similar functions, the same hatch pattern may be used and no particular reference numeral may be attached.

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, particularly in top views (also referred to as "plan views") and perspective views, descriptions 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、工程順又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」又は「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 this specification and the like, ordinal numbers such as first, second, etc. are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. Therefore, for example, the description can be made by replacing "first" with "second" or "third" as appropriate. Furthermore, the ordinal numbers described in this 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。 Furthermore, in this specification and the like, words indicating placement such as "above" and "below" are used for convenience in order to explain the positional relationship between structures with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the structures changes as appropriate depending on the direction in which each structure is depicted. Therefore, the words and phrases are not limited to those explained in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が-10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、-5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が-30°以上30°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°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 Furthermore, in this specification and the like, "parallel" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10° or more and 10° or less. Therefore, cases where the angle is between -5° and 5° are also included. Furthermore, "substantially parallel" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30° or more and 30° or less. Moreover, "perpendicular" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80° or more and 100° or less. Therefore, the case where the angle is 85° or more and 95° or less is also included. Moreover, "substantially perpendicular" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60° or more and 120° or less.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 Further, in this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel formation region is provided between the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode) and the source (source terminal, source region, or source electrode), and a channel formation region is provided between the source and the drain via the channel formation region. It is something that can pass current through. Note that in this specification and the like, a channel formation region refers to a region through which current mainly flows.

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。 Furthermore, the functions of the source and drain may be interchanged when transistors with different polarities are used, or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain may be used interchangeably.

なお、トランジスタにおけるチャネル長とは、例えば、半導体(又はトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、又はチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域又はソース電極)とドレイン(ドレイン領域又はドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値又は平均値とする。 Note that the channel length in a transistor refers to, for example, the region where the semiconductor (or the part of the semiconductor where current flows when the transistor is on) and the gate electrode overlap, or the length of the source (in the region where the channel is formed). The distance between the source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode). Note that in one transistor, the channel length does not necessarily take the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be determined to one value. Therefore, in this specification, the channel length is defined as any one value, maximum value, minimum value, or average value in a region where a channel is formed.

また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。 Furthermore, in this specification, etc., a silicon oxynitride film refers to a film whose composition contains more oxygen than nitrogen, and a silicon nitride oxide film refers to a film whose composition contains more nitrogen than oxygen. refers to a membrane with a large amount of

また、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又は単にOSともいう。)などに分類される。例えば、トランジスタのチャネル形成領域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、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。また、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、金属酸化物又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。 Furthermore, in this specification and the like, metal oxide refers to a metal oxide in a broad sense. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors or simply OS), and the like. For example, when a metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the metal oxide is sometimes called an oxide semiconductor. That is, when a metal oxide has at least one of an amplification effect, a rectification effect, and a switching effect, the metal oxide can be called a metal oxide semiconductor (metal oxide semiconductor), or OS for short. Moreover, when describing an OS FET or an OS transistor, it can be referred to as a transistor including a metal oxide or an oxide semiconductor.

また、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。 Further, in this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides. Furthermore, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

また、本明細書等において、CAAC(C-Axis Aligned Crystal)、及び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、又は材料の構成の一例を表す。 Further, in this specification and the like, it may be described as CAAC (C-Axis Aligned Crystal) and CAC (Cloud-Aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material configuration.

また、本明細書等において、CAC-OS又はCAC-metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能を有し、材料の一部では絶縁性の機能を有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC-OS又は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、導電性の機能は、キャリアとなる電子(又は正孔)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子(又は正孔)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又はCAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OS又は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。 In addition, in this specification, etc., CAC-OS or CAC-metal oxide means that a part of the material has a conductive function, a part of the material has an insulating function, and the entire material has a semiconductor function. It has the function of Note that when CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel formation region of a transistor, the conductive function is the function of flowing electrons (or holes) that become carriers, and the insulating function is the function of flowing electrons (or holes) that become carriers. This is a function that does not allow electrons (or holes) to flow. A switching function (on/off function) can be imparted to CAC-OS or CAC-metal oxide by making the conductive function and the insulating function act complementary to each other. By separating the functions of CAC-OS or CAC-metal oxide, the functions of both can be maximized.

また、本明細書等において、CAC-OS又はCAC-metal oxideは、導電性領域、及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。 Furthermore, in this specification and the like, 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 a material, a conductive region and an insulating region may be separated at the nanoparticle level. Further, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. Further, the conductive regions may be observed to be connected in a cloud-like manner with the periphery blurred.

また、CAC-OS又は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 each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less. There is.

また、CAC-OS又は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又は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又は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、及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 caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of this configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. Furthermore, the component having a narrow gap acts complementary to the component having a wide gap, and carriers also flow into the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the above-mentioned CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel formation region of a transistor, a high current driving force, that is, a large on-state current, and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC-OS又はCAC-metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、又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, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 Furthermore, in this specification and the like, the terms "film" and "layer" can be used interchangeably. For example, the term "conductive layer" may be changed to the term "conductive film." Or, for example, the term "insulating film" may be changed to the term "insulating layer."

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜又は絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜又は導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜又は半導体層と言い換えることができる。 Further, in this specification and the like, the term "insulator" can be replaced with an insulating film or an insulating layer. Further, the term "conductor" can be replaced with a conductive film or a conductive layer. Further, the term "semiconductor" can be translated as a semiconductor film or a semiconductor layer.

また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、nチャネル型のトランジスタとする。よって、その閾値電圧(「Vth」ともいう。)は、明示されている場合を除き、0Vよりも大きいものとする。 Further, transistors shown in this specification and the like are field-effect transistors, unless otherwise specified. Further, transistors shown in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, the threshold voltage (also referred to as "Vth") is assumed to be greater than 0V, unless specified otherwise.

(実施の形態1)
<半導体装置の構成例1>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ10を有する半導体装置の構成例について、図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
<Configuration example 1 of semiconductor device>
A configuration example of a semiconductor device including a transistor 10 according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

図1(A)は、トランジスタ10を有する半導体装置の上面図である。また、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る。ここで、A1-A2の一点鎖線で示す部位と、A3-A4の一点鎖線で示す部位とは、互いに直交している。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 including a transistor 10. Further, FIG. 1(B) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed line A1-A2 in FIG. 1(A). Further, FIG. 1(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line A3-A4 in FIG. 1(A). Here, the portion indicated by the dashed-dotted line A1-A2 and the portion indicated by the dashed-dotted line A3-A4 are orthogonal to each other. In the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for clarity.

本発明の一態様の半導体装置は、基板(図示しない。)上に、トランジスタ10と、層間膜として機能する絶縁体100、絶縁体102、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180と、を有する。また、トランジスタ10と電気的に接続し、配線として機能する導電体185、及び導電体200、並びにプラグとして機能する導電体190、及び導電体195を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 10, an insulator 100, an insulator 102, an insulator 105, an insulator 110, an insulator 175, and an insulator that function as interlayer films over a substrate (not shown). 176, an insulator 178, and an insulator 180. The semiconductor device also includes a conductor 185 and a conductor 200 that are electrically connected to the transistor 10 and function as wiring, and a conductor 190 and a conductor 195 that function as a plug.

導電体185は、絶縁体105に設けられた開口内に形成される。ここで、導電体185の上面の高さと、絶縁体105の上面の高さは、同程度であることが好ましい。なお、図1(B)では、導電体185を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、導電体185は、2層以上の積層構造であってもよい。 Conductor 185 is formed within an opening provided in insulator 105 . Here, the height of the top surface of the conductor 185 and the height of the top surface of the insulator 105 are preferably approximately the same. Note that although the conductor 185 is shown as having a single-layer structure in FIG. 1B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 185 may have a laminated structure of two or more layers.

導電体190は、絶縁体110に設けられた開口内に形成される。導電体190の底面は、導電体185の上面と接する領域を有するように設けられる。ここで、導電体190の上面の高さと、絶縁体110の上面の高さは、同程度であることが好ましい。なお、図1(B)では、導電体190を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、導電体190は、絶縁体110に設けられた開口の内壁に接して、水素や水などの不純物、及び酸素の透過を抑制する材料からなる導電体を形成し、当該導電体上に、当該導電体よりも導電率の高い材料からなる導電体を形成した2層以上の積層構造であってもよい。 Conductor 190 is formed within an opening provided in insulator 110 . The bottom surface of the conductor 190 is provided so as to have a region in contact with the top surface of the conductor 185. Here, the height of the top surface of the conductor 190 and the height of the top surface of the insulator 110 are preferably approximately the same. Note that although the conductor 190 is shown as having a single-layer structure in FIG. 1B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 190 is made of a material that suppresses the permeation of impurities such as hydrogen and water, and oxygen, in contact with the inner wall of the opening provided in the insulator 110, and on the conductor, It may be a laminated structure of two or more layers in which a conductor is made of a material having higher conductivity than the conductor.

導電体195は、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180に設けられた、導電体140の上面に達する開口内に形成される。ここで、導電体195の上面の高さと、絶縁体180の上面の高さは、同程度であることが好ましい。なお、図1(B)では、導電体195を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない、例えば、導電体195は、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180に設けられた開口の内壁に接して、水素や水などの不純物、及び酸素の透過を抑制する材料からなる導電体を形成し、当該導電体上に、当該導電体よりも導電率の高い材料からなる導電体を形成した2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 195 is formed in an opening that is provided in the insulator 175 , the insulator 176 , the insulator 178 , and the insulator 180 and reaches the upper surface of the conductor 140 . Here, the height of the top surface of the conductor 195 and the height of the top surface of the insulator 180 are preferably approximately the same. Note that although the conductor 195 is illustrated as having a single-layer structure in FIG. 1B, one embodiment of the present invention is not limited to this. A conductor made of a material that suppresses the permeation of impurities such as hydrogen and water and oxygen is formed in contact with the inner wall of the opening provided in the body 178 and the insulator 180, and a conductor is formed on the conductor. It may be a laminated structure of two or more layers in which a conductor made of a material having higher conductivity than the above conductor is formed.

導電体200は、導電体195の上面と接する領域を有するように、絶縁体180上に形成される。なお、図1(B)では、導電体200を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、導電体200は、2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 200 is formed on the insulator 180 so as to have a region in contact with the upper surface of the conductor 195. Note that although the conductor 200 is shown as having a single-layer structure in FIG. 1B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 200 may have a laminated structure of two or more layers.

[トランジスタ10]
図1(B)に示すように、トランジスタ10は、絶縁体110の上に配置された導電体120及び酸化物150と、導電体120の上に配置された絶縁体130と、絶縁体130の上に配置された導電体140と、酸化物150の上に配置された絶縁体160と、絶縁体160の上に配置された導電体170と、を有する。ここで、酸化物150は、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と接する領域を有するように設けられる。また、絶縁体160は、酸化物150を介して、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と向かい合う領域を有するように設けられる。また、導電体170は、酸化物150及び絶縁体160を介して、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と向かい合う領域を有するように設けられる。
[Transistor 10]
As shown in FIG. 1B, the transistor 10 includes a conductor 120 and an oxide 150 disposed on an insulator 110, an insulator 130 disposed on the conductor 120, and an oxide 150 disposed on the insulator 110. A conductor 140 is disposed thereon, an insulator 160 is disposed on the oxide 150, and a conductor 170 is disposed on the insulator 160. Here, the oxide 150 is provided so as to have a region in contact with the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140. Further, the insulator 160 is provided so as to have a region facing the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140 with the oxide 150 interposed therebetween. Further, the conductor 170 is provided so as to have a region facing the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140 with the oxide 150 and the insulator 160 interposed therebetween.

図1(B)及び図1(C)に示すように、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の上には、これらを覆うように絶縁体175が設けられる。絶縁体175には、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と内壁の一部が重なる開口が設けられ、当該開口の内壁に沿って酸化物150が設けられ、酸化物150の上に絶縁体160が設けられ、絶縁体160の上に当該開口を埋め込むように導電体170が設けられる。ここで、図1(B)に示すように、酸化物150、絶縁体160、及び導電体170の最上面の高さは、絶縁体175の上面の高さと同程度であることが好ましい。なお、図1(B)では、酸化物150を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、酸化物150は、2層以上の積層構造であってもよい。 As shown in FIGS. 1B and 1C, an insulator 175 is provided over the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140 so as to cover them. The insulator 175 is provided with an opening whose inner wall partially overlaps the side surface of the conductor 120 , insulator 130 , and conductor 140 , and an oxide 150 is provided along the inner wall of the opening. An insulator 160 is provided above, and a conductor 170 is provided above the insulator 160 so as to fill the opening. Here, as shown in FIG. 1B, the heights of the top surfaces of the oxide 150, the insulator 160, and the conductor 170 are preferably approximately the same as the height of the top surface of the insulator 175. Note that although the oxide 150 is shown as having a single layer structure in FIG. 1B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the oxide 150 may have a laminated structure of two or more layers.

トランジスタ10において、導電体120は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物150の絶縁体130と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体160は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体170は、ゲート電極としての機能を有する。 In the transistor 10, the conductor 120 has a function as either a source electrode or a drain electrode, and the conductor 140 has a function as the other source electrode or drain electrode, and the conductor 140 has a function as the other of the source electrode or the drain electrode. The overlapping region functions as a channel formation region, the insulator 160 functions as a gate insulator, and the conductor 170 functions as a gate electrode.

上述のように、本発明の一態様に係るトランジスタ10は、ソース電極又はドレイン電極の一方として機能する導電層(導電体120)、チャネル形成領域として機能する酸化物と接する領域を有する絶縁層(絶縁体130)、及び、ソース電極又はドレイン電極の他方として機能する導電層(導電体140)が、下から順に積層された構成を有する。すなわち、トランジスタ10では、キャリア(電子又は正孔)が流れる方向(チャネル長方向)が、基板面に対して略垂直な方向となる。トランジスタ10が当該構成を有することで、トランジスタ10のチャネル長は、ソース電極とドレイン電極の間に挟まれた絶縁体130の膜厚で規定される。したがって、トランジスタ10のチャネル長を、絶縁体130の成膜時の膜厚で制御することが可能となる。例えば、トランジスタ10のチャネル長を、1nm以上100nm以下の範囲で任意に制御することが可能となる。そのため、リソグラフィー法などでチャネル長を形成する場合よりも、基板面内で精度良く複数の微細なトランジスタを作製することができる。 As described above, the transistor 10 according to one embodiment of the present invention includes a conductive layer (conductor 120) that functions as either a source electrode or a drain electrode, and an insulating layer (conductor 120) that has a region in contact with an oxide that functions as a channel formation region. It has a structure in which an insulator 130) and a conductive layer (conductor 140) functioning as the other of the source electrode or the drain electrode are laminated in order from the bottom. That is, in the transistor 10, the direction in which carriers (electrons or holes) flow (channel length direction) is substantially perpendicular to the substrate surface. With the transistor 10 having this configuration, the channel length of the transistor 10 is defined by the thickness of the insulator 130 sandwiched between the source electrode and the drain electrode. Therefore, the channel length of the transistor 10 can be controlled by the thickness of the insulator 130 when it is formed. For example, the channel length of the transistor 10 can be arbitrarily controlled within a range of 1 nm or more and 100 nm or less. Therefore, a plurality of fine transistors can be manufactured within the substrate surface with higher precision than when the channel length is formed using a lithography method or the like.

なお、トランジスタ10において、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150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。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、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。また、金属酸化物は、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。 Note that in the transistor 10, the oxide 150 that functions as a channel formation region is preferably a metal oxide that functions as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor). A transistor using a metal oxide in a channel formation region has extremely low leakage current (off current) in a non-conducting state, and thus can provide a semiconductor device with low power consumption. Furthermore, since metal oxides can be formed into films using sputtering methods or the like, they can be used for transistors included in highly integrated semiconductor devices.

一方で、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、金属酸化物中の不純物又は酸素欠損によって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、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。したがって、酸素欠損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、金属酸化物中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 On the other hand, in a transistor using a metal oxide for a channel formation region, the electrical characteristics tend to fluctuate due to impurities or oxygen vacancies in the metal oxide, and reliability may deteriorate. Furthermore, hydrogen contained in metal oxides reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, which may result in the formation of oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancy, electrons, which are carriers, may be generated. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing oxygen vacancies is used in a channel formation region tends to have normally-on characteristics. For this reason, it is preferable that oxygen vacancies in the metal oxide be reduced as much as possible.

特に、酸化物150が有するチャネル形成領域と、ゲート絶縁体として機能する絶縁体160との界面に、酸素欠損が存在すると、トランジスタ10の電気特性の変動が生じやすく、また信頼性が悪くなる場合がある。 In particular, if oxygen vacancies exist at the interface between the channel forming region of the oxide 150 and the insulator 160 functioning as a gate insulator, the electrical characteristics of the transistor 10 are likely to fluctuate, and reliability may deteriorate. There is.

そこで、酸化物150と接する絶縁体160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。つまり、絶縁体160が有する過剰酸素が、酸化物150が有するチャネル形成領域へと拡散することで、当該チャネル形成領域中の酸素欠損を低減することができる。 Therefore, it is preferable that the insulator 160 in contact with the oxide 150 contains more oxygen (also referred to as excess oxygen) than the oxygen that satisfies the stoichiometric composition. In other words, excess oxygen in the insulator 160 diffuses into the channel formation region of the oxide 150, so that oxygen vacancies in the channel formation region can be reduced.

さらに、トランジスタ10は、水又は水素などの不純物の混入を防ぐバリア性を有する絶縁体で覆われていることが好ましい。バリア性を有する絶縁体とは、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(NO、NO、NO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。)絶縁性材料を用いた絶縁体である。また、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。 Furthermore, it is preferable that the transistor 10 be covered with an insulator having barrier properties that prevent impurities such as water or hydrogen from entering. An insulator with barrier properties has the ability to suppress the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules ( N2O , NO, NO2 , etc.), and copper atoms. It is an insulator using an insulating material that has (the impurities mentioned above are difficult to pass through). Further, it is preferable to use an insulating material that has a function of suppressing the diffusion of at least one of oxygen (eg, oxygen atoms, oxygen molecules, etc.) (the above-mentioned oxygen is difficult to permeate).

例えば、トランジスタ10を、バリア性を有する絶縁体102上に設ける。また、トランジスタ10上に、バリア性を有する絶縁体178を設ける。絶縁体102と、絶縁体178とが、トランジスタ10の上下に配置された構造とすることで、トランジスタ10を、バリア性を有する絶縁体で挟むことができる。当該構造により、水素、水などの不純物が、絶縁体102の下層から、及び、絶縁体178の上層から、トランジスタ10に混入するのを抑制することができる。又は、絶縁体130及び絶縁体160に含まれる酸素が、絶縁体102の下層、及び、絶縁体178の上層へ拡散するのを抑制することができる。これにより、絶縁体130及び絶縁体160に含まれる酸素を、酸化物150が有するチャネル形成領域に効率良く供給することができる。 For example, the transistor 10 is provided over an insulator 102 having barrier properties. Further, an insulator 178 having barrier properties is provided over the transistor 10. With the structure in which the insulator 102 and the insulator 178 are disposed above and below the transistor 10, the transistor 10 can be sandwiched between the insulators having barrier properties. With this structure, impurities such as hydrogen and water can be suppressed from entering the transistor 10 from the lower layer of the insulator 102 and from the upper layer of the insulator 178. Alternatively, oxygen contained in the insulator 130 and the insulator 160 can be suppressed from diffusing into the lower layer of the insulator 102 and the upper layer of the insulator 178. Thereby, oxygen contained in the insulator 130 and the insulator 160 can be efficiently supplied to the channel formation region of the oxide 150.

以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ10を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。 A detailed structure of a semiconductor device including the transistor 10 according to one embodiment of the present invention will be described below.

絶縁体102及び絶縁体178は、水又は水素などの不純物が、当該絶縁体よりも外側からトランジスタ10に混入するのを防ぐバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体102及び絶縁体178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(NO、NO、NO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。又は、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。 The insulator 102 and the insulator 178 preferably function as a barrier film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 10 from outside the insulator. Therefore, the insulator 102 and the insulator 178 suppress the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules ( N2O , NO, NO2, etc.), and copper atoms. It is preferable to use an insulating material that has the function of preventing the impurities from passing through. Alternatively, it is preferable to use an insulating material that has a function of suppressing the diffusion of at least one of oxygen (eg, oxygen atoms, oxygen molecules, etc.) (the above-mentioned oxygen is difficult to permeate).

例えば、絶縁体102及び絶縁体178として、酸化アルミニウムや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、当該絶縁体よりも内側(トランジスタ10側)に拡散するのを抑制することができる。又は、絶縁体130などに含まれる酸素が、絶縁体102及び絶縁体178よりも外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, silicon nitride, or the like as the insulator 102 and the insulator 178. Thereby, impurities such as hydrogen and water can be suppressed from diffusing inside the insulator (toward the transistor 10 side). Alternatively, oxygen contained in the insulator 130 and the like can be suppressed from diffusing outside the insulator 102 and the insulator 178.

また、例えば、絶縁体102及び絶縁体178としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコンなどの絶縁体を単層又は積層で用いることができる。 Further, for example, as the insulator 102 and the insulator 178, an insulator such as aluminum oxide, hafnium oxide, or silicon nitride can be used in a single layer or in a stacked layer.

また、層間膜として機能する絶縁体100、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体180は、絶縁体102及び絶縁体178よりも誘電率が低いことが好ましい。当該絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を用いることで、例えば、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Furthermore, it is preferable that the insulators 100, 105, 110, 175, 176, and 180, which function as interlayer films, have a lower dielectric constant than the insulators 102 and 178. By using a material with a relatively low dielectric constant for the insulator, for example, parasitic capacitance occurring between wirings can be reduced.

例えば、絶縁体100、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体180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(SrTiO)又は(Ba,Sr)TiO(BST)などの絶縁体を単層又は積層で用いることができる。又は、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。又は、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、酸化窒化シリコン又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。なお、上記の各種絶縁体は、膜中における水素や水などの不純物濃度が、可能な限り低減されていることが好ましい。 For example, as the insulator 100, insulator 105, insulator 110, insulator 175, insulator 176, and insulator 180, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide Insulators such as lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba,Sr)TiO 3 (BST) can be used in a single layer or in a stacked layer. Alternatively, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked on the above insulator. Note that it is preferable that the concentration of impurities such as hydrogen and water in the film of each of the above-mentioned insulators is reduced as much as possible.

また、トランジスタ10において、絶縁体130は、ソース電極又はドレイン電極の一方として機能する導電体120と、ソース電極又はドレイン電極の他方として機能する導電体140とを、物理的かつ電気的に隔離する機能を有する。絶縁体130の膜厚は、1nm以上100nm以下であることが好ましい。上述したように、絶縁体130の側面は、酸化物150が有するトランジスタ10のチャネル形成領域と接している。そのため、絶縁体130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酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体130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150に接して設けることにより、酸化物150が有するチャネル形成領域の酸素欠損を低減し、トランジスタ10の信頼性を向上させることができる。 Further, in the transistor 10, the insulator 130 physically and electrically isolates the conductor 120 functioning as one of the source electrode or the drain electrode and the conductor 140 functioning as the other source electrode or the drain electrode. Has a function. The thickness of the insulator 130 is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. As described above, the side surface of the insulator 130 is in contact with the channel formation region of the transistor 10 that the oxide 150 has. Therefore, as the insulator 130, it is preferable to use an oxide insulator containing more oxygen than the oxygen that satisfies the stoichiometric composition. That is, it is preferable that an excess oxygen region is formed in the insulator 130. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 150, oxygen vacancies in the channel formation region of the oxide 150 can be reduced, and the reliability of the transistor 10 can be improved.

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。加熱により酸素が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1.0×1014atoms/cm以上、好ましくは3.0×1015atoms/cm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℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, as the insulator having an excess oxygen region, it is preferable to use an oxide material from which some oxygen is released by heating. An oxide from which oxygen is desorbed by heating is an oxide whose amount of desorbed oxygen in terms of oxygen atoms is 1.0×10 14 atoms/cm 2 or more, preferably 3 by TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. It is an oxide film having a density of .0×10 15 atoms/cm 2 or more. Note that the surface temperature of the film during the above TDS analysis is preferably in the range of 100° C. or higher and 700° C. or lower.

なお、絶縁体130は、酸素をできるだけ含んでいたほうが良い一方で、水素や水などについては、できるだけ含んでいないことが好ましい。これは、トランジスタ10にとって、水素や水などが電気特性を変動させる要因となり得るためである。そのため、チャネル形成領域として機能する酸化物150中だけでなく、酸化物150と接する絶縁体130についても、トランジスタ10にとって不純物となり得る水素や水などの含有濃度が可能な限り低減されていることが好ましい。 Note that while it is better for the insulator 130 to contain as much oxygen as possible, it is preferable that the insulator 130 contains as little hydrogen, water, and the like as possible. This is because hydrogen, water, and the like can be a factor that changes the electrical characteristics of the transistor 10. Therefore, it is important that the concentration of hydrogen, water, etc. that can become impurities for the transistor 10 is reduced as much as possible not only in the oxide 150 that functions as a channel formation region but also in the insulator 130 that is in contact with the oxide 150. preferable.

また、トランジスタ10のチャネル形成領域として機能する酸化物150には、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、チャネル形成領域に用い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。 Further, for the oxide 150 that functions as a channel formation region of the transistor 10, a metal oxide that functions as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used. For example, as the metal oxide used for the channel forming region, it is preferable to use one with a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. In this way, by using a metal oxide with a large band gap, the off-state current of the transistor can be reduced.

酸化物150は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物を用いた、2層以上の積層構造を有していてもよい。例えば、酸化物150が、酸化物150a(1層目)と、酸化物150b(2層目)と、からなる2層構造である場合、酸化物150b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150a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150b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150a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150a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150b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。 The oxide 150 may have a laminated structure of two or more layers using oxides having different atomic ratios of metal atoms. For example, when the oxide 150 has a two-layer structure consisting of an oxide 150a (first layer) and an oxide 150b (second layer), in the metal oxide used for the oxide 150b, It is preferable that the atomic ratio of the element M is larger than the atomic ratio of the element M among the constituent elements in the metal oxide used for the oxide 150a. Further, in the metal oxide used for the oxide 150b, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 150a. Further, in the metal oxide used for the oxide 150a, the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 150b.

酸化物150が上記構成を有する場合、主として、酸化物150aが、トランジスタ10のチャネル形成領域として機能する。ここで、異なる材料からなる絶縁体160と酸化物150bの界面には、組成の近い材料からなる酸化物150aと酸化物150bの界面よりも欠陥準位が形成されやすい。当該欠陥準位は、トランジスタ10の電気特性変動や、信頼性悪化を引き起こすトラップ準位となり得るが、酸化物150a上に酸化物150bを有する構成とすることで、当該欠陥準位を酸化物150aから離すことができる。これにより、トランジスタ10は、良好な電気特性と信頼性を提供することができる。 When the oxide 150 has the above structure, the oxide 150a mainly functions as a channel formation region of the transistor 10. Here, defect levels are more likely to be formed at the interface between the insulator 160 and the oxide 150b made of different materials than at the interface between the oxide 150a and the oxide 150b made of materials with similar compositions. The defect level can become a trap level that causes variations in the electrical characteristics of the transistor 10 and deterioration of reliability. However, by having the oxide 150b on the oxide 150a, the defect level is can be separated from Thereby, the transistor 10 can provide good electrical characteristics and reliability.

また、酸化物150a上に酸化物150bを有することで、酸化物150bよりも上方から、酸化物150aが有するチャネル形成領域に不純物が拡散するのを抑制することができる。 Furthermore, by providing the oxide 150b over the oxide 150a, diffusion of impurities from above the oxide 150b into the channel formation region included in the oxide 150a can be suppressed.

上述したように、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、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、金属酸化物は、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。 As described above, a transistor in which a metal oxide is used in a channel formation region has extremely small leakage current in a non-conducting state, and thus can provide a semiconductor device with low power consumption. Furthermore, since metal oxides can be formed into films using sputtering methods or the like, they can be used for transistors included in highly integrated semiconductor devices.

例えば、酸化物150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、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物150として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。 For example, as the oxide 150, In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium) , hafnium, tantalum, tungsten, or one or more selected from magnesium, etc.) may be used. Further, as the oxide 150, an In--Ga oxide or an In--Zn oxide may be used.

導電体120及び導電体140は、トランジスタ10のソース電極又はドレイン電極としての機能を有する。図1(B)及び図1(C)に示すように、導電体120と、導電体140とは、絶縁体130を挟んで上下に設けられる。導電体120及び導電体140には、例えば、窒化タンタル、タングステン、窒化チタンなどの導電体を用いることができる。なお、図1では、導電体120及び導電体140を単層構造として示しているが、2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 120 and the conductor 140 function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 10. As shown in FIGS. 1(B) and 1(C), the conductor 120 and the conductor 140 are provided above and below with the insulator 130 in between. For the conductor 120 and the conductor 140, for example, a conductor such as tantalum nitride, tungsten, titanium nitride, or the like can be used. Note that although the conductor 120 and the conductor 140 are shown as having a single layer structure in FIG. 1, they may have a laminated structure of two or more layers.

例えば、導電体120及び導電体140が2層構造である場合には、導電体120(導電体140)の1層目(2層目)にタングステンなどの金属を用い、導電体120(導電体140)の2層目(1層目)に窒化チタンや窒化タンタル等の酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を用いてもよい。当該構成とすることで、上述したように、導電体120と導電体140とに挟まれた絶縁体130が過剰酸素を含む場合、絶縁体130から導電体120(導電体140)の1層目(2層目)への酸素の混入が低減し、導電体120(導電体140)の1層目(2層目)の電気抵抗値が増加するのを抑制することができる。 For example, when the conductor 120 and the conductor 140 have a two-layer structure, a metal such as tungsten is used for the first layer (second layer) of the conductor 120 (conductor 140), and A conductor having a function of suppressing oxygen permeation, such as titanium nitride or tantalum nitride, may be used for the second layer (first layer) of 140). With this configuration, as described above, when the insulator 130 sandwiched between the conductor 120 and the conductor 140 contains excess oxygen, the first layer of the conductor 120 (conductor 140) is removed from the insulator 130. Mixing of oxygen into the (second layer) is reduced, and an increase in the electrical resistance value of the first layer (second layer) of the conductor 120 (conductor 140) can be suppressed.

また、図1では示していないが、導電体120上(導電体140下)に、酸化アルミニウム等の酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を成膜する構成としてもよい。例えば、導電体120及び導電体140として、窒化タンタル、タングステン、窒化チタンなどの導電体を用い、導電体120上(導電体140下)に酸化アルミニウム等の絶縁体を積層する構造としてもよい。当該構造とすることで、絶縁体130から導電体120及び導電体140への酸素の混入が低減し、導電体120及び導電体140の電気抵抗値が増加するのを抑制することができる。また、導電体120及び導電体140への酸素の混入が低減する分、酸化物150に多くの酸素を供給することができる。なお、導電体120上(導電体140下)の酸化アルミニウムの成膜にスパッタリング法を用いると、過剰酸素を有する酸化アルミニウムを成膜することができる。当該過剰酸素は、絶縁体130に供給することができる場合がある。さらに、絶縁体130に供給された酸素は、酸化物150に供給することができる場合がある。 Although not shown in FIG. 1, a structure may be adopted in which an insulator such as aluminum oxide having a function of suppressing permeation of oxygen is formed on the conductor 120 (below the conductor 140). For example, a structure may be employed in which a conductor such as tantalum nitride, tungsten, or titanium nitride is used as the conductor 120 and the conductor 140, and an insulator such as aluminum oxide is laminated on the conductor 120 (below the conductor 140). With this structure, the mixing of oxygen from the insulator 130 into the conductors 120 and 140 can be reduced, and an increase in the electrical resistance values of the conductors 120 and 140 can be suppressed. Furthermore, since the amount of oxygen mixed into the conductor 120 and the conductor 140 is reduced, more oxygen can be supplied to the oxide 150. Note that when a sputtering method is used to form a film of aluminum oxide on the conductor 120 (under the conductor 140), aluminum oxide containing excess oxygen can be formed as a film. The excess oxygen may be provided to the insulator 130. Furthermore, the oxygen supplied to insulator 130 may be able to be supplied to oxide 150.

また、導電体120又は導電体140は、酸化物150と反応する場合がある。その結果、図1では示していないが、酸化物150と導電体120又は導電体140との界面に、n型化してキャリアが増加した領域が形成される場合がある。当該領域は、トランジスタ10のドレイン電流を増加させるのに寄与する場合がある。 Further, the conductor 120 or the conductor 140 may react with the oxide 150. As a result, although not shown in FIG. 1, a region in which the region becomes n-type and has an increased number of carriers may be formed at the interface between the oxide 150 and the conductor 120 or 140. This region may contribute to increasing the drain current of transistor 10.

絶縁体160は、トランジスタ10のゲート絶縁体としての機能を有する。絶縁体160は、酸化物150の上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体160は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成されることが好ましい。例えば、絶縁体160は、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1014atoms/cm以上、好ましくは3.0×1015atoms/cm以上である酸化物膜であることが好ましい。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 insulator 160 functions as a gate insulator of the transistor 10. Insulator 160 is preferably placed in contact with the top surface of oxide 150. The insulator 160 is preferably formed using an insulator that releases oxygen when heated. For example, the insulator 160 has an oxygen desorption amount of 1.0×10 14 atoms/cm 2 or more, preferably 3 An oxide film having a density of .0×10 15 atoms/cm 2 or more is preferable. Note that the surface temperature of the film during the above TDS analysis is preferably in the range of 100° C. or higher and 700° C. or lower.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体160として、酸化物150の上面に接して設けることにより、酸化物150が有するチャネル形成領域に効率良く酸素を供給することができる。また、絶縁体130と同様に、絶縁体160中の水又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160の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。なお、図1では、絶縁体160を単層構造として示しているが、2層以上の積層構造であってもよい。 By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the insulator 160 in contact with the upper surface of the oxide 150, oxygen can be efficiently supplied to the channel formation region of the oxide 150. Further, similarly to the insulator 130, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 160 is reduced. The thickness of the insulator 160 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less. Note that although the insulator 160 is shown as having a single layer structure in FIG. 1, it may have a laminated structure of two or more layers.

導電体170は、トランジスタ10のゲート電極としての機能を有する。導電体170には、例えば、タングステンなどの金属を用いることができる。なお、図1では、導電体170を単層構造として示しているが、2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 170 functions as a gate electrode of the transistor 10. For the conductor 170, for example, metal such as tungsten can be used. Note that although the conductor 170 is shown as having a single layer structure in FIG. 1, it may have a laminated structure of two or more layers.

例えば、導電体170が3層構造である場合には、導電体170の1層目に導電性酸化物を用い、導電体170の2層目に窒化チタンを用い、導電体170の3層目にタングステンなどの金属を用いることが好ましい。なお、導電体170が上記のような3層構造を有する場合、導電体170の1層目は、絶縁体160の上面に沿って配置され、導電体170の2層目は、導電体170の1層目の上面に沿って配置され、導電体170の3層目は、導電体170が設けられる残りの空間を埋め込むように形成されることが好ましい。また、導電体170の1層目、導電体170の2層目、及び導電体170の3層目の最上面の高さは、絶縁体175の上面の高さと同程度であることが好ましい。 For example, when the conductor 170 has a three-layer structure, a conductive oxide is used as the first layer of the conductor 170, titanium nitride is used as the second layer of the conductor 170, and titanium nitride is used as the third layer of the conductor 170. It is preferable to use a metal such as tungsten. Note that when the conductor 170 has a three-layer structure as described above, the first layer of the conductor 170 is arranged along the upper surface of the insulator 160, and the second layer of the conductor 170 is arranged along the upper surface of the insulator 160. It is preferable that the conductor 170 is disposed along the upper surface of the first layer, and the third layer of the conductor 170 is formed so as to fill the remaining space where the conductor 170 is provided. Further, the heights of the top surfaces of the first layer of the conductor 170, the second layer of the conductor 170, and the third layer of the conductor 170 are preferably approximately the same as the height of the top surface of the insulator 175.

導電体170の1層目に用いることができる導電性酸化物としては、例えば、酸化物150として用いることができる金属酸化物が挙げられる。特に、In-Ga-Zn酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:3から4.1、及びその近傍値の金属酸化物を用いることが好ましい。このような金属酸化物を導電体170の1層目に用いることで、導電体170の1層目の下側から導電体170の2層目、3層目に酸素が混入するのを低減し、酸化によって導電体170の2層目、3層目の電気抵抗値が増加するのを抑制することができる。 Examples of the conductive oxide that can be used in the first layer of the conductor 170 include metal oxides that can be used as the oxide 150. In particular, among In-Ga-Zn oxides, metal atomic ratios of [In]:[Ga]:[Zn]=4:2:3 to 4.1, which have high conductivity, and values in the vicinity thereof Preferably, metal oxides are used. By using such a metal oxide in the first layer of the conductor 170, it is possible to reduce the mixing of oxygen into the second and third layers of the conductor 170 from below the first layer of the conductor 170, and to prevent oxidation. This can suppress an increase in the electrical resistance values of the second and third layers of the conductor 170.

また、導電体170の1層目に用いることができる上記導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体160に酸素を添加し、酸化物150に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物150が有するチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。 Further, by forming the conductive oxide that can be used as the first layer of the conductor 170 using a sputtering method, oxygen can be added to the insulator 160 and oxygen can be supplied to the oxide 150. becomes possible. Thereby, oxygen vacancies in the channel formation region of the oxide 150 can be reduced.

導電体170の2層目には、上述したように、例えば、窒化チタンなどの金属窒化物を用いることができる。導電体170の2層目に金属窒化物を用いることで、導電体170の1層目に窒素などの不純物を添加して、導電体170の1層目の導電性を向上させてもよい。また、導電体170の3層目には、例えば、タングステンなどの金属を用いることができる。タングステンなどの低抵抗率材料を用いることで、導電体170の電気抵抗値を下げることができる。 For the second layer of the conductor 170, for example, a metal nitride such as titanium nitride can be used, as described above. By using a metal nitride in the second layer of the conductor 170, an impurity such as nitrogen may be added to the first layer of the conductor 170 to improve the conductivity of the first layer of the conductor 170. Furthermore, for the third layer of the conductor 170, a metal such as tungsten can be used, for example. By using a low resistivity material such as tungsten, the electrical resistance value of the conductor 170 can be lowered.

また、例えば、導電体170が2層構造である場合には、1層目に窒化チタンなどの金属窒化物、2層目にタングステンなどの金属を積層した構造にしてもよい。 Further, for example, when the conductor 170 has a two-layer structure, the first layer may be a metal nitride such as titanium nitride, and the second layer may be a metal such as tungsten.

また、図1では示していないが、絶縁体175と絶縁体176との間に、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を成膜する構成としてもよい。例えば、当該絶縁体として、酸化アルミニウム等の絶縁体を成膜する構成としてもよい。当該構成とすることで、酸化アルミニウム等の絶縁体上から導電体170への酸素の混入が低減し、導電体170が酸化するのを抑制することができる。 Although not shown in FIG. 1, an insulator having a function of suppressing oxygen permeation may be formed between the insulator 175 and the insulator 176. For example, as the insulator, an insulator such as aluminum oxide may be formed. With this configuration, it is possible to reduce the mixing of oxygen into the conductor 170 from above the insulator such as aluminum oxide, and to suppress oxidation of the conductor 170.

また、ゲート電極としての機能を有する導電体170は、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と一部が重なる領域を有するように絶縁体175に設けられた開口を、酸化物150及び絶縁体160を介して埋め込むように形成される(図1(A)及び図1(B)参照。)。ゲート電極形成にマスクを用いる場合、ゲート電極形成サイズが小さいほど当該マスクの高い位置合わせ精度が求められるが、本発明の一態様に係るトランジスタ10では、ゲート電極形成のためのマスクや、当該マスクの位置合わせが不要である。そのため、ゲート電極形成にマスクを用いる場合に比べて、高い精度で微細なゲート電極を形成することができ、生産性に優れる。 Further, the conductor 170 having a function as a gate electrode has an opening provided in the insulator 175 so as to have a region that partially overlaps with the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140. 150 and an insulator 160 (see FIGS. 1(A) and 1(B)). When a mask is used to form a gate electrode, the smaller the gate electrode formation size, the higher the alignment accuracy of the mask is required. However, in the transistor 10 according to one embodiment of the present invention, the mask for forming the gate electrode No alignment is required. Therefore, compared to the case where a mask is used to form the gate electrode, it is possible to form a fine gate electrode with high precision, and the productivity is excellent.

上述してきたように、トランジスタ10において、導電体120は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物150の絶縁体130と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体160は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体170は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、トランジスタ10では、導電体120と導電体140の間に挟まれた絶縁体130と接する領域における酸化物150の長さ(すなわち、絶縁体130の膜厚)が、トランジスタ10のチャネル長に相当する。当該構成により、トランジスタ10では、絶縁体130の成膜時の膜厚によって、チャネル長を制御することが可能であり、リソグラフィー法では作製が困難な数nm、あるいはそれ以下にまでチャネル長を微細化することができる。また、絶縁体130の成膜時の膜厚によってチャネル長を制御できるため、リソグラフィー法でチャネル長を形成する場合のようなレジスト寸法ばらつきの精度なども求められず、容易に基板面内における素子間の加工ばらつきを抑えることができる。すなわち、本発明の一態様に係るトランジスタ10は、設計自由度の高いトランジスタであり、複数の微細なチャネル長のトランジスタを、基板面内で精度良く作製することができる。また、基板面内において、加工ばらつきの小さい複数のトランジスタを作製できるため、リソグラフィー法でチャネル長を形成した場合などと比べて、素子間の電気特性ばらつきを低減させることができる。 As described above, in the transistor 10, the conductor 120 has a function as either a source electrode or a drain electrode, and the conductor 140 has a function as the other source electrode or drain electrode. A region of 150 overlapping with insulator 130 functions as a channel forming region, insulator 160 functions as a gate insulator, and conductor 170 functions as a gate electrode. Therefore, in the transistor 10, the length of the oxide 150 (that is, the thickness of the insulator 130) in the region sandwiched between the conductor 120 and the conductor 140 and in contact with the insulator 130 is equal to the channel length of the transistor 10. Equivalent to. With this configuration, in the transistor 10, the channel length can be controlled by controlling the film thickness of the insulator 130 at the time of film formation, and the channel length can be finely adjusted to several nanometers or less, which is difficult to manufacture using lithography. can be converted into In addition, since the channel length can be controlled by the thickness of the insulator 130 when it is formed, there is no need for precision in resist dimension variations, which is required when forming the channel length using lithography, and it is easy to adjust the device width within the substrate surface. It is possible to suppress processing variations between the two. That is, the transistor 10 according to one embodiment of the present invention is a transistor with a high degree of freedom in design, and transistors with a plurality of fine channel lengths can be manufactured with high precision within the substrate surface. Furthermore, since a plurality of transistors can be manufactured within the substrate plane with small processing variations, variations in electrical characteristics between elements can be reduced compared to a case where the channel length is formed using a lithography method.

また、本発明の一態様に係るトランジスタ10は、上述のチャネル長以外にも、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120及び導電体140が、絶縁体130を挟んで上下に設けられている点に特徴を有する。絶縁体130を介して、ソース電極としての機能を有する導電体と、ドレイン電極としての機能を有する導電体とを、上述のように基板面に対して垂直な方向に積層した構成とすることで、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体の、基板面内での占有面積を減少させることができる。これにより、個々のトランジスタ10の微細化を図ることができる。また、個々のトランジスタ10の微細化を図ることができるため、当該トランジスタ10を有する半導体装置の高集積化を図ることができる。 Further, in addition to the channel length described above, the transistor 10 according to one embodiment of the present invention includes a conductor 120 and a conductor 140 that function as a source electrode or a drain electrode, which are provided above and below with an insulator 130 in between. It is characterized by the fact that By forming a structure in which a conductor having a function as a source electrode and a conductor having a function as a drain electrode are laminated in a direction perpendicular to the substrate surface as described above with the insulator 130 interposed therebetween, , it is possible to reduce the area occupied in the substrate plane by a conductor having a function as a source electrode or a drain electrode. Thereby, each transistor 10 can be miniaturized. Further, since each transistor 10 can be miniaturized, a semiconductor device including the transistor 10 can be highly integrated.

このように、本発明の一態様に係るトランジスタ10では、ソース電極又はドレイン電極の一方となる導電体、絶縁体、及びソース電極又はドレイン電極の他方となる導電体が順に成膜された「縦型トランジスタ構造」とすることにより、極めて微細なチャネル長を有する複数のトランジスタを、精度良くかつ容易に作製することができる。また、基板面内において、素子間の電気特性ばらつきが小さいトランジスタを作製することができる。また、トランジスタの微細化を図ることができる。また、当該トランジスタを有する半導体装置の高集積化を図ることができる。 As described above, in the transistor 10 according to one embodiment of the present invention, a conductor that becomes one of the source electrode or the drain electrode, an insulator, and a conductor that becomes the other of the source electrode or the drain electrode are formed in order. By using the "type transistor structure", a plurality of transistors having extremely fine channel lengths can be easily manufactured with high precision. Further, a transistor with small variations in electrical characteristics between elements within the plane of the substrate can be manufactured. Further, transistors can be miniaturized. Further, a semiconductor device including the transistor can be highly integrated.

なお、トランジスタの微細化が進み、チャネル長が短くなると、トランジスタのVg(ゲート電位)-Id(ドレイン電流)特性におけるVthが低下する(マイナスシフトする。)、サブスレッショルドスイング値(S値)が増大する、オフ電流が増大するなどの不具合、いわゆる「短チャネル効果」が顕在化しやすくなる。しかしながら、上述したように、本発明の一態様に係るトランジスタ10では、チャネル形成領域を有する酸化物150に金属酸化物を用いることができる。そのため、例えば、チャネル形成領域にSiを用いたトランジスタに比べて短チャネル効果が出にくく、オフ電流を大幅に低減することができる。すなわち、本発明の一態様に係るトランジスタ10は、微細化を進めても、良好な電気特性を有することができる。なお、金属酸化物の詳細については、後ほど<半導体装置の構成要素>にて説明する。 Note that as transistor miniaturization progresses and the channel length becomes shorter, Vth in the Vg (gate potential) - Id (drain current) characteristic of the transistor decreases (negatively shifts), and the subthreshold swing value (S value) decreases. The so-called "short channel effect," which is a problem such as an increase in off-state current, becomes more likely to become apparent. However, as described above, in the transistor 10 according to one embodiment of the present invention, a metal oxide can be used for the oxide 150 having the channel formation region. Therefore, compared to, for example, a transistor using Si in the channel formation region, short channel effects are less likely to occur, and off-state current can be significantly reduced. That is, the transistor 10 according to one embodiment of the present invention can have good electrical characteristics even when miniaturization is advanced. Note that details of the metal oxide will be explained later in <Components of Semiconductor Device>.

導電体190(導電体195)は、トランジスタ10のソース電極又はドレイン電極の一方(他方)としての機能を有する導電体120(導電体140)と、配線としての機能を有する導電体185(導電体200)とを、接続するプラグとしての機能を有する。導電体190(導電体195)は、タングステン、銅、又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、図1では示していないが、導電体190(導電体195)は積層構造としてもよく、例えば、絶縁体110(絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180)に設けられた開口の内壁と、導電体185(導電体200)の上面(底面)とに接して、チタン、窒化チタン等を成膜し、その内側に上記導電性材料を設ける構成としてもよい。 The conductor 190 (conductor 195) includes a conductor 120 (conductor 140) that functions as one (the other) of a source electrode or a drain electrode of the transistor 10, and a conductor 185 (conductor 185) that functions as a wiring. 200). For the conductor 190 (conductor 195), it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, although not shown in FIG. 1, the conductor 190 (conductor 195) may have a laminated structure, for example, it is provided in the insulator 110 (insulator 175, insulator 176, insulator 178, and insulator 180). A structure may be adopted in which a film of titanium, titanium nitride, etc. is formed in contact with the inner wall of the opening and the top surface (bottom surface) of the conductor 185 (conductor 200), and the conductive material is provided inside the film.

導電体190(導電体195)を積層構造とする場合、絶縁体110(絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180)に設けられた開口の内壁、及び、導電体185(導電体200)の上面(底面)と接する導電体としては、水素や水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、ルテニウム又は酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水又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、単層又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110(絶縁体180)より下層(上層)から水素や水などの不純物が、導電体190(導電体195)を通じて酸化物150に混入するのを抑制することができる。 When the conductor 190 (conductor 195) has a laminated structure, the inner wall of the opening provided in the insulator 110 (insulator 175, insulator 176, insulator 178, and insulator 180) and the conductor 185 ( As the conductor in contact with the top surface (bottom surface) of the conductor 200), it is preferable to use a conductive material that has a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and water. For example, it is preferable to use tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like. Further, the conductive material having the function of suppressing the permeation of impurities such as water or hydrogen may be used in a single layer or in a stacked layer. By using the conductive material, impurities such as hydrogen and water from a layer below (above) the insulator 110 (insulator 180) are suppressed from entering the oxide 150 through the conductor 190 (conductor 195). be able to.

配線としての機能を有する導電体185(導電体200)としては、タングステン、銅、又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。 As the conductor 185 (conductor 200) that functions as a wiring, it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, the conductor may have a laminated structure, for example, a laminated layer of titanium, titanium nitride, and the above-mentioned conductive material.

以上では、本発明の一態様に係るトランジスタ10を有する半導体装置の構成例について説明した。上述してきたように、本発明の一態様では、リソグラフィー法では作製することが困難な数nm、あるいはそれ以下のチャネル長の複数のトランジスタを、基板面内において、精度良くかつ容易に作製することができる。また、本発明の一態様では、基板面内において、素子間の電気特性ばらつきが小さいトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長が微細でありながら、短チャネル効果の顕在化しにくい、良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長だけでなく、配線やプラグも含めた素子サイズの微細なトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、上記微細なトランジスタを作製できることで、上記トランジスタを有する半導体装置の高集積化を図ることができる。また、本発明の一態様では、上記半導体装置を、高歩留まりで作製することができる。 The example of the structure of a semiconductor device including the transistor 10 according to one embodiment of the present invention has been described above. As described above, in one embodiment of the present invention, a plurality of transistors having a channel length of several nm or less, which is difficult to manufacture using a lithography method, can be manufactured accurately and easily within the plane of a substrate. I can do it. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with small variations in electrical characteristics between elements within the plane of a substrate can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured that has a short channel length and has good electrical characteristics in which short channel effects are difficult to manifest. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured with a fine element size including not only the channel length but also wiring and plugs. Further, in one embodiment of the present invention, the fine transistor described above can be manufactured, so that a semiconductor device including the transistor can be highly integrated. Further, in one embodiment of the present invention, the above semiconductor device can be manufactured with a high yield.

<半導体装置の構成例2>
以下では、<半導体装置の構成例1>で示したトランジスタ10を有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ11を有する半導体装置の構成例について、図2を用いて説明する。
<Configuration example 2 of semiconductor device>
An example of the structure of a semiconductor device including the transistor 11 according to one embodiment of the present invention, which is different from the semiconductor device including the transistor 10 shown in <Structure Example 1 of Semiconductor Device>, will be described below with reference to FIG.

図2(A)は、トランジスタ11を有する半導体装置の上面図である。また、図2(B)は、図2(A)にB1-B2の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、図2(C)は、図2(A)にB3-B4の一点鎖線で示す部位の断面図である。ここで、B1-B2の一点鎖線で示す部位と、B3-B4の一点鎖線で示す部位とは、互いに直交している。図2(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. 2A is a top view of a semiconductor device including the transistor 11. Further, FIG. 2(B) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed line B1-B2 in FIG. 2(A). Further, FIG. 2(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line B3-B4 in FIG. 2(A). Here, the portion shown by the dashed-dotted line B1-B2 and the portion shown by the dashed-dotted line B3-B4 are orthogonal to each other. In the top view of FIG. 2A, some elements are omitted for clarity.

なお、図2に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例1>で示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記している。また、以下では、主に、<半導体装置の構成例1>で説明した半導体装置と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、<半導体装置の構成例1>で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in the semiconductor device shown in FIG. 2, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor device shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> are given the same reference numerals. In addition, in the following, we will mainly explain the parts that are different from the semiconductor device explained in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device>, and for other parts, we will refer to the contents explained in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device>. It shall be possible.

図2に示す半導体装置は、図2(A)及び図2(B)に示すように、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電体、当該導電体と上下配線を接続するプラグとしての機能を有する導電体などが、酸化物150、絶縁体160、及び導電体170を挟んで、対向して設けられたトランジスタ11を有している点が、<半導体装置の構成例1>で示した半導体装置(図1参照。)と異なる。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the semiconductor device shown in FIG. 2 has a conductor that functions as a source electrode or a drain electrode, and a plug that connects the conductor with upper and lower wirings. The semiconductor device shown in <Structure Example 1 of Semiconductor Device> has the transistor 11 provided facing each other with the conductor or the like sandwiching the oxide 150, the insulator 160, and the conductor 170. (See Figure 1.)

本発明の一態様の半導体装置は、基板(図示しない。)上に、トランジスタ11と、層間膜として機能する絶縁体100、絶縁体102、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180と、を有する。また、トランジスタ11と電気的に接続し、配線として機能する導電体185_1、導電体185_2、導電体200_1、及び導電体200_2、並びにプラグとして機能する導電体190_1、導電体190_2、導電体195_1、及び導電体195_2を有する。ここで、導電体185_1と導電体185_2、導電体190_1と導電体190_2、導電体195_1と導電体195_2、及び導電体200_1と導電体200_2は、いずれも酸化物150、絶縁体160、及び導電体170を挟んで対向して設けられる(図2(B)参照。)。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 11, an insulator 100, an insulator 102, an insulator 105, an insulator 110, an insulator 175, and an insulator that function as interlayer films over a substrate (not shown). 176, an insulator 178, and an insulator 180. Further, a conductor 185_1, a conductor 185_2, a conductor 200_1, and a conductor 200_2 are electrically connected to the transistor 11 and function as wiring, and a conductor 190_1, a conductor 190_2, a conductor 195_1, and a conductor 190_2 function as a plug. It has a conductor 195_2. Here, the conductor 185_1 and the conductor 185_2, the conductor 190_1 and the conductor 190_2, the conductor 195_1 and the conductor 195_2, and the conductor 200_1 and the conductor 200_2 are all the oxide 150, the insulator 160, and the conductor They are provided facing each other with 170 in between (see FIG. 2(B)).

導電体185_1(導電体185_2)は、絶縁体105に設けられた開口内に形成される。ここで、導電体185_1(導電体185_2)の上面の高さと、絶縁体105の上面の高さは、同程度であることが好ましい。なお、図2(B)では、導電体185_1(導電体185_2)を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、導電体185_1(導電体185_2)は、2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 185_1 (conductor 185_2) is formed in an opening provided in the insulator 105. Here, the height of the top surface of the conductor 185_1 (conductor 185_2) and the height of the top surface of the insulator 105 are preferably approximately the same. Note that although the conductor 185_1 (conductor 185_2) is shown as having a single-layer structure in FIG. 2B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 185_1 (conductor 185_2) may have a laminated structure of two or more layers.

導電体190_1(導電体190_2)は、絶縁体110に設けられた開口内に形成される。導電体190_1(導電体190_2)の底面は、導電体185_1(導電体185_2)の上面と接する領域を有するように設けられる。ここで、導電体190_1(導電体190_2)の上面の高さと、絶縁体110の上面の高さは、同程度であることが好ましい。なお、図2(B)では、導電体190_1(導電体190_2)を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、導電体190_1(導電体190_2)は、絶縁体110に設けられた開口の内壁に接して、水素や水などの不純物、及び酸素の透過を抑制する材料からなる導電体を形成し、当該導電体上に、当該導電体よりも導電率の高い材料からなる導電体を形成した2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 190_1 (conductor 190_2) is formed in an opening provided in the insulator 110. The bottom surface of the conductor 190_1 (conductor 190_2) is provided so as to have a region in contact with the top surface of the conductor 185_1 (conductor 185_2). Here, the height of the top surface of the conductor 190_1 (conductor 190_2) and the height of the top surface of the insulator 110 are preferably approximately the same. Note that although the conductor 190_1 (conductor 190_2) is shown as having a single-layer structure in FIG. 2B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 190_1 (conductor 190_2) is a conductor made of a material that suppresses the permeation of impurities such as hydrogen and water, and oxygen, in contact with the inner wall of the opening provided in the insulator 110. It may be a laminated structure of two or more layers in which a conductor made of a material having higher conductivity than the conductor is formed on the conductor.

導電体195_1(導電体195_2)は、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180に設けられた導電体140_1(導電体140_2)の上面に達する開口内に形成される。ここで、導電体195_1(導電体195_2)の上面の高さと、絶縁体180の上面の高さは、同程度であることが好ましい。なお、図2(B)では、導電体195_1(導電体195_2)を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない、例えば、導電体195_1(導電体195_2)は、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180に設けられた開口の内壁に接して、水素や水などの不純物、及び酸素の透過を抑制する材料からなる導電体を形成し、当該導電体上に、当該導電体よりも導電率の高い材料からなる導電体を形成した2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 195_1 (conductor 195_2) is formed in an opening reaching the upper surface of the conductor 140_1 (conductor 140_2) provided in the insulator 175, the insulator 176, the insulator 178, and the insulator 180. Here, the height of the top surface of the conductor 195_1 (conductor 195_2) and the height of the top surface of the insulator 180 are preferably approximately the same. Note that although the conductor 195_1 (conductor 195_2) is illustrated as having a single-layer structure in FIG. 2B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 195_1 (conductor 195_2) , a conductor made of a material that suppresses the permeation of impurities such as hydrogen and water, and oxygen is formed in contact with the inner walls of the openings provided in the insulator 175, the insulator 176, the insulator 178, and the insulator 180. It may be a laminated structure of two or more layers in which a conductor made of a material having higher conductivity than the conductor is formed on the conductor.

導電体200_1(導電体200_2)は、導電体195_1(導電体195_2)の上面と接する領域を有するように、絶縁体180上に形成される。なお、図2(B)では、導電体200_1(導電体200_2)を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、導電体200_1(導電体200_2)は、2層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 200_1 (conductor 200_2) is formed on the insulator 180 so as to have a region in contact with the upper surface of the conductor 195_1 (conductor 195_2). Note that although the conductor 200_1 (conductor 200_2) is shown as having a single-layer structure in FIG. 2B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the conductor 200_1 (conductor 200_2) may have a laminated structure of two or more layers.

[トランジスタ11]
図2(B)に示すように、トランジスタ11は、絶縁体110の上に配置された導電体120_1、導電体120_2、及び酸化物150と、導電体120_1の上に配置された絶縁体130_1と、導電体120_2の上に配置された絶縁体130_2と、絶縁体130_1の上に配置された導電体140_1と、絶縁体130_2の上に配置された導電体140_2と、酸化物150の上に配置された絶縁体160と、絶縁体160の上に配置された導電体170と、を有する。ここで、導電体120_1、絶縁体130_1、及び導電体140_1と、導電体120_2、絶縁体130_2、及び導電体140_2とは、いずれも酸化物150、絶縁体160、及び導電体170を挟んで対向して設けられる。また、酸化物150は、導電体120_1、絶縁体130_1、及び導電体140_1と、導電体120_2、絶縁体130_2、及び導電体140_2の、互いに向かい合う側面と接する領域を有するように設けられる。また、絶縁体160は、酸化物150を介して、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の側面と向かい合う領域を有するように設けられる。また、導電体170は、酸化物150及び絶縁体160を介して、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の側面と向かい合う領域を有するように設けられる。
[Transistor 11]
As shown in FIG. 2B, the transistor 11 includes a conductor 120_1, a conductor 120_2, and an oxide 150 arranged over the insulator 110, and an insulator 130_1 arranged over the conductor 120_1. , an insulator 130_2 placed on the conductor 120_2, a conductor 140_1 placed on the insulator 130_1, a conductor 140_2 placed on the insulator 130_2, and an oxide 150 placed on the oxide 150. and a conductor 170 disposed on the insulator 160. Here, the conductor 120_1, the insulator 130_1, and the conductor 140_1 are opposed to each other with the oxide 150, the insulator 160, and the conductor 170 in between. It will be established as follows. Further, the oxide 150 is provided so as to have a region in contact with the mutually opposing side surfaces of the conductor 120_1, the insulator 130_1, and the conductor 140_1, and the conductor 120_2, the insulator 130_2, and the conductor 140_2. Further, the insulator 160 has a region facing the side surfaces of the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2) with the oxide 150 interposed therebetween. provided. Further, the conductor 170 is located in a region facing the side surfaces of the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2) via the oxide 150 and the insulator 160. It is provided so that it has.

図2(B)及び図2(C)に示すように、導電体120_1、導電体120_2、絶縁体130_1、絶縁体130_2、導電体140_1、及び導電体140_2の上には、これらを覆うように絶縁体175が設けられる。絶縁体175には、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の側面と内壁の一部が重なる開口が設けられ、当該開口の内壁に沿って酸化物150が設けられ、酸化物150の上に絶縁体160が設けられ、絶縁体160の上に当該開口を埋め込むように導電体170が設けられる。ここで、図2(B)に示すように、酸化物150、絶縁体160、及び導電体170の最上面の高さは、絶縁体175の上面の高さと同程度であることが好ましい。なお、図2(B)では、酸化物150を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、酸化物150は、2層以上の積層構造であってもよい。 As shown in FIG. 2(B) and FIG. 2(C), there is a layer on the conductor 120_1, the conductor 120_2, the insulator 130_1, the insulator 130_2, the conductor 140_1, and the conductor 140_2 so as to cover them. An insulator 175 is provided. The insulator 175 is provided with an opening in which the side surfaces of the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2) partially overlap with the inner wall. An oxide 150 is provided along the inner wall, an insulator 160 is provided on the oxide 150, and a conductor 170 is provided on the insulator 160 so as to fill the opening. Here, as shown in FIG. 2B, the heights of the top surfaces of the oxide 150, the insulator 160, and the conductor 170 are preferably approximately the same as the height of the top surface of the insulator 175. Note that although the oxide 150 is shown as having a single layer structure in FIG. 2B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the oxide 150 may have a laminated structure of two or more layers.

トランジスタ11において、導電体120_1は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140_1は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物150の絶縁体130_1と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体160は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体170は、ゲート電極としての機能を有する。同様に、トランジスタ11において、導電体120_2は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140_2は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物150の絶縁体130_2と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体160は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体170は、ゲート電極としての機能を有する。 In the transistor 11, the conductor 120_1 has a function as one of a source electrode or a drain electrode, the conductor 140_1 has a function as the other of a source electrode or a drain electrode, and an insulator 130_1 of an oxide 150 The overlapping region functions as a channel formation region, the insulator 160 functions as a gate insulator, and the conductor 170 functions as a gate electrode. Similarly, in the transistor 11, the conductor 120_2 has a function as either a source electrode or a drain electrode, and the conductor 140_2 has a function as the other source electrode or drain electrode. The region overlapping with the body 130_2 has a function as a channel formation region, the insulator 160 has a function as a gate insulator, and the conductor 170 has a function as a gate electrode.

すなわち、トランジスタ11は、1つのゲート電極(導電体170)と、1つのゲート絶縁体(絶縁体160)と、2組のソース電極又はドレイン電極(導電体120_1及び導電体140_1、導電体120_2及び導電体140_2)と、2つのチャネル形成領域(酸化物150の絶縁体130_1と重なる領域、酸化物150の絶縁体130_2と重なる領域)と、で構成されたトランジスタであるといえる。あるいは、トランジスタ11は、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_1及び導電体140_1と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150(絶縁体130_1と重なる領域)とからなるトランジスタと、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_2及び導電体140_2と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150(絶縁体130_2と重なる領域)とからなるトランジスタと、で構成されているといえる。 That is, the transistor 11 includes one gate electrode (conductor 170), one gate insulator (insulator 160), and two sets of source or drain electrodes (conductor 120_1 and conductor 140_1, conductor 120_2 and It can be said that the transistor includes a conductor 140_2) and two channel formation regions (a region of the oxide 150 overlapping with the insulator 130_1 and a region of the oxide 150 overlapping with the insulator 130_2). Alternatively, the transistor 11 includes a conductor 170 that functions as a gate electrode, an insulator 160 that functions as a gate insulator, and a conductor 120_1 and a conductor 140_1 that function as a source or drain electrode. A transistor including an oxide 150 (a region overlapping with the insulator 130_1) that functions as a channel formation region, a conductor 170 that functions as a gate electrode, and an insulator 160 that functions as a gate insulator. A transistor including a conductor 120_2 and a conductor 140_2 that function as a source electrode or a drain electrode, and an oxide 150 (a region overlapping with the insulator 130_2) that functions as a channel formation region. I can say that.

トランジスタ11が上記構成を有することで、トランジスタ11は、<半導体装置の構成例1>で示した半導体装置が有するトランジスタ10(図1参照。)よりも大きなドレイン電流を出力させることができる。例えば、トランジスタ11のソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有する導電体120_1と導電体120_2とを、導電体190_1、導電体185_1、導電体190_2、及び導電体185_2を介して電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する導電体140_1と導電体140_2とを、導電体195_1、導電体200_1、導電体195_2、及び導電体200_2を介して電気的に接続した場合を考える。この場合、ゲート電極としての機能を有する導電体170に、トランジスタ11がオン状態となる電位を印加することで、トランジスタ11は、同じ大きさの電位を導電体170に印加した場合におけるトランジスタ10の2倍のドレイン電流を出力させることができる。トランジスタ11が、上述したような電気的な接続構成を有することで、トランジスタ11は、単純にトランジスタ10を2つ併設した場合よりも小さい占有面積で、トランジスタ10を2つ併設した場合と同等の電流出力能力を得ることができる。 With the transistor 11 having the above configuration, the transistor 11 can output a larger drain current than the transistor 10 (see FIG. 1) included in the semiconductor device shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device>. For example, a conductor 120_1 and a conductor 120_2 that function as either a source electrode or a drain electrode of the transistor 11 are electrically connected via a conductor 190_1, a conductor 185_1, a conductor 190_2, and a conductor 185_2. However, the case where the conductor 140_1 and the conductor 140_2, which function as the other of the source electrode or the drain electrode, are electrically connected via the conductor 195_1, the conductor 200_1, the conductor 195_2, and the conductor 200_2. think. In this case, by applying a potential that turns on the transistor 11 to the conductor 170 that has a function as a gate electrode, the transistor 11 can be controlled to It is possible to output twice the drain current. Since the transistor 11 has the above-described electrical connection configuration, the transistor 11 occupies a smaller area than when two transistors 10 are simply installed together, and has a space equivalent to when two transistors 10 are installed together. Current output capability can be obtained.

また、導電体185_1と導電体185_2、及び導電体200_1と導電体200_2を電気的に接続せず、トランジスタ11を構成する2つのトランジスタを、それぞれ独立して制御する構成としてもよい。すなわち、トランジスタ11は、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_1及び導電体140_1と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150(絶縁体130_1と重なる領域)とからなるトランジスタと、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_2及び導電体140_2と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150(絶縁体130_2と重なる領域)とからなるトランジスタとを、それぞれ独立して制御する構成としてもよい。 Alternatively, the conductor 185_1 and the conductor 185_2 and the conductor 200_1 and the conductor 200_2 may not be electrically connected, and the two transistors forming the transistor 11 may be controlled independently. That is, the transistor 11 includes a conductor 170 that functions as a gate electrode, an insulator 160 that functions as a gate insulator, and a conductor 120_1 and a conductor 140_1 that function as a source electrode or a drain electrode. A transistor including an oxide 150 (a region overlapping with the insulator 130_1) that functions as a channel formation region, a conductor 170 that functions as a gate electrode, and an insulator 160 that functions as a gate insulator. A transistor consisting of a conductor 120_2 and a conductor 140_2 that function as a source electrode or a drain electrode, and an oxide 150 (a region overlapping with an insulator 130_2) that functions as a channel formation region is independently controlled. It is also possible to have a configuration in which

なお、トランジスタ11において、導電体185_1(導電体185_2)は、トランジスタ10の導電体185と同じ材料を用いることができる。また、導電体190_1(導電体190_2)は、トランジスタ10の導電体190と同じ材料を用いることができる。また、導電体120_1(導電体120_2)は、トランジスタ10の導電体120と同じ材料を用いることができる。また、絶縁体130_1(絶縁体130_2)は、トランジスタ10の絶縁体130と同じ材料を用いることができる。また、導電体140_1(導電体140_2)は、トランジスタ10の導電体140と同じ材料を用いることができる。また、導電体195_1(導電体195_2)は、トランジスタ10の導電体195と同じ材料を用いることができる。また、導電体200_1(導電体200_2)は、トランジスタ10の導電体200と同じ材料を用いることができる。 Note that in the transistor 11, the same material as the conductor 185 of the transistor 10 can be used for the conductor 185_1 (the conductor 185_2). Further, the same material as the conductor 190 of the transistor 10 can be used for the conductor 190_1 (conductor 190_2). Further, the same material as the conductor 120 of the transistor 10 can be used for the conductor 120_1 (the conductor 120_2). Further, the same material as the insulator 130 of the transistor 10 can be used for the insulator 130_1 (insulator 130_2). Further, the same material as the conductor 140 of the transistor 10 can be used for the conductor 140_1 (conductor 140_2). Further, the same material as the conductor 195 of the transistor 10 can be used for the conductor 195_1 (conductor 195_2). Further, the same material as the conductor 200 of the transistor 10 can be used for the conductor 200_1 (the conductor 200_2).

トランジスタ11を有する半導体装置において、上で説明してきた以外の構成、効果については、<半導体装置の構成例1>で説明したトランジスタ10を有する半導体装置の構成、効果を参酌することができる。 Regarding the configuration and effects of the semiconductor device including the transistor 11 other than those described above, the configuration and effects of the semiconductor device including the transistor 10 described in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> can be referred to.

以上では、<半導体装置の構成例1>で示したトランジスタ10を有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ11を有する半導体装置の構成例について説明した。上述してきたように、本発明の一態様では、リソグラフィー法では作製することが困難な数nm、あるいはそれ以下のチャネル長の複数のトランジスタを、基板面内において、精度良くかつ容易に作製することができる。また、本発明の一態様では、基板面内において、素子間の電気特性ばらつきが小さいトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長が微細でありながら、短チャネル効果の顕在化しにくい、良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長だけでなく、配線やプラグも含めた素子サイズの微細なトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、微細でありながら、オン電流の大きなトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、上記微細なトランジスタを作製できることで、上記トランジスタを有する半導体装置の高集積化を図ることができる。また、本発明の一態様では、上記半導体装置を、高歩留まりで作製することができる。 In the above, a configuration example of a semiconductor device including the transistor 11 according to one embodiment of the present invention, which is different from the semiconductor device including the transistor 10 shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device>, has been described. As described above, in one embodiment of the present invention, a plurality of transistors having a channel length of several nm or less, which is difficult to manufacture using a lithography method, can be manufactured accurately and easily within the plane of a substrate. I can do it. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with small variations in electrical characteristics between elements within the plane of a substrate can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured that has a short channel length and has good electrical characteristics in which short channel effects are difficult to manifest. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured with a fine element size including not only the channel length but also wiring and plugs. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with a large on-state current can be manufactured despite being small. Further, in one embodiment of the present invention, the fine transistor described above can be manufactured, so that a semiconductor device including the transistor can be highly integrated. Further, in one embodiment of the present invention, the above semiconductor device can be manufactured with a high yield.

<半導体装置の構成例3>
以下では、<半導体装置の構成例1>で示したトランジスタ10を有する半導体装置、及び<半導体装置の構成例2>で示したトランジスタ11を有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ12を有する半導体装置の構成例について、図3を用いて説明する。
<Configuration example 3 of semiconductor device>
In the following, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention that is different from the semiconductor device including the transistor 10 shown in <Structure Example 1 of a Semiconductor Device> and the semiconductor device including the transistor 11 shown in <Structure Example 2 of a Semiconductor Device> A configuration example of a semiconductor device including the transistor 12 will be described using FIG. 3.

図3(A)は、トランジスタ12を有する半導体装置の上面図である。また、図3(B)は、図3(A)にC1-C2の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、図3(C)は、図3(A)にC3-C4の一点鎖線で示す部位の断面図である。ここで、C1-C2の一点鎖線で示す部位と、C3-C4の一点鎖線で示す部位とは、互いに直交している。図3(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. 3A is a top view of a semiconductor device including the transistor 12. Further, FIG. 3(B) is a cross-sectional view of the portion shown by the dashed line C1-C2 in FIG. 3(A). Further, FIG. 3(C) is a cross-sectional view of the portion shown by the dashed line C3-C4 in FIG. 3(A). Here, the portion shown by the dashed-dotted line from C1-C2 and the portion shown by the dashed-dotted line from C3-C4 are orthogonal to each other. In the top view of FIG. 3A, some elements are omitted for clarity.

なお、図3に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例1>又は<半導体装置の構成例2>で示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記している。また、以下では、主に、<半導体装置の構成例1>又は<半導体装置の構成例2>で説明した半導体装置と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、<半導体装置の構成例1>又は<半導体装置の構成例2>で説明した内容を参酌できるものとする。 Note that in the semiconductor device shown in FIG. 3, structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor device shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> or <Configuration Example 2 of Semiconductor Device> are given the same reference numerals. ing. In addition, below, we will mainly explain the parts that are different from the semiconductor device described in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> or <Configuration Example 2 of Semiconductor Device>, and other parts will be explained in <Configuration of Semiconductor Device The contents explained in Example 1> or <Configuration Example 2 of Semiconductor Device> can be taken into consideration.

図3に示す半導体装置は、図3(A)及び図3(B)に示すように、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電体、当該導電体と上下配線を接続するプラグとしての機能を有する導電体などが、絶縁体160、及び導電体170を挟んで、対向して設けられたトランジスタ12を有している点が、<半導体装置の構成例1>で示した半導体装置(図1参照。)と異なる。また、酸化物150が、絶縁体160を介して、導電体170の側面と向かい合う領域にのみ設けられており(酸化物150_1、酸化物150_2)、導電体170の底面と重なる領域には設けられていない点が、<半導体装置の構成例2>で示した半導体装置(図2参照。)と異なる。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the semiconductor device shown in FIG. 3 has a conductor that functions as a source electrode or a drain electrode, and a plug that connects the conductor with upper and lower wirings. The semiconductor device shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> (see FIG. .) is different. Further, the oxide 150 is provided only in the region facing the side surface of the conductor 170 via the insulator 160 (oxide 150_1, oxide 150_2), and is not provided in the region overlapping the bottom surface of the conductor 170. This is different from the semiconductor device shown in <Configuration Example 2 of Semiconductor Device> (see FIG. 2) in that it is not.

本発明の一態様の半導体装置は、基板(図示しない。)上に、トランジスタ12と、層間膜として機能する絶縁体100、絶縁体102、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180と、を有する。また、トランジスタ12と電気的に接続し、配線として機能する導電体185_1、導電体185_2、導電体200_1、及び導電体200_2、並びにプラグとして機能する導電体190_1、導電体190_2、導電体195_1、及び導電体195_2を有する。ここで、導電体185_1、導電体190_1、導電体195_1、及び導電体200_1と、導電体185_2、導電体190_2、導電体195_2、及び導電体200_2とは、いずれも絶縁体160及び導電体170を挟んで対向して設けられる(図3(B)参照。)。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 12, an insulator 100, an insulator 102, an insulator 105, an insulator 110, an insulator 175, and an insulator that function as interlayer films over a substrate (not shown). 176, an insulator 178, and an insulator 180. Further, a conductor 185_1, a conductor 185_2, a conductor 200_1, and a conductor 200_2 are electrically connected to the transistor 12 and function as wiring, and a conductor 190_1, a conductor 190_2, a conductor 195_1, and a conductor 190_2 function as a plug. It has a conductor 195_2. Here, the conductor 185_1, the conductor 190_1, the conductor 195_1, and the conductor 200_1, and the conductor 185_2, the conductor 190_2, the conductor 195_2, and the conductor 200_2 all refer to the insulator 160 and the conductor 170. They are provided so as to be sandwiched and face each other (see FIG. 3(B)).

なお、図3に示す半導体装置において、導電体185_1(導電体185_2)、導電体190_1(導電体190_2)、導電体195_1(導電体195_2)、及び導電体200_1(導電体200_2)に適用できる構成については、<半導体装置の構成例2>で説明した内容を参酌することができる。 Note that, in the semiconductor device shown in FIG. 3, the configuration can be applied to the conductor 185_1 (conductor 185_2), the conductor 190_1 (conductor 190_2), the conductor 195_1 (conductor 195_2), and the conductor 200_1 (conductor 200_2). Regarding this, the content explained in <Configuration Example 2 of Semiconductor Device> can be referred to.

[トランジスタ12]
図3(B)に示すように、トランジスタ12は、絶縁体110の上に配置された導電体120_1、導電体120_2、酸化物150_1、酸化物150_2、及び絶縁体160と、導電体120_1の上に配置された絶縁体130_1と、導電体120_2の上に配置された絶縁体130_2と、絶縁体130_1の上に配置された導電体140_1と、絶縁体130_2の上に配置された導電体140_2と、絶縁体160の上に配置された導電体170と、を有する。ここで、導電体120_1と導電体120_2、絶縁体130_1と絶縁体130_2、導電体140_1と導電体140_2、及び酸化物150_1と酸化物150_2は、いずれも絶縁体160及び導電体170を挟んで対向して設けられる。また、酸化物150_1(酸化物150_2)は、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の、導電体120_2(導電体120_1)、絶縁体130_2(絶縁体130_1)、及び導電体140_2(導電体140_1)と対向する側面と接する領域を有するように設けられる。また、絶縁体160は、酸化物150_1(酸化物150_2)を介して、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の側面と向かい合う領域を有するように設けられる。また、導電体170は、酸化物150_1(酸化物150_2)及び絶縁体160を介して、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の側面と向かい合う領域を有するように設けられる。
[Transistor 12]
As shown in FIG. 3B, the transistor 12 includes a conductor 120_1, a conductor 120_2, an oxide 150_1, an oxide 150_2, and an insulator 160 arranged over the insulator 110, and an insulator 160 over the conductor 120_1. an insulator 130_1 placed on the conductor 120_2, an electric conductor 140_1 placed on the insulator 130_1, and a conductor 140_2 placed on the insulator 130_2. , and a conductor 170 disposed on the insulator 160. Here, the conductor 120_1 and the conductor 120_2, the insulator 130_1 and the insulator 130_2, the conductor 140_1 and the conductor 140_2, and the oxide 150_1 and the oxide 150_2 are all facing each other with the insulator 160 and the conductor 170 in between. It will be established as follows. Further, the oxide 150_1 (oxide 150_2) is the conductor 120_2 (conductor 120_1) of the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2), It is provided so as to have a region in contact with the side surface facing the insulator 130_2 (insulator 130_1) and the conductor 140_2 (conductor 140_1). Further, the insulator 160 faces the side surfaces of the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2) via the oxide 150_1 (oxide 150_2). It is provided to have a region. The conductor 170 also connects the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2) via the oxide 150_1 (oxide 150_2) and the insulator 160. It is provided so as to have a region facing the side surface of.

図3(B)及び図3(C)に示すように、導電体120_1、導電体120_2、絶縁体130_1、絶縁体130_2、導電体140_1、及び導電体140_2の上には、これらを覆うように絶縁体175が設けられる。絶縁体175には、導電体120_1(導電体120_2)、絶縁体130_1(絶縁体130_2)、及び導電体140_1(導電体140_2)の側面と内壁の一部が重なる開口が設けられ、当該開口の内壁(側面)に沿って酸化物150_1と酸化物150_2が設けられ、酸化物150_1と酸化物150_2の互いに向かい合う側面と、酸化物150_1と酸化物150_2の間における絶縁体110の上面と、を覆うように絶縁体160が設けられ、絶縁体160の上に当該開口を埋め込むように導電体170が設けられる。ここで、図3(B)に示すように、酸化物150_1、酸化物150_2、絶縁体160、及び導電体170の最上面の高さは、絶縁体175の上面の高さと同程度であることが好ましい。なお、図3(B)では、酸化物150_1(酸化物150_2)を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、酸化物150_1(酸化物150_2)は、2層以上の積層構造であってもよい。 As shown in FIG. 3(B) and FIG. 3(C), there is a layer on the conductor 120_1, the conductor 120_2, the insulator 130_1, the insulator 130_2, the conductor 140_1, and the conductor 140_2 so as to cover them. An insulator 175 is provided. The insulator 175 is provided with an opening in which the side surfaces of the conductor 120_1 (conductor 120_2), the insulator 130_1 (insulator 130_2), and the conductor 140_1 (conductor 140_2) partially overlap with the inner wall. Oxide 150_1 and oxide 150_2 are provided along the inner wall (side surface), and cover the mutually facing side surfaces of oxide 150_1 and oxide 150_2 and the upper surface of insulator 110 between oxide 150_1 and oxide 150_2. An insulator 160 is provided, and a conductor 170 is provided on the insulator 160 so as to fill the opening. Here, as shown in FIG. 3B, the heights of the top surfaces of the oxide 150_1, the oxide 150_2, the insulator 160, and the conductor 170 are approximately the same as the height of the top surface of the insulator 175. is preferred. Note that although the oxide 150_1 (oxide 150_2) is shown as having a single-layer structure in FIG. 3B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the oxide 150_1 (oxide 150_2) may have a stacked structure of two or more layers.

トランジスタ12において、導電体120_1は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140_1は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物150_1の絶縁体130_1と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体160は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体170は、ゲート電極としての機能を有する。同様に、トランジスタ12において、導電体120_2は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140_2は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物150_2の絶縁体130_2と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体160は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体170は、ゲート電極としての機能を有する。 In the transistor 12, the conductor 120_1 has a function as one of a source electrode or a drain electrode, the conductor 140_1 has a function as the other of a source electrode or a drain electrode, and an insulator 130_1 of an oxide 150_1 The overlapping region functions as a channel formation region, the insulator 160 functions as a gate insulator, and the conductor 170 functions as a gate electrode. Similarly, in the transistor 12, the conductor 120_2 has a function as one of a source electrode or a drain electrode, the conductor 140_2 has a function as the other of a source electrode or a drain electrode, and The region overlapping with the body 130_2 has a function as a channel formation region, the insulator 160 has a function as a gate insulator, and the conductor 170 has a function as a gate electrode.

すなわち、トランジスタ12は、1つのゲート電極(導電体170)と、1つのゲート絶縁体(絶縁体160)と、2組のソース電極又はドレイン電極(導電体120_1及び導電体140_1、導電体120_2及び導電体140_2)と、2つのチャネル形成領域(酸化物150_1の絶縁体130_1と重なる領域、酸化物150_2の絶縁体130_2と重なる領域)と、で構成されたトランジスタであるといえる。あるいは、トランジスタ12は、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_1及び導電体140_1と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150_1(絶縁体130_1と重なる領域)とからなるトランジスタと、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_2及び導電体140_2と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150_2(絶縁体130_2と重なる領域)とからなるトランジスタと、で構成されているといえる。 That is, the transistor 12 includes one gate electrode (conductor 170), one gate insulator (insulator 160), and two sets of source or drain electrodes (conductor 120_1 and conductor 140_1, conductor 120_2 and It can be said that the transistor includes a conductor 140_2) and two channel formation regions (a region of the oxide 150_1 overlapping with the insulator 130_1 and a region of the oxide 150_2 overlapping with the insulator 130_2). Alternatively, the transistor 12 includes a conductor 170 that functions as a gate electrode, an insulator 160 that functions as a gate insulator, and a conductor 120_1 and a conductor 140_1 that function as a source electrode or a drain electrode. A transistor including an oxide 150_1 (a region overlapping with the insulator 130_1) that functions as a channel formation region, a conductor 170 that functions as a gate electrode, and an insulator 160 that functions as a gate insulator. A transistor including a conductor 120_2 and a conductor 140_2 that function as a source electrode or a drain electrode, and an oxide 150_2 (a region overlapping with the insulator 130_2) that functions as a channel formation region. I can say that.

トランジスタ12が上記構成を有することで、トランジスタ12は、<半導体装置の構成例1>で示した半導体装置が有するトランジスタ10(図1参照。)よりも大きなドレイン電流を出力させることができる。例えば、トランジスタ12のソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有する導電体120_1と導電体120_2とを、導電体190_1、導電体185_1、導電体190_2、及び導電体185_2を介して電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有する導電体140_1と導電体140_2とを、導電体195_1、導電体200_1、導電体195_2、及び導電体200_2を介して電気的に接続した場合を考える。この場合、ゲート電極としての機能を有する導電体170に、トランジスタ12がオン状態となる電位を印加することで、トランジスタ12は、同じ大きさの電位を導電体170に印加した場合におけるトランジスタ10の2倍のドレイン電流を出力させることができる。トランジスタ12が、上述したような電気的な接続構成を有することで、トランジスタ12は、単純にトランジスタ10を2つ併設した場合よりも小さい占有面積で、トランジスタ10を2つ併設した場合と同等の電流出力能力を得ることができる。 With the transistor 12 having the above configuration, the transistor 12 can output a larger drain current than the transistor 10 (see FIG. 1) included in the semiconductor device shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device>. For example, a conductor 120_1 and a conductor 120_2 that function as either a source electrode or a drain electrode of the transistor 12 are electrically connected via a conductor 190_1, a conductor 185_1, a conductor 190_2, and a conductor 185_2. However, the case where the conductor 140_1 and the conductor 140_2, which function as the other of the source electrode or the drain electrode, are electrically connected via the conductor 195_1, the conductor 200_1, the conductor 195_2, and the conductor 200_2. think. In this case, by applying a potential at which the transistor 12 is turned on to the conductor 170 that functions as a gate electrode, the transistor 12 can be controlled to It is possible to output twice the drain current. Since the transistor 12 has the above-described electrical connection configuration, the transistor 12 occupies a smaller area than when two transistors 10 are simply installed together, and has a space equivalent to when two transistors 10 are installed together. Current output capability can be obtained.

また、導電体185_1と導電体185_2、及び導電体200_1と導電体200_2を電気的に接続せず、トランジスタ12を構成する2つのトランジスタを、それぞれ独立して制御する構成としてもよい。すなわち、トランジスタ12は、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_1及び導電体140_1と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150_1(絶縁体130_1と重なる領域)とからなるトランジスタと、ゲート電極としての機能を有する導電体170と、ゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体160と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体120_2及び導電体140_2と、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物150_2(絶縁体130_2と重なる領域)とからなるトランジスタとを、それぞれ独立して制御する構成としてもよい。 Alternatively, a configuration may be adopted in which the two transistors forming the transistor 12 are controlled independently, without electrically connecting the conductor 185_1 and the conductor 185_2, and the conductor 200_1 and the conductor 200_2. That is, the transistor 12 includes a conductor 170 that functions as a gate electrode, an insulator 160 that functions as a gate insulator, and a conductor 120_1 and a conductor 140_1 that function as a source or drain electrode. A transistor including an oxide 150_1 (a region overlapping with the insulator 130_1) that functions as a channel formation region, a conductor 170 that functions as a gate electrode, and an insulator 160 that functions as a gate insulator. A transistor consisting of a conductor 120_2 and a conductor 140_2 that function as a source electrode or a drain electrode, and an oxide 150_2 (a region overlapping with an insulator 130_2) that functions as a channel formation region is independently controlled. It is also possible to have a configuration in which

ここで、図3に示す半導体装置が有するトランジスタ12は、図2に示す半導体装置が有するトランジスタ11と比べて、チャネル形成領域を有する酸化物の形状が異なる。具体的には、トランジスタ11が、導電体120_1、絶縁体130_1、及び導電体140_1と、導電体120_2、絶縁体130_2、及び導電体140_2の、互いに向かい合う側面と、絶縁体110の上面の一部と、に接する酸化物150を有するのに対し、トランジスタ12は、導電体120_1、絶縁体130_1、及び導電体140_1の、導電体120_2、絶縁体130_2、及び導電体140_2と対向する側面に接する酸化物150_1と、導電体120_2、絶縁体130_2、及び導電体140_2の、導電体120_1、絶縁体130_1、及び導電体140_1と対向する側面に接する酸化物150_2と、を有する。すなわち、トランジスタ12では、チャネル形成領域を有する酸化物が、絶縁体160及び導電体170を挟んで2つ(酸化物150_1、酸化物150_2)に分断されている点が、トランジスタ11の酸化物150と異なる。チャネル形成領域を有する酸化物は、導電性を有する。そのため、例えば、上述したトランジスタ12を構成する2つのトランジスタを、それぞれ独立して制御する場合、当該2つのトランジスタ間で、酸化物を介したリークが発生するのを抑制することができる。これにより、トランジスタ12を構成する一方のトランジスタの動作(オン動作、オフ動作)時の影響を、他方のトランジスタが受けにくくなり、それぞれの動作を確実に制御することができる。 Here, the transistor 12 included in the semiconductor device shown in FIG. 3 is different from the transistor 11 included in the semiconductor device shown in FIG. 2 in the shape of an oxide having a channel formation region. Specifically, the transistor 11 is connected to side surfaces of the conductor 120_1, the insulator 130_1, and the conductor 140_1, the conductor 120_2, the insulator 130_2, and the conductor 140_2 that face each other, and a part of the upper surface of the insulator 110. The transistor 12 has an oxide 150 that is in contact with the conductor 120_1, the insulator 130_1, and the conductor 140_1, and the oxide 150 that is in contact with the conductor 120_1, the insulator 130_1, and the conductor 140_1, which are in contact with the conductor 120_2, the insulator 130_2, and the conductor 140_2. The oxide 150_2 is in contact with the conductor 120_2, the insulator 130_2, and the side surface of the conductor 140_2 that faces the conductor 120_1, the insulator 130_1, and the conductor 140_1. That is, in the transistor 12, the oxide 150 of the transistor 11 is divided into two parts (oxide 150_1 and oxide 150_2) with the insulator 160 and the conductor 170 in between. different from. The oxide having the channel forming region has conductivity. Therefore, for example, when the two transistors forming the transistor 12 described above are controlled independently, leakage through the oxide can be suppressed between the two transistors. This makes it difficult for the other transistor to be affected by the operation (on operation, off operation) of one transistor constituting the transistor 12, and the operations of each transistor can be reliably controlled.

なお、トランジスタ12において、酸化物150_1(酸化物150_2)は、トランジスタ10の酸化物150と同じ材料を用いることができる。また、導電体185_1(導電体185_2)は、トランジスタ10の導電体185と同じ材料を用いることができる。また、導電体190_1(導電体190_2)は、トランジスタ10の導電体190と同じ材料を用いることができる。また、導電体120_1(導電体120_2)は、トランジスタ10の導電体120と同じ材料を用いることができる。また、絶縁体130_1(絶縁体130_2)は、トランジスタ10の絶縁体130と同じ材料を用いることができる。また、導電体140_1(導電体140_2)は、トランジスタ10の導電体140と同じ材料を用いることができる。また、導電体195_1(導電体195_2)は、トランジスタ10の導電体195と同じ材料を用いることができる。また、導電体200_1(導電体200_2)は、トランジスタ10の導電体200と同じ材料を用いることができる。 Note that in the transistor 12, the same material as the oxide 150 of the transistor 10 can be used for the oxide 150_1 (oxide 150_2). Further, the same material as the conductor 185 of the transistor 10 can be used for the conductor 185_1 (the conductor 185_2). Further, the same material as the conductor 190 of the transistor 10 can be used for the conductor 190_1 (conductor 190_2). Further, the same material as the conductor 120 of the transistor 10 can be used for the conductor 120_1 (conductor 120_2). Further, the same material as the insulator 130 of the transistor 10 can be used for the insulator 130_1 (insulator 130_2). Further, the same material as the conductor 140 of the transistor 10 can be used for the conductor 140_1 (conductor 140_2). Further, the same material as the conductor 195 of the transistor 10 can be used for the conductor 195_1 (conductor 195_2). Further, the same material as the conductor 200 of the transistor 10 can be used for the conductor 200_1 (the conductor 200_2).

トランジスタ12を有する半導体装置において、上で説明してきた以外の構成、効果については、<半導体装置の構成例1>で説明したトランジスタ10を有する半導体装置、又は<半導体装置の構成例2>で説明したトランジスタ11を有する半導体装置の構成、効果を参酌することができる。 In the semiconductor device including the transistor 12, configurations and effects other than those described above are explained in the semiconductor device including the transistor 10 described in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> or <Configuration Example 2 of Semiconductor Device> The configuration and effects of a semiconductor device including the transistor 11 described above can be considered.

以上では、<半導体装置の構成例1>で示したトランジスタ10を有する半導体装置、又は<半導体装置の構成例2>で示したトランジスタ11を有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ12を有する半導体装置の構成例について説明した。上述してきたように、本発明の一態様では、リソグラフィー法では作製することが困難な数nm、あるいはそれ以下のチャネル長の複数のトランジスタを、基板面内において、精度良くかつ容易に作製することができる。また、本発明の一態様では、基板面内において、素子間の電気特性ばらつきが小さいトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長が微細でありながら、短チャネル効果の顕在化しにくい、良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長だけでなく、配線やプラグも含めた素子サイズの微細なトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、微細でありながら、オン電流の大きなトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、上記微細なトランジスタを作製できることで、上記トランジスタを有する半導体装置の高集積化を図ることができる。また、本発明の一態様では、高集積でありながら、隣接するトランジスタ間のリークが小さい半導体装置を作製することができる。また、本発明の一態様では、上記半導体装置を、高歩留まりで作製することができる。 In the above description, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is different from the semiconductor device including the transistor 10 shown in <Structure Example 1 of a Semiconductor Device> or the semiconductor device including the transistor 11 shown in <Structure Example 2 of a Semiconductor Device>. A configuration example of a semiconductor device including the transistor 12 has been described. As described above, in one embodiment of the present invention, a plurality of transistors having a channel length of several nm or less, which is difficult to manufacture using a lithography method, can be manufactured accurately and easily within the plane of a substrate. I can do it. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with small variations in electrical characteristics between elements within the plane of a substrate can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured that has a short channel length and has good electrical characteristics in which short channel effects are difficult to manifest. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured with a fine element size including not only the channel length but also wiring and plugs. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with a large on-state current can be manufactured despite being small. Further, in one embodiment of the present invention, the fine transistor described above can be manufactured, so that a semiconductor device including the transistor can be highly integrated. Further, in one embodiment of the present invention, a semiconductor device that is highly integrated and has small leakage between adjacent transistors can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, the above semiconductor device can be manufactured with a high yield.

<半導体装置の変形例>
以下では、<半導体装置の構成例1>で示したトランジスタ10を有する半導体装置の変形例として、本発明の一態様に係るトランジスタ13を有する半導体装置について、図4を用いて説明する。
<Modified example of semiconductor device>
Below, as a modification of the semiconductor device including the transistor 10 shown in <Structure Example 1 of Semiconductor Device>, a semiconductor device including the transistor 13 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図4(A)は、トランジスタ13を有する半導体装置の上面図である。また、図4(B)は、図4(A)にD1-D2の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、図4(C)は、図4(A)にD3-D4の一点鎖線で示す部位の断面図である。ここで、D1-D2の一点鎖線で示す部位と、D3-D4の一点鎖線で示す部位とは、互いに直交している。図4(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. 4A is a top view of a semiconductor device including the transistor 13. Further, FIG. 4(B) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed line D1-D2 in FIG. 4(A). Further, FIG. 4(C) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed line D3-D4 in FIG. 4(A). Here, the portion shown by the dashed-dotted line D1-D2 and the portion shown by the dashed-dotted line D3-D4 are orthogonal to each other. In the top view of FIG. 4A, some elements are omitted for clarity.

なお、図4に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例1>乃至<半導体装置の構成例3>で示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記している。また、以下では、主に、<半導体装置の構成例1>乃至<半導体装置の構成例3>で説明した半導体装置と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、<半導体装置の構成例1>乃至<半導体装置の構成例3>で説明した内容を参酌できるものとする。 In the semiconductor device shown in FIG. 4, structures having the same functions as the structures configuring the semiconductor devices shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> to <Configuration Example 3 of Semiconductor Device> are given the same reference numerals. ing. In addition, below, we will mainly explain the parts that are different from the semiconductor devices described in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> to <Configuration Example 3 of Semiconductor Device>, and other parts will be explained in <Configuration Example of Semiconductor Device The contents explained in Example 1 to <Configuration Example 3 of Semiconductor Device> can be referred to.

図4に示す半導体装置は、図4(B)及び図4(C)に示すように、ゲート電極として機能する導電体171が、チャネル形成領域としての機能を有する酸化物151及びゲート絶縁体として機能する絶縁体161を介して、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面だけでなく、導電体140の上面の一部とも重なる領域を有するトランジスタ13を有している点が、<半導体装置の構成例1>で示した半導体装置(図1参照。)と異なる。 As shown in FIGS. 4B and 4C, the semiconductor device shown in FIG. The point is that the transistor 13 has a region that overlaps not only the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140 but also a part of the top surface of the conductor 140 via the functional insulator 161. This is different from the semiconductor device shown in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> (see FIG. 1).

本発明の一態様の半導体装置は、基板(図示しない。)上に、トランジスタ13と、層間膜として機能する絶縁体100、絶縁体102、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180と、を有する。また、トランジスタ13と電気的に接続し、配線として機能する導電体185、及び導電体200、並びにプラグとして機能する導電体190、及び導電体195を有する。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 13, an insulator 100, an insulator 102, an insulator 105, an insulator 110, an insulator 175, and an insulator that function as interlayer films over a substrate (not shown). 176, an insulator 178, and an insulator 180. The semiconductor device also includes a conductor 185 and a conductor 200 that are electrically connected to the transistor 13 and function as wiring, and a conductor 190 and a conductor 195 that function as a plug.

なお、図4に示す半導体装置において、導電体185、導電体190、導電体195、及び導電体200に適用できる構成については、<半導体装置の構成例1>で説明した内容を参酌することができる。 In addition, in the semiconductor device shown in FIG. 4, regarding the configuration that can be applied to the conductor 185, the conductor 190, the conductor 195, and the conductor 200, the content explained in <Configuration Example 1 of the Semiconductor Device> may be referred to. can.

[トランジスタ13]
図4(B)に示すように、トランジスタ13は、絶縁体110の上に配置された導電体120及び酸化物151と、導電体120の上に配置された絶縁体130と、絶縁体130の上に配置された導電体140と、酸化物151の上に配置された絶縁体161と、絶縁体161の上に配置された導電体171と、を有する。ここで、酸化物151は、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と、導電体140の上面の一部と、に接する領域を有するように設けられる。また、絶縁体161は、酸化物151を介して、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と、導電体140上面の一部と、に重なる領域を有するように設けられる。また、導電体171は、酸化物151及び絶縁体161を介して、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と、導電体140の上面の一部と、に重なる領域を有するように設けられる。
[Transistor 13]
As shown in FIG. 4B, the transistor 13 includes a conductor 120 and an oxide 151 disposed on the insulator 110, an insulator 130 disposed on the conductor 120, and an oxide 151 disposed on the insulator 110. A conductor 140 is disposed on the conductor 140, an insulator 161 is disposed on the oxide 151, and a conductor 171 is disposed on the insulator 161. Here, the oxide 151 is provided so as to have a region in contact with the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140, and a part of the upper surface of the conductor 140. Further, the insulator 161 is provided so as to have a region that overlaps with the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140, and a part of the upper surface of the conductor 140, with the oxide 151 interposed therebetween. Further, the conductor 171 has a region that overlaps the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140 and a part of the upper surface of the conductor 140 via the oxide 151 and the insulator 161. established in

図4(B)に示すように、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の上には、これらを覆うように絶縁体175が設けられる。絶縁体175には、導電体120、絶縁体130、及び導電体140の側面と、導電体140の上面の一部と、に内壁の一部が重なる開口が設けられ、当該開口の内壁に沿って酸化物151が設けられ、酸化物151の上に絶縁体161が設けられ、絶縁体161の上に当該開口を埋め込むように導電体171が設けられる。ここで、図4(B)に示すように、酸化物151、絶縁体161、及び導電体171の最上面の高さは、絶縁体175の上面の高さと同程度であることが好ましい。なお、図4(B)では、酸化物151を単層構造として示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、酸化物151は、2層以上の積層構造であってもよい。 As shown in FIG. 4B, an insulator 175 is provided over the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140 so as to cover them. The insulator 175 is provided with an opening in which a portion of the inner wall overlaps the side surfaces of the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140, and a portion of the upper surface of the conductor 140, and an opening is formed along the inner wall of the opening. An oxide 151 is provided on the oxide 151, an insulator 161 is provided on the oxide 151, and a conductor 171 is provided on the insulator 161 so as to fill the opening. Here, as shown in FIG. 4B, the heights of the top surfaces of the oxide 151, the insulator 161, and the conductor 171 are preferably approximately the same as the height of the top surface of the insulator 175. Note that although the oxide 151 is shown as having a single layer structure in FIG. 4B, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the oxide 151 may have a laminated structure of two or more layers.

トランジスタ13において、導電体120は、ソース電極又はドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体140は、ソース電極又はドレイン電極の他方としての機能を有し、酸化物151の絶縁体130と重なる領域は、チャネル形成領域としての機能を有し、絶縁体161は、ゲート絶縁体としての機能を有し、導電体171は、ゲート電極としての機能を有する。 In the transistor 13, the conductor 120 has a function as one of a source electrode or a drain electrode, and the conductor 140 has a function as the other of a source electrode or a drain electrode. The overlapping region functions as a channel formation region, the insulator 161 functions as a gate insulator, and the conductor 171 functions as a gate electrode.

ここで、トランジスタ10が、酸化物150と絶縁体130の接触面を、図1(B)に示す1箇所だけ有するのに対し、トランジスタ13は、酸化物151と絶縁体130の接触面を、図4(B)に示す1箇所と、図4(C)に示す2箇所の、計3箇所有するという違いを有する。すなわち、トランジスタ10と、トランジスタ13とでは、それぞれが有する酸化物(酸化物150又は酸化物151)において、チャネル形成領域として機能できる領域の面積に違いを有する(トランジスタ13のほうが、トランジスタ10よりも、チャネル形成領域として機能し得る酸化物の面積が大きい。)。このため、トランジスタ13は、トランジスタ10と素子サイズが同程度でありながら、トランジスタ10よりも大きなドレイン電流を出力させることができる。 Here, while the transistor 10 has a contact surface between the oxide 150 and the insulator 130 at only one location shown in FIG. The difference is that there are three locations in total, one location shown in FIG. 4(B) and two locations shown in FIG. 4(C). That is, the transistor 10 and the transistor 13 have a difference in the area of the region that can function as a channel formation region in the oxides (oxide 150 or oxide 151) that they each have (transistor 13 has a larger area than transistor 10). , the area of oxide that can function as a channel forming region is large). Therefore, the transistor 13 can output a larger drain current than the transistor 10 even though the element size is about the same as that of the transistor 10.

また、トランジスタ13は、ゲート電極として機能する導電体171が、導電体140の上面の一部と重なる領域を有することが、トランジスタ10と異なる。トランジスタ13が当該構造を有することで、図4(C)に示すように、チャネル形成領域(酸化物151の絶縁体130と重なる領域)を、導電体171で囲い込むことができる。したがって、トランジスタ13は、トランジスタ10と比べて、より確実にチャネル形成領域にゲート電界を印加する制御性を上げることができる。このため、トランジスタ13は、動作(オン動作、オフ動作)時のキャリアの制御を確実に行うことができ、トランジスタ10よりも大きなオン電流と、小さなオフ電流の双方を実現することができる。 Further, the transistor 13 differs from the transistor 10 in that the conductor 171 functioning as a gate electrode has a region overlapping a part of the upper surface of the conductor 140. When the transistor 13 has this structure, a channel formation region (a region of the oxide 151 that overlaps with the insulator 130) can be surrounded by the conductor 171, as shown in FIG. 4C. Therefore, compared to the transistor 10, the transistor 13 can more reliably control the application of the gate electric field to the channel formation region. Therefore, the transistor 13 can reliably control carriers during operation (on operation, off operation), and can realize both a larger on-current and a smaller off-current than the transistor 10.

なお、トランジスタ13において、酸化物151は、トランジスタ10の酸化物150と同じ材料を用いることができる。また、絶縁体161は、トランジスタ10の絶縁体160と同じ材料を用いることができる。また、導電体171は、トランジスタ10の導電体170と同じ材料を用いることができる。 Note that in the transistor 13, the same material as the oxide 150 of the transistor 10 can be used for the oxide 151. Further, the same material as the insulator 160 of the transistor 10 can be used for the insulator 161. Further, the same material as the conductor 170 of the transistor 10 can be used for the conductor 171.

トランジスタ13を有する半導体装置において、上で説明してきた以外の構成、効果については、<半導体装置の構成例1>で説明したトランジスタ10を有する半導体装置、<半導体装置の構成例2>で説明したトランジスタ11を有する半導体装置、又は<半導体装置の構成例3>で説明したトランジスタ12を有する半導体装置の構成、効果を参酌することができる。 Regarding the structure and effects of the semiconductor device including the transistor 13 other than those described above, the semiconductor device including the transistor 10 described in <Configuration Example 1 of Semiconductor Device> and <Configuration Example 2 of Semiconductor Device> are explained. The structure and effects of the semiconductor device having the transistor 11 or the semiconductor device having the transistor 12 described in <Structure Example 3 of Semiconductor Device> can be taken into consideration.

以上では、<半導体装置の構成例1>で示したトランジスタ10を有する半導体装置の変形例として、本発明の一態様に係るトランジスタ13を有する半導体装置の構成例について説明した。上述してきたように、本発明の一態様では、リソグラフィー法では作製することが困難な数nm、あるいはそれ以下のチャネル長の複数のトランジスタを、基板面内において、精度良くかつ容易に作製することができる。また、本発明の一態様では、基板面内において、素子間の電気特性ばらつきが小さいトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、オン電流の大きなトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、オフ電流の小さなトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長が微細でありながら、短チャネル効果の顕在化しにくい、良好な電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長だけでなく、配線やプラグも含めた素子サイズの微細なトランジスタを作製することができる。また、また、本発明の一態様では、上記微細なトランジスタを作製できることで、上記トランジスタを有する半導体装置の高集積化を図ることができる。また、本発明の一態様では、上記半導体装置を、高歩留まりで作製することができる。 The example of the structure of the semiconductor device including the transistor 13 according to one embodiment of the present invention has been described above as a modification of the semiconductor device including the transistor 10 shown in <Structure Example 1 of Semiconductor Device>. As described above, in one embodiment of the present invention, a plurality of transistors having a channel length of several nm or less, which is difficult to manufacture using a lithography method, can be manufactured accurately and easily within the plane of a substrate. I can do it. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with small variations in electrical characteristics between elements within the plane of a substrate can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with large on-state current can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor with low off-state current can be manufactured. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured that has a short channel length and has good electrical characteristics in which short channel effects are difficult to manifest. Further, in one embodiment of the present invention, a transistor can be manufactured with a fine element size including not only the channel length but also wiring and plugs. Furthermore, in one embodiment of the present invention, the fine transistor described above can be manufactured, so that a semiconductor device including the transistor can be highly integrated. Further, in one embodiment of the present invention, the above semiconductor device can be manufactured with a high yield.

本発明の一態様に係る半導体装置の一例は、上で説明してきたトランジスタ10、トランジスタ11、トランジスタ12、又はトランジスタ13を有する半導体装置(図1乃至図4参照。)に限られない。本発明の一態様に係る半導体装置は、上で説明してきた各半導体装置の構成を適宜組み合わせて用いることができる。 An example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited to the semiconductor device having the transistor 10, the transistor 11, the transistor 12, or the transistor 13 described above (see FIGS. 1 to 4). A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used by appropriately combining the structures of the semiconductor devices described above.

<半導体装置の構成要素>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ10、トランジスタ11、トランジスタ12、又はトランジスタ13を有する半導体装置(図1乃至図4参照。)に適用できる各構成要素について詳細に説明する。
<Components of semiconductor device>
Each component that can be applied to a semiconductor device (see FIGS. 1 to 4) including the transistor 10, the transistor 11, the transistor 12, or the transistor 13 according to one embodiment of the present invention will be described in detail below.

〔基板〕
基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、又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、又は炭化シリコン、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。又は、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又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などがある。又は、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。
〔substrate〕
As the substrate, for example, an insulating substrate, a semiconductor substrate, or a conductive substrate may be used. Examples of the insulating substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as an yttria-stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a semiconductor substrate made of silicon or germanium, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Furthermore, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the semiconductor substrate described above, such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductive substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there may be a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, or the like. Furthermore, there are substrates in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided in a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided in a conductor substrate, and the like. Alternatively, these substrates provided with elements may be used. Elements provided on the substrate include capacitive elements, resistive elements, switch elements, light emitting elements, and memory elements.

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。なお、基板として、繊維を編み込んだシート、フィルム又は箔などを用いてもよい。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。又は、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。 Furthermore, a flexible substrate may be used as the substrate. Note that as a method for providing a transistor on a flexible substrate, there is also a method in which a transistor is manufactured on a non-flexible substrate, the transistor is peeled off, and the transistor is transferred to a flexible substrate. In that case, a release layer may be provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that a sheet, film, or foil in which fibers are woven may be used as the substrate. Further, the substrate may have elasticity. Further, the substrate may have the property of returning to its original shape when it is no longer bent or stretched. Alternatively, it may have the property of not returning to its original shape. The substrate has a region having a thickness of, for example, 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 making the substrate thinner, a semiconductor device including a transistor can be made lighter. Furthermore, by making the substrate thinner, it may have elasticity even when glass or the like is used, or it may have the property of returning to its original shape when it is no longer bent or stretched. Therefore, the impact applied to the semiconductor device on the substrate due to dropping or the like can be alleviated. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可撓性性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂、若しくはガラス、又はそれらの繊維などを用いることができる。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、又は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 flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fibers thereof can be used. It is preferable that the flexible substrate has a lower linear expansion coefficient, since deformation caused by the environment is suppressed. As the flexible substrate, for example, a material having a coefficient of linear expansion 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, so it is suitable as 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, nitrides, oxynitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxynitrides, and metal nitride oxides having insulating properties.

絶縁体100、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)、及び絶縁体160としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、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、ハフニウム、又はタンタルを含む絶縁体を、単層で、又は積層で用いればよい。例えば、絶縁体100、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)、及び絶縁体160としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化シリコンを有することが好ましい。 Examples of the insulator 100, the insulator 105, the insulator 110, the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2), and the insulator 160 include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, An insulator containing silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in a single layer or in a stacked layer. For example, the insulator 100, the insulator 105, the insulator 110, the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2), and the insulator 160 may include silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride. preferable.

絶縁体105、絶縁体110、及び絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)中の水、水素、又は窒素酸化物などの不純物濃度は、低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体105、絶縁体110、及び絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体105、絶縁体110、又は絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)の面積当たりに換算して、2×1015molecules/cm以下、好ましくは1×1015molecules/cm以下、より好ましくは5×1014molecules/cm以下であればよい。また、絶縁体105、絶縁体110、及び絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)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。当該絶縁体を絶縁体105、絶縁体110、及び絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)に用いることで、絶縁体105、絶縁体110、及び絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)から、酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)に、効果的に酸素を供給することができる。 The concentration of impurities such as water, hydrogen, or nitrogen oxide in the insulator 105, the insulator 110, and the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2) is preferably reduced. For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 105, the insulator 110, and the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2) is determined by thermal desorption spectroscopy (TDS). When the surface temperature of the film is in the range of 50°C to 500°C, the amount of desorption in terms of hydrogen molecules is per area of the insulator 105, insulator 110, or insulator 130 (or insulator 130_1, insulator 130_2). In terms of this, it may be 2×10 15 molecules/cm 2 or less, preferably 1×10 15 molecules/cm 2 or less, more preferably 5×10 14 molecules/cm 2 or less. Further, the insulator 105, the insulator 110, and the insulator 130 (or the insulator 130_1 and the insulator 130_2) are preferably formed using an insulator that releases oxygen when heated. By using the insulator for the insulator 105, the insulator 110, and the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2), the insulator 105, the insulator 110, and the insulator 130 (or the insulator 130_1) , the insulator 130_2) to the oxide 150 (or the oxide 150_1, the oxide 150_2).

また、絶縁体160は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体160は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化窒化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化窒化物、又は、シリコン及びハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。又は、絶縁体160は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、欠陥の少ない膜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。 Moreover, it is preferable that the insulator 160 has an insulator with a high dielectric constant. For example, the insulator 160 may include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, an oxide containing aluminum and hafnium, an oxynitride containing aluminum and hafnium, an oxide containing silicon and hafnium, an oxide containing silicon and hafnium, etc. It is preferable to use a nitride or a nitride containing silicon and hafnium. Alternatively, the insulator 160 preferably has a stacked structure of silicon oxide or silicon oxynitride and an insulator with a high relative dielectric constant. Silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, so by combining them with an insulator with a high relative dielectric constant, it is possible to create a layered structure with fewer defects that is thermally stable and has a high relative dielectric constant. .

絶縁体160は、酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)の上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体160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。このような絶縁体160を酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)の上面に接して設けることにより、酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体105、絶縁体110、及び絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)と同様に、絶縁体160中の水又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160の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましく、例えば、1nm程度の膜厚にすればよい。 The insulator 160 is preferably disposed in contact with the upper surface of the oxide 150 (or the oxide 150_1 or the oxide 150_2). The insulator 160 is preferably formed using an insulator that releases oxygen when heated. By providing such an insulator 160 in contact with the upper surface of the oxide 150 (or oxide 150_1, oxide 150_2), oxygen can be effectively supplied to the oxide 150 (or oxide 150_1, oxide 150_2). can be supplied. Further, similarly to the insulator 105, the insulator 110, and the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2), it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 160 is reduced. . The thickness of the insulator 160 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, and may be approximately 1 nm thick, for example.

絶縁体160は、酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、100℃以上700℃以下又は100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体160の面積当たりに換算して、1×1014molecules/cm以上、好ましくは2×1014molecules/cm以上、より好ましくは4×1014molecules/cm以上であればよい。 Preferably, the insulator 160 contains oxygen. For example, in temperature programmed desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis), the amount of oxygen molecules desorbed per area of the insulator 160 is measured at a surface temperature range of 100°C to 700°C or 100°C to 500°C. It is sufficient if it is converted to 1×10 14 molecules/cm 2 or more, preferably 2×10 14 molecules/cm 2 or more, more preferably 4×10 14 molecules/cm 2 or more.

絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体180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、絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体180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、炭素及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、又は樹脂などを有することが好ましい。又は、絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体180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、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、又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。酸化シリコン及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、ポリカーボネート又はアクリルなどがある。なお、絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体180は、絶縁体105、絶縁体110、絶縁体130(又は、絶縁体130_1、絶縁体130_2)、及び絶縁体160などと同様に、膜中の水又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。 It is preferable that the insulator 175, the insulator 176, and the insulator 180 have an insulator with a low dielectric constant. For example, the insulator 175, the insulator 176, and the insulator 180 may be made of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, etc. It is preferable to use silicon oxide, silicon oxide with pores, resin, or the like. Alternatively, the insulator 175, the insulator 176, and the insulator 180 may be silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, or silicon oxide added with carbon and nitrogen. It is preferable to have a laminated structure of silicon oxide or silicon oxide having pores and a resin. Silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, so by combining them with resin, a laminated structure that is thermally stable and has a low dielectric constant can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, and acrylic. Note that the insulator 175, the insulator 176, and the insulator 180 are similar to the insulator 105, the insulator 110, the insulator 130 (or the insulator 130_1, the insulator 130_2), the insulator 160, etc. Preferably, the concentration of impurities such as water or hydrogen is reduced.

また、絶縁体102及び絶縁体178には、水素や水などの不純物、及び酸素に対してバリア性の高い絶縁体を用いることが好ましい。当該絶縁体を絶縁体102及び絶縁体178に用いることで、絶縁体102(絶縁体178)の下側(上側)から、トランジスタ10、トランジスタ11、トランジスタ12、又はトランジスタ13中に、水素や水などの不純物が混入するのを抑制することができる。また、トランジスタ10、トランジスタ11、トランジスタ12、又はトランジスタ13中の酸素が、絶縁体102(絶縁体178)の下側(上側)に拡散するのを抑制することができる。当該絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、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、ハフニウム、又はタンタルを含む絶縁体を、単層又は積層で用いることが好ましい。 Further, as the insulator 102 and the insulator 178, it is preferable to use an insulator that has high barrier properties against impurities such as hydrogen and water and oxygen. By using the insulator for the insulator 102 and the insulator 178, hydrogen and water can be absorbed from the lower side (upper side) of the insulator 102 (insulator 178) into the transistor 10, transistor 11, transistor 12, or transistor 13. It is possible to suppress the contamination of impurities such as. Further, oxygen in the transistor 10, the transistor 11, the transistor 12, or the transistor 13 can be suppressed from diffusing below (above) the insulator 102 (the insulator 178). The insulator includes, for example, an insulator containing boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum. It is preferable to use a single layer or a laminated layer.

また、例えば、当該絶縁体としては、酸化アルミニウム、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、酸化ハフニウム、又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いればよい。なお、当該絶縁体は、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを有することが好ましい。 For example, the insulator may be a metal oxide such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or Silicon nitride or the like may be used. Note that the insulator preferably includes aluminum oxide, hafnium oxide, or the like.

〔導電体〕
導電体120(又は、導電体120_1、導電体120_2)、導電体140(又は、導電体140_1、導電体140_2)、導電体185(又は、導電体185_1、導電体185_2)、導電体190(又は、導電体190_1、導電体190_2)、導電体195(又は、導電体195_1、導電体195_2)、導電体200(又は、導電体200_1、導電体200_2)、及び導電体170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〕
Conductor 120 (or conductor 120_1, conductor 120_2), conductor 140 (or conductor 140_1, conductor 140_2), conductor 185 (or conductor 185_1, conductor 185_2), conductor 190 (or , conductor 190_1, conductor 190_2), conductor 195 (or conductor 195_1, conductor 195_2), conductor 200 (or conductor 200_1, conductor 200_2), and conductor 170, such as aluminum or chromium. , copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, etc. Can be used. Further, a semiconductor having high electrical conductivity, typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.

また、上記導電体、特に、導電体170として、酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素及び酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素及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、酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。又は、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。 Further, as the conductor, particularly the conductor 170, a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide applicable to the oxide 150 (or oxide 150_1, oxide 150_2) may be used. good. Further, a conductive material containing the aforementioned metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. In addition, 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 tin oxide may also be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, hydrogen contained in the oxide 150 (or the oxide 150_1 or the oxide 150_2) can be captured in some cases. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed in from an external insulator or the like.

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 layered structure may be used in which a material containing the metal element described above and a conductive material containing oxygen are combined. Alternatively, a laminated structure may be used in which a material containing the aforementioned metal element and a conductive material containing nitrogen are combined. Alternatively, a laminated structure may be used in which a material containing the aforementioned 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は、ゲート電極として、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。 Note that when an oxide is used for the channel formation region of the transistor, it is preferable to use a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined as the gate electrode. In this case, it is preferable to provide a conductive material containing oxygen on the channel forming region side. By providing a conductive material containing oxygen on the side of the channel formation region, oxygen released from the conductive material is easily supplied to the channel formation region.

なお、導電体185(又は、導電体185_1、導電体185_2)、導電体190(又は、導電体190_1、導電体190_2)、導電体195(又は、導電体195_1、導電体195_2)、及び導電体200(又は、導電体200_1、導電体200_2)としては、例えば、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いればよい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン、窒化チタン、窒化タンタルなどの導電性バリア膜を組み合わせて用いてもよい。 Note that the conductor 185 (or the conductor 185_1, the conductor 185_2), the conductor 190 (or the conductor 190_1, the conductor 190_2), the conductor 195 (or the conductor 195_1, the conductor 195_2), and the conductor As the conductor 200 (or the conductor 200_1, the conductor 200_2), a conductive material with high embeddability, such as tungsten or polysilicon, may be used, for example. Further, a conductive material with high embeddability and a conductive barrier film such as titanium, titanium nitride, tantalum nitride, etc. may be used in combination.

〔酸化物〕
酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)としては、金属酸化物を用いることが好ましい。ただし、酸化物150の代わりに、半導体材料として、シリコン(歪シリコン含む。)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、又は有機半導体などを用いても構わない場合がある。以下では、本発明の一態様に係る酸化物150(又は、酸化物150_1、酸化物150_2)に用いることが好ましい、金属酸化物について説明する。
[Oxide]
It is preferable to use a metal oxide as the oxide 150 (or the oxide 150_1, the oxide 150_2). However, instead of the oxide 150, silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor may be used as the semiconductor material. There are cases where it doesn't matter. A metal oxide that is preferably used for the oxide 150 (or oxide 150_1, oxide 150_2) according to one embodiment of the present invention will be described below.

金属酸化物は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウム及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、イットリウム又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、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれていてもよい。 Preferably, the metal oxide contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to include indium and zinc. Moreover, in addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one or more selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be included.

ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素M及び亜鉛を有するInMZnO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、又はスズなどとする。その他の元素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, a case will be considered in which the metal oxide is InMZnO containing indium, element M, and zinc. Note that the element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, as the element M, there are cases where a plurality of the above-mentioned elements may be combined.

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、良好な信頼性を有するトランジスタを実現することができる。 By using the above metal oxide in a channel formation region of a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. Further, a transistor with good reliability can be realized.

金属酸化物を用いたチャネル形成領域に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、金属酸化物は、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。 A transistor using a metal oxide in a channel formation region has extremely small leakage current in a non-conducting state, so a semiconductor device with low power consumption can be provided. Furthermore, since metal oxides can be formed into films using sputtering methods or the like, they can be used for transistors included in highly integrated semiconductor devices.

また、トランジスタのチャネル形成領域には、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ためには、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又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/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10-9/cm以上とすればよい。 Further, it is preferable to use a metal oxide with low carrier density for the channel formation region of the transistor. In order to lower the carrier density of the metal oxide film, the impurity concentration in the metal oxide film may be lowered to lower the defect level density. In this specification and the like, the term "high purity intrinsic" or "substantially high purity intrinsic" means that the impurity concentration is low and the defect level density is low. For example, the metal oxide has 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 /cm 3 . cm 3 or more.

また、高純度真性又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 a metal oxide film that is highly pure or substantially pure 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にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 Furthermore, charges captured in the trap levels of metal oxides take a long time to disappear, and may behave as if they were fixed charges. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed in a metal oxide with a high trap level density 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 a transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the metal oxide. Furthermore, in order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to also reduce the impurity concentration in the adjacent film. Examples of impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, and silicon.

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。 Here, the influence of each impurity in the metal oxide will be explained.

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/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When a metal oxide contains silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, 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 ×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又はアルカリ土類金属が含まれると、当該金属が金属酸化物中に欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属又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又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又はアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 Further, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, the metal may form a defect level in the metal oxide and generate carriers. Therefore, a transistor using a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal in a channel formation region tends to have normally-on characteristics. For this reason, it is preferable to reduce the concentration of the 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、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/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, when nitrogen is contained in a metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density increases, and the metal oxide tends to become n-type. As a result, a transistor in which a metal oxide containing nitrogen is used in a channel formation region tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable that the metal oxide contains as little nitrogen as possible. For example, the nitrogen concentration in the metal oxide is determined by SIMS to be less than 5×10 19 atoms/cm 3 , preferably 5×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less, and further Preferably it is 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/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Furthermore, hydrogen contained in metal oxides reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, which may result in the formation of oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancy, electrons, which are carriers, may be generated. Further, a portion of hydrogen may combine with oxygen that is bonded to a metal atom to generate electrons, which are carriers. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing hydrogen is used in a channel formation region tends to have normally-on characteristics. For this reason, it is preferable that hydrogen in the metal oxide be 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 It is less than 3 , more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 .

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。 By using a metal oxide with sufficiently reduced impurities in a channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be provided.

以下では、CAC-OSについて詳細に説明する。CAC-OSは、本発明の一態様に係るトランジスタの金属酸化物が有することのできる機能、又は材料構成の一例である。 Below, CAC-OS will be explained in detail. CAC-OS is an example of a function or material structure that a metal oxide of a transistor according to one embodiment of the present invention can have.

CAC-OSとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、又はその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、1つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、当該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、又はその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、又はパッチ状ともいう。 CAC-OS is, for example, a structure of a material in which elements constituting a metal oxide are unevenly distributed in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or in the vicinity thereof. In addition, in the following, in a metal oxide, one or more metal elements are unevenly distributed, and a region having the metal element has a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or a size in the vicinity thereof. The mixed state is also called mosaic or patch.

例えば、In-Ga-Zn酸化物におけるCAC-OS(CAC-OSの中でもIn-Ga-Zn酸化物を、特にCAC-IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、又はインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、及びZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、又はガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4Z4(X4、Y4、及びZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、又はInX2ZnY2Z2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, CAC-OS in In-Ga-Zn oxide (In-Ga-Zn oxide may be particularly referred to as CAC-IGZO among CAC-OS) is indium oxide (hereinafter, InO X1 (X1 is a real number greater than 0), or indium zinc oxide (hereinafter In X2 Zn Y2 O Z2 (X2, Y2, and Z2 are real numbers greater than 0)), and gallium. oxide (hereinafter referred to as GaO X3 ( X3 is a real number larger than 0 )), or gallium zinc oxide (hereinafter referred to as Ga ), the material separates into a mosaic - like structure, and the mosaic-like InO be.

つまり、CAC-OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。 In other words, CAC-OS is a composite metal oxide having a configuration in which a region whose main component is GaO X3 and a region whose main component is In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 are mixed. Note that, in this specification, for example, the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region. Assume that the In concentration is higher than that in region 2.

なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、及びOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO(ZnO)m1(m1は自然数)、又はIn(1+x0)Ga(1-x0)(ZnO)m0(-1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。 Note that IGZO is a common name and may refer to one compound made of In, Ga, Zn, and O. As a typical example, it is expressed as InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number) or In (1+x0) Ga (1-x0) O 3 (ZnO) m0 (-1≦x0≦1, m0 is an arbitrary number) Examples include crystalline compounds.

上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、又はCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa-b面においては配向せずに連結した結晶構造である。 The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure. Note that the CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.

一方、CAC-OSは、金属酸化物の材料構成に関する。CAC-OSとは、In、Ga、Zn、及びOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、CAC-OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。 On the other hand, CAC-OS relates to the material composition of metal oxides. CAC-OS is a material composition containing In, Ga, Zn, and O, with some regions observed as nanoparticles containing Ga as the main component and some nanoparticles containing In as the main component. This refers to a configuration in which regions observed in a shape are randomly distributed in a mosaic shape. Therefore, in CAC-OS, crystal structure is a secondary element.

なお、CAC-OSに、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。 Note that the CAC-OS does not include a stacked structure of two or more types of films with different compositions. For example, a structure consisting of two layers of a film mainly composed of In and a film mainly composed of Ga is not included.

なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域とは、明確な境界を観察することが難しい場合がある。 Note that it may be difficult to observe a clear boundary between a region where GaO X3 is the main component and a region where In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component.

なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、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、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれている場合、CAC-OSは、一部に当該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。 In addition, instead of gallium, a metal selected from aluminum, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be used. When one or more types are included, CAC-OS has a region observed in the form of nanoparticles mainly composed of the metal element, and a region observed in the form of nanoparticles mainly composed of In. This refers to a configuration in which the regions observed in the image are randomly distributed in a mosaic pattern.

CAC-OSは、例えば、基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC-OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的には、アルゴン)、酸素ガス、及び窒素ガスの中から選ばれたいずれか1つ又は複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば、酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とする。 The CAC-OS can be formed, for example, by sputtering without intentionally heating the substrate. Furthermore, when forming the CAC-OS by sputtering, one or more of an inert gas (typically argon), oxygen gas, and nitrogen gas is used as the film-forming gas. Bye. Further, the lower the flow rate ratio of oxygen gas to the total flow rate of film forming gas during film formation, the better. For example, the flow rate ratio of oxygen gas is set to 0% or more and less than 30%, preferably 0% or more and less than 10%.

CAC-OSは、X線回折(XRD:X-ray diffraction)測定法の1つであるOut-of-plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折から、測定領域のa-b面方向、及びc軸方向の配向は見られないことがわかる。 CAC-OS is characterized by the fact that no clear peaks are observed when it is measured using a θ/2θ scan using the out-of-plane method, which is one of the X-ray diffraction (XRD) measurement methods. has. That is, it can be seen from the X-ray diffraction that no orientation in the a-b plane direction or the c-axis direction of the measurement region is observed.

また、CAC-OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、当該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、CAC-OSの結晶構造が、平面方向、及び断面方向において、配向性を有さないnc(nano-crystal)構造を有することがわかる。 Furthermore, in the electron beam diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam with a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam), CAC-OS has a ring-shaped region with high brightness and a plurality of rings in the ring region. A bright spot is observed. Therefore, it can be seen from the electron diffraction pattern that the crystal structure of CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure with no orientation in the plane direction and the cross-sectional direction.

また、例えば、In-Ga-Zn酸化物におけるCAC-OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。 Furthermore, for example, in CAC-OS in In-Ga-Zn oxide, EDX mapping obtained using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) reveals that GaO It can be confirmed that the region and the region whose main component is In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 are unevenly distributed and have a mixed structure.

CAC-OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC-OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。 CAC-OS has a structure different from that of IGZO compounds in which metal elements are uniformly distributed, and has different properties from IGZO compounds. In other words, CAC-OS has phase separation between a region where GaO X3 is the main component and a region where InX2 Zn Y2 O Z2 or InO It has a mosaic-like structure.

ここで、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、金属酸化物としての導電性が発現する。したがって、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域が、金属酸化物中にクラウド状に分布することで、当該金属酸化物を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を実現できる。 Here, the region where In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component is a region with higher conductivity than the region where GaO X3 or the like is the main component. That is, carriers flow through the region where InX2ZnY2OZ2 or InOX1 is the main component, thereby exhibiting conductivity as a metal oxide. Therefore, by distributing regions mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO can.

一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、金属酸化物中に分布することで、当該金属酸化物を用いたトランジスタは、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。 On the other hand, a region whose main component is GaO X3 or the like has higher insulation than a region whose main component is In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 . That is, by distributing a region mainly composed of GaO X3 or the like in the metal oxide, a transistor using the metal oxide can suppress leakage current and achieve good switching operation.

したがって、CAC-OSをトランジスタなどの半導体素子に用いた場合、InX2ZnY2Z2、又はInOX1に起因する導電性と、GaOX3などに起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流と低いオフ電流の双方を実現することができる。 Therefore, when CAC-OS is used in a semiconductor device such as a transistor , the conductivity caused by In This makes it possible to achieve both high on-current and low off-current.

また、CAC-OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、CAC-OSは、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器などの様々な半導体装置に用いることが最適である。 Furthermore, semiconductor devices using CAC-OS have high reliability. Therefore, CAC-OS is optimally used in various semiconductor devices such as display devices, light emitting devices, lighting devices, power storage devices, storage devices, imaging devices, processors, and electronic devices.

<半導体装置の作製方法>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ10を有する半導体装置の作製方法について、その一例を図5乃至図10を用いて説明する。図5乃至図10において、各図の(A)は、トランジスタ10を有する半導体装置の上面図である。また、各図の(B)は、各図の(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、各図の(C)は、各図の(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、以下で説明するトランジスタ10を有する半導体装置の作製方法において、当該半導体装置に適用できる各構成要素(基板、絶縁体、導電体、酸化物など)の具体的な材料については、<半導体装置の構成要素>で説明した内容を参酌できるものとする。
<Method for manufacturing semiconductor device>
An example of a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 10 according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 5 to 10. 5 to 10, (A) in each figure is a top view of a semiconductor device having the transistor 10. In FIGS. Further, (B) in each figure is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line A1-A2 in (A) of each figure. Further, (C) of each figure is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line A3-A4 in (A) of each figure. In addition, in the method for manufacturing a semiconductor device having a transistor 10 described below, for specific materials of each component (substrate, insulator, conductor, oxide, etc.) that can be applied to the semiconductor device, see <Semiconductor Device Please take into account the contents explained in Component Elements.

まず、基板(図示しない。)を準備する。 First, a substrate (not shown) is prepared.

次に、当該基板上に絶縁体100を成膜する。絶縁体100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、又はALD(Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。 Next, an insulator 100 is formed on the substrate. The insulator 100 can be formed using a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a pulsed laser deposition (PLD) method, or ALD (Atomic Layer Deposition) method, etc. can be used.

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 plasma enhanced CVD (PECVD) that uses plasma, thermal CVD (TCVD) that uses heat, photo CVD (photo CVD) that uses light, etc. . Furthermore, depending on the raw material gas used, it can be divided into a metal CVD (MCVD) method and a metal organic CVD (MOCVD) method.

プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 The plasma CVD method can obtain a high quality film at a relatively low temperature. Further, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film forming method that can reduce plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitors, etc.) included in a semiconductor device may be charged up by receiving charges from plasma. At this time, the accumulated charges may destroy wiring, electrodes, elements, etc. included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of a thermal CVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of semiconductor devices can be increased. Further, in the thermal CVD method, since plasma damage does not occur during film formation, a film with fewer defects can be obtained.

また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ALD法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 Further, the ALD method is also a film forming method that can reduce plasma damage to the object to be processed. Furthermore, since plasma damage does not occur during film formation in the ALD method, a film with fewer defects can be obtained.

CVD法及びALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。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。 The CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object, unlike film forming methods in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, this is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and is therefore suitable for coating the surface of an opening with a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively slow film formation rate, it may be preferable to use it in combination with other film formation methods such as the CVD method, which has a fast film formation rate.

CVD法及びALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法及びALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法及びALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合のような搬送や圧力調整にかかる時間を必要としない分、成膜にかかる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。 In the CVD method and the ALD method, the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of source gases. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed by changing the flow rate ratio of source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, by changing the flow rate ratio of the raw material gas while forming the film, it is possible to form a film in which the composition changes continuously. When forming a film while changing the flow rate ratio of raw material gases, the time required for film formation is reduced because the time required for transportation and pressure adjustment, which is required when forming films using multiple film formation chambers, is eliminated. be able to. Therefore, it may be possible to improve the productivity of semiconductor devices.

本実施の形態では、絶縁体100として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体100としては、酸化シリコン以外に、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。 In this embodiment, a silicon oxide film is formed as the insulator 100 by a CVD method. Note that as the insulator 100, for example, silicon oxynitride may be used instead of silicon oxide.

次に、絶縁体100上に絶縁体102を成膜する。絶縁体102の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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102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102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。又は、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。 Next, an insulator 102 is formed on the insulator 100. The insulator 102 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, aluminum oxide is formed into a film as the insulator 102 by a sputtering method. Further, the insulator 102 may have a multilayer structure. For example, a structure may be adopted in which aluminum oxide is formed into a film by a sputtering method, and then aluminum oxide is formed into a film by an ALD method on the aluminum oxide. Alternatively, a structure may be adopted in which aluminum oxide is formed into a film by an ALD method, and then aluminum oxide is formed into a film by a sputtering method on the aluminum oxide.

次に、絶縁体102上に絶縁体105を成膜する。絶縁体105の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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105として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体105としては、酸化シリコン以外に、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。 Next, an insulator 105 is formed on the insulator 102. The insulator 105 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, silicon oxide is formed as the insulator 105 by a CVD method. Note that as the insulator 105, for example, silicon oxynitride may be used instead of silicon oxide.

次に、絶縁体105に、絶縁体102に達する開口を形成する。ここで、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102は、絶縁体105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膜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105に酸化シリコン膜を用いる場合は、絶縁体102は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、又は酸化ハフニウム膜を用いるとよい。 Next, an opening reaching the insulator 102 is formed in the insulator 105. Here, the opening includes, for example, a groove or a slit. Further, an area in which an opening is formed may be referred to as an opening. Although a wet etching method may be used to form the opening, it is preferable to use a dry etching method for fine processing. Further, it is preferable to select an insulator for the insulator 102 that functions as an etching stopper film when etching the insulator 105 to form an opening. For example, when a silicon oxide film is used for the insulator 105 forming the opening, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film may be used for the insulator 102.

開口の形成後に、導電体185となる導電体を成膜する。ここで、導電体185は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体185a(図示しない。)と、導電体185aよりも導電率の高い導電体185b(図示しない。)とからなる、積層構造とすることが好ましい。 After forming the opening, a conductor that will become the conductor 185 is formed. Here, the conductor 185 has a laminated structure consisting of a conductor 185a (not shown) having a function of suppressing oxygen permeation and a conductor 185b (not shown) having higher conductivity than the conductor 185a. It is preferable that

導電体185aとなる導電体は、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。又は、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185aとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 The conductor that becomes the conductor 185a preferably includes a conductive material that has a function of suppressing oxygen permeation. For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, it can be a laminated film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and molybdenum-tungsten alloy. The conductor that becomes the conductor 185a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体185aとなる導電体として、スパッタリング法によって窒化タンタル、又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185aとなる導電体として、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185bに銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体185aから外に拡散するのを防ぐことができる。 In this embodiment, tantalum nitride, or a film in which titanium nitride is stacked on tantalum nitride, is formed by a sputtering method as the conductor 185a. By using such a metal nitride as the conductor 185a, even if a metal that easily diffuses, such as copper, is used as the conductor 185b (described later), the metal can be prevented from diffusing out from the conductor 185a. It can be prevented.

次に、導電体185aとなる導電体上に、導電体185bとなる導電体を成膜する。導電体185bとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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185bとなる導電体として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。 Next, a conductor that will become the conductor 185b is formed on the conductor that will become the conductor 185a. The conductor that becomes the conductor 185b can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, a low-resistance conductive material such as copper is formed into a film as the conductor that becomes the conductor 185b.

次に、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、導電体185aとなる導電体、及び、導電体185bとなる導電体の一部を除去し、絶縁体105を露出する。その結果、開口部のみに、導電体185aとなる導電体、及び、導電体185bとなる導電体が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体185a及び導電体185bからなる導電体185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105の一部が除去される場合がある。 Next, by performing a chemical mechanical polishing (CMP) process, the conductor that will become the conductor 185a and a part of the conductor that will become the conductor 185b are removed, and the insulator 105 is exposed. As a result, the conductor that will become the conductor 185a and the conductor that will become the conductor 185b remain only in the opening. As a result, a conductor 185 including a conductor 185a and a conductor 185b having a flat upper surface can be formed (see FIG. 5). Note that part of the insulator 105 may be removed by the CMP process.

次に、絶縁体105及び導電体185上に絶縁体110を成膜する。絶縁体110の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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110として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体110としては、酸化シリコン以外に、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。 Next, an insulator 110 is formed over the insulator 105 and the conductor 185. The insulator 110 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, silicon oxide is formed as the insulator 110 by a CVD method. Note that as the insulator 110, for example, silicon oxynitride may be used instead of silicon oxide.

ここで、第1の加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理は、例えば、250℃以上650℃以下で行えばよい。第1の加熱処理は、窒素ガス若しくは不活性ガスの雰囲気、又は酸化性ガスを10ppm以上、1%以上若しくは10%以上含む雰囲気で行うことが好ましい。第1の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。又は、第1の加熱処理は、窒素ガス又は不活性ガスの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%以上又は10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理によって、絶縁体110及び絶縁体105に含まれる水素や水などの不純物を低減させることなどができる。又は、第1の加熱処理において、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。又は、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に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110及び絶縁体105内に導くことができる。又は、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。 Here, a first heat treatment may be performed. The first heat treatment may be performed, for example, at a temperature of 250° C. or higher and 650° C. or lower. The first heat treatment is preferably performed in an atmosphere of nitrogen gas or inert gas, or in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of oxidizing gas. The first heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, the first heat treatment is heat treatment in an atmosphere of nitrogen gas or inert gas, and then heat treatment in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to compensate for the desorbed oxygen. You may do so. The first heat treatment can reduce impurities such as hydrogen and water contained in the insulator 110 and the insulator 105. Alternatively, in the first heat treatment, plasma treatment containing oxygen may be performed under reduced pressure. For the plasma treatment containing oxygen, it is preferable to use, for example, an apparatus having a power source that generates high-density plasma using microwaves. Alternatively, a power source for applying RF (Radio Frequency) may be provided on the substrate side. By using high-density plasma, high-density oxygen radicals can be generated, and by applying RF to the substrate side, the oxygen radicals generated by the high-density plasma can be efficiently guided into the insulator 110 and the insulator 105. be able to. Alternatively, after plasma processing containing an inert gas is performed using this apparatus, plasma processing containing oxygen may be performed in order to compensate for the desorbed oxygen.

次に、絶縁体110に、導電体185に達する開口を形成する。開口の形成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 conductor 185 is formed in the insulator 110. Although a wet etching method may be used to form the opening, it is preferable to use a dry etching method for fine processing.

開口の形成後に、導電体190となる導電体を成膜する。ここで、導電体190は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体190a(図示しない。)と、これよりも導電率の高い導電体190b(図示しない。)とからなる、積層構造とすることが好ましい。 After forming the opening, a conductor that will become the conductor 190 is formed. Here, the conductor 190 has a laminated structure consisting of a conductor 190a (not shown) having a function of suppressing oxygen permeation and a conductor 190b (not shown) having higher conductivity than this conductor 190a (not shown). It is preferable.

導電体190aとなる導電体は、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。又は、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190aとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 The conductor that becomes the conductor 190a preferably includes a conductive material that has a function of suppressing oxygen permeation. For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, it can be a laminated film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and molybdenum-tungsten alloy. A film of the conductor to become the conductor 190a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体190aとなる導電体として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。 In this embodiment, a film of tantalum nitride is formed by a sputtering method as a conductor to become the conductor 190a.

次に、導電体190aとなる導電体上に、導電体190bとなる導電体を成膜する。当該導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductor that will become the conductor 190b is formed over the conductor that will become the conductor 190a. The conductor can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体190bとなる導電体として、ALD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 this embodiment, a titanium nitride film is formed as a conductor to become the conductor 190b by an ALD method, and a tungsten film is formed over the titanium nitride by a CVD method.

次に、CMP処理を行うことで、導電体190aとなる導電体、及び、導電体190bとなる導電体の一部を除去し、絶縁体110を露出する。その結果、開口部のみに、導電体190aとなる導電体、及び、導電体190bとなる導電体が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体190a及び導電体190bからなる導電体190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110の一部が除去される場合がある。 Next, by performing a CMP process, the conductor that will become the conductor 190a and a part of the conductor that will become the conductor 190b are removed to expose the insulator 110. As a result, the conductor that will become the conductor 190a and the conductor that will become the conductor 190b remain only in the opening. As a result, a conductor 190 including a conductor 190a and a conductor 190b having a flat upper surface can be formed (see FIG. 5). Note that a portion of the insulator 110 may be removed by the CMP process.

次に、絶縁体110及び導電体190上に導電体120aを成膜する。導電体120aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。導電体120aとして、例えば、窒化タンタル、タングステン、窒化チタンなどの導電体を用いることができる。又は、例えば、タングステンを成膜し、当該タングステン上に、窒化チタンや窒化タンタル等の酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を成膜する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体120aの上側から混入した酸素によってタングステンが酸化し、電気抵抗値が増加するのを抑制することができる。 Next, a conductor 120a is formed on the insulator 110 and the conductor 190. The conductor 120a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the conductor 120a, for example, a conductor such as tantalum nitride, tungsten, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, for example, a structure may be adopted in which a tungsten film is formed and a conductor having a function of suppressing oxygen permeation, such as titanium nitride or tantalum nitride, is formed on the tungsten. With this configuration, it is possible to prevent tungsten from being oxidized by oxygen mixed in from above the conductor 120a and increasing the electrical resistance value.

又は、導電体120aとして、導電性を有する酸化物、例えば、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、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、又は窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を成膜し、当該酸化物上に、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、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料、又は、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成膜する構成としてもよい。 Alternatively, the conductor 120a may be an oxide having conductivity, such as indium tin oxide (ITO), indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, or indium containing titanium oxide. oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, indium tin oxide containing silicon, or indium gallium zinc oxide containing nitrogen, and on the oxide, aluminum, chromium, Materials containing one or more metal elements selected from copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, etc., or phosphorus. It is also possible to form a film of a semiconductor having high electrical conductivity, typified by polycrystalline silicon containing impurity elements such as silicide, or silicide such as nickel silicide.

当該酸化物は、酸化物150中の水素を吸収、及び外方から拡散してくる水素を捕獲する機能を有する場合があり、トランジスタ10の電気特性及び信頼性が向上することがある。又は、当該酸化物の代わりにチタンを用いても、同様の機能を有する場合がある。 The oxide may have a function of absorbing hydrogen in the oxide 150 and capturing hydrogen diffused from the outside, and the electrical characteristics and reliability of the transistor 10 may be improved. Alternatively, even if titanium is used instead of the oxide, the same function may be obtained.

本実施の形態では、導電体120aとして、スパッタリング法によってタングステンを成膜する。 In this embodiment, a tungsten film is formed as the conductor 120a by a sputtering method.

次に、導電体120a上に絶縁体130aを成膜する。絶縁体130aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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130aとして、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体130aとしては、酸化シリコン以外に、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。 Next, an insulator 130a is formed on the conductor 120a. The insulator 130a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, a silicon oxide film is formed as the insulator 130a by a CVD method. Note that as the insulator 130a, for example, silicon oxynitride may be used instead of silicon oxide.

ここで、第2の加熱処理を行ってもよい。第2の加熱処理は、第1の加熱処理の条件を用いることができる。当該加熱処理により、絶縁体130aに含まれる水素や水などの不純物を低減させることができる。また、絶縁体130a中に酸素を供給することができる。 Here, a second heat treatment may be performed. The second heat treatment can use the conditions of the first heat treatment. Through the heat treatment, impurities such as hydrogen and water contained in the insulator 130a can be reduced. Additionally, oxygen can be supplied into the insulator 130a.

又は、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、絶縁体130a中に酸素を供給してもよい。 Alternatively, an ion implantation method in which ionized source gas is added after mass separation, an ion doping method in which ionized source gas is added without mass separation, or a plasma immersion ion implantation method is used to add the ionized source gas into the insulator 130a. Oxygen may be supplied to the

上述した加熱処理、又はイオン注入法などによって、絶縁体130aは過剰酸素を有することができる。当該過剰酸素は、後の熱処理などによって酸化物150中に供給され、トランジスタ10の電気特性及び信頼性が向上することがある。 The insulator 130a can have excess oxygen by the above-described heat treatment, ion implantation method, or the like. The excess oxygen is supplied into the oxide 150 through later heat treatment or the like, and the electrical characteristics and reliability of the transistor 10 may be improved.

次に、絶縁体130a上に導電体140aを成膜する(図6参照。)。導電体140aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。導電体140aとして、例えば、窒化タンタル、タングステン、窒化チタンなどの導電体を用いることができる。又は、例えば、窒化チタンや窒化タンタル等の酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を成膜し、当該導電体上にタングステンを成膜する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体140aの下側から混入した酸素によってタングステンが酸化し、電気抵抗値が増加するのを抑制することができる。 Next, a conductor 140a is formed on the insulator 130a (see FIG. 6). The conductor 140a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the conductor 140a, for example, a conductor such as tantalum nitride, tungsten, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, for example, a structure may be adopted in which a conductor such as titanium nitride or tantalum nitride that has a function of suppressing permeation of oxygen is deposited, and tungsten is deposited on the conductor. With this configuration, it is possible to prevent tungsten from being oxidized by oxygen mixed in from below the conductor 140a and increasing the electrical resistance value.

又は、導電体140aとして、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、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料、又は、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成膜し、この上に、導電性を有する酸化物、例えば、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、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、又は窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を成膜する構成としてもよい。 Alternatively, as the conductor 140a, a metal selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, etc. A material containing one or more elements or a semiconductor with high electrical conductivity, such as polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide is deposited on top of this. For example, indium tin oxide (ITO), indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin containing titanium oxide. A structure in which an oxide, indium zinc oxide, indium tin oxide added with silicon, or indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be formed.

当該酸化物は、酸化物150中の水素を吸収、及び外方から拡散してくる水素を捕獲する機能を有する場合があり、トランジスタ10の電気特性及び信頼性が向上することがある。又は、当該酸化物の代わりにチタンを用いても、同様の機能を有する場合がある。 The oxide may have a function of absorbing hydrogen in the oxide 150 and capturing hydrogen diffused from the outside, and the electrical characteristics and reliability of the transistor 10 may be improved. Alternatively, even if titanium is used instead of the oxide, the same function may be obtained.

本実施の形態では、導電体140aとして、スパッタリング法によってタングステンを成膜する。 In this embodiment, a tungsten film is formed as the conductor 140a by a sputtering method.

次に、リソグラフィー法などを用いて、導電体120a、絶縁体130a、及び導電体140aを加工し、導電体190と重なる領域を有するように、絶縁体110上に導電体120b、絶縁体130b、及び導電体140bを形成する(図7参照。)。当該形成には、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が、特に、ドライエッチング法は、微細形状の加工に適しており好ましい。当該加工により、絶縁体110の一部が除去される場合がある。 Next, using a lithography method or the like, the conductor 120a, the insulator 130a, and the conductor 140a are processed so that the conductor 120b, the insulator 130b, and a conductor 140b (see FIG. 7). Although a dry etching method or a wet etching method can be used for the formation, the dry etching method is particularly preferable because it is suitable for processing fine shapes. Due to this processing, a part of the insulator 110 may be removed.

なお、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又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、半導体又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、又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、などの方法で、除去することができる。 Note that in the lithography method, the resist is first exposed to light through a mask. Next, a resist mask is formed by removing or leaving the exposed area using a developer. Next, by performing an etching process through the resist mask, a conductor, semiconductor, insulator, or the like can be processed into a desired shape. For example, a resist mask may be formed by exposing a resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like. Alternatively, a liquid 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 light described above, an electron beam or an ion beam may be used. Note that when an electron beam or an ion beam is used, writing is performed directly on the resist, so the above-mentioned resist exposure mask is not required. Note that the resist mask can be removed by performing dry etching treatment such as ashing, wet etching treatment, wet etching treatment after dry etching treatment, or dry etching treatment after wet etching treatment. I can do it.

また、レジストマスクの代わりに、絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体140a上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体120a、絶縁体130a、及び導電体140aのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、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。導電体120a、絶縁体130a、及び導電体140aのエッチング後に、ハードマスクをエッチング法により除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。 Further, instead of a resist mask, a hard mask made of an insulator or a conductor may be used. When using a hard mask, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed on the conductor 140a, a resist mask is formed thereon, and the hard mask material is etched to form a hard mask in a desired shape. can do. Etching of the conductor 120a, insulator 130a, and conductor 140a may be performed after removing the resist mask, or may be performed with the resist mask remaining. In the latter case, the resist mask may disappear during etching. After etching the conductor 120a, the insulator 130a, and the conductor 140a, the hard mask may be removed by an etching method. On the other hand, if the material of the hard mask does not affect the subsequent process or can be used in the subsequent process, it is not necessarily necessary to remove the hard mask.

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。又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。又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。又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。又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 device, a capacitively coupled plasma (CCP) etching device having parallel plate electrodes can be used. A capacitively coupled plasma etching apparatus having parallel plate electrodes may have a configuration in which a high frequency power source is applied to one electrode of the parallel plate electrodes. Alternatively, a configuration may be adopted in which a plurality of different high frequency power sources are applied to one electrode of a parallel plate type electrode. Alternatively, a configuration may be adopted in which a high frequency power source having the same frequency is applied to each of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a configuration may be adopted in which high frequency power sources having different frequencies are 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 device having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching device can be used.

なお、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、導電体120b、絶縁体130b、及び導電体140bなどの表面又は内部に付着又は拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素又は塩素などがある。 Note that by performing a process such as the dry etching described above, impurities caused by etching gas or the like may adhere to or diffuse into the surfaces or insides of the conductor 120b, the insulator 130b, the conductor 140b, and the like. Examples of impurities include fluorine and chlorine.

上記の不純物などを除去するために、洗浄を行ってもよい。洗浄方法としては、洗浄液などを用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、又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。 Washing may be performed to remove the above impurities. Examples of the cleaning method include wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, and cleaning by heat treatment, and the above cleaning may be performed in an appropriate combination.

ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸又はフッ化水素酸などを炭酸水又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。又は、純水又は炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。 Wet cleaning may be performed using an aqueous solution of oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like diluted with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed.

次に、絶縁体110、導電体120b、絶縁体130b、及び導電体140b上に絶縁体175を成膜する。絶縁体175の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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175として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体175としては、酸化シリコン以外に、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。 Next, an insulator 175 is formed over the insulator 110, the conductor 120b, the insulator 130b, and the conductor 140b. The insulator 175 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, silicon oxide is formed as the insulator 175 by a CVD method. Note that as the insulator 175, for example, silicon oxynitride may be used instead of silicon oxide.

次に、絶縁体175の一部を除去することで、絶縁体175の上面を平坦化する(図8参照。)。当該平坦化は、CMP処理やドライエッチング処理などで行うことができる。本実施の形態では、CMP処理によって絶縁体175の上面を平坦化する。当該平坦化処理後の絶縁体175の上面は、導電体140bの上面よりも上に位置することが好ましい。なお、絶縁体175の成膜後の上面が平坦性を有している場合は、上記平坦化処理を行わなくてもよい場合がある。 Next, the upper surface of the insulator 175 is flattened by removing a portion of the insulator 175 (see FIG. 8). The planarization can be performed by CMP processing, dry etching processing, or the like. In this embodiment, the upper surface of the insulator 175 is planarized by CMP processing. The top surface of the insulator 175 after the planarization process is preferably located above the top surface of the conductor 140b. Note that if the upper surface of the insulator 175 after being formed has flatness, the above-described flattening process may not be necessary.

ここで、第3の加熱処理を行ってもよい。第3の加熱処理は、第1の加熱処理の条件を用いることができる。当該加熱処理により、絶縁体175に含まれる水素や水などの不純物を低減させることができる。また、絶縁体175中に酸素を供給することができる。 Here, a third heat treatment may be performed. The conditions of the first heat treatment can be used for the third heat treatment. Through the heat treatment, impurities such as hydrogen and water contained in the insulator 175 can be reduced. Additionally, oxygen can be supplied into the insulator 175.

次に、絶縁体175、導電体140b、絶縁体130b、及び導電体120bをリソグラフィー法により加工し、絶縁体110の上面に達する開口145、導電体120、絶縁体130、及び導電体140を形成する(図9参照。)。リソグラフィー法におけるレジスト露光は、マスクを介して、例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV光などを用いて行ってもよいし、液浸技術を用いて行ってもよい。また、マスクを介さずに、電子ビームやイオンビームでレジスト上に直接パターン描画を行う方法を用いてもよい。電子ビームやイオンビームを用いる露光は、上記の光を用いる露光よりも微細なパターンをレジスト上に描画できるため、微細加工に好適である。本実施の形態では、電子ビームを用いてレジスト露光を行う。 Next, the insulator 175, the conductor 140b, the insulator 130b, and the conductor 120b are processed by lithography to form the opening 145 reaching the upper surface of the insulator 110, the conductor 120, the insulator 130, and the conductor 140. (See Figure 9.) Resist exposure in the lithography method may be performed using, for example, KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV light, etc. through a mask, or may be performed using liquid immersion technology. Alternatively, a method may be used in which a pattern is drawn directly on the resist using an electron beam or an ion beam without using a mask. Exposure using an electron beam or ion beam can draw a finer pattern on the resist than exposure using the above-mentioned light, and is therefore suitable for microfabrication. In this embodiment, resist exposure is performed using an electron beam.

リソグラフィー法におけるエッチング処理としては、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。本実施の形態では、上述した電子ビームによるレジスト露光、及び現像後に、ドライエッチング法を用いて、絶縁体175、導電体140b、絶縁体130b、及び導電体120bのエッチングを行う。なお、当該エッチング処理によって形成される開口145は、その内壁(側面)が、基板面に対して略垂直に形成されることが好ましい。開口145の内壁(側面)が、基板面に対して垂直に近い角度で形成されるほど、トランジスタ10の微細化を図ることができる。なお、当該エッチング処理により、絶縁体110の一部が除去される場合がある。 As the etching process in the lithography method, a dry etching method or a wet etching method can be used. In this embodiment, after the above-described resist exposure with an electron beam and development, the insulator 175, conductor 140b, insulator 130b, and conductor 120b are etched using a dry etching method. Note that the inner wall (side surface) of the opening 145 formed by the etching process is preferably formed substantially perpendicular to the substrate surface. As the inner wall (side surface) of the opening 145 is formed at an angle closer to perpendicular to the substrate surface, the transistor 10 can be made smaller. Note that a part of the insulator 110 may be removed by the etching process.

次に、開口145の内壁及び絶縁体175上に、酸化物150となる酸化物を成膜する。酸化物150となる酸化物の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 Next, an oxide that will become the oxide 150 is formed on the inner wall of the opening 145 and on the insulator 175. The oxide film that becomes the oxide 150 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

例えば、酸化物150となる酸化物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、又は、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、成膜される酸化物中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記酸化物をスパッタリング法によって成膜する場合は、上述したIn-M-Zn酸化物のターゲットを用いることができる。 For example, when forming an oxide to become the oxide 150 by a sputtering method, oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as the sputtering gas. By increasing the proportion of oxygen contained in the sputtering gas, excess oxygen in the oxide to be formed can be increased. Furthermore, when forming the above oxide into a film by a sputtering method, the above-mentioned In--M--Zn oxide target can be used.

また、酸化物150となる酸化物をスパッタリング法によって成膜する場合、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、酸素欠乏型の金属酸化物が形成される。酸素欠乏型の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、比較的高い電界効果移動度が得られる。 In addition, when forming an oxide film to become oxide 150 by a sputtering method, if the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 1% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less, an oxygen-deficient type metal oxides are formed. A transistor using an oxygen-deficient metal oxide in a channel forming region can obtain relatively high field-effect mobility.

本実施の形態では、酸化物150となる酸化物として、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のIn-Ga-Zn酸化物ターゲットを用いて成膜する。なお、酸化物150となる酸化物は、成膜条件、及び原子数比を適宜選択することで、トランジスタ10の酸化物150に求める特性に合わせて成膜するとよい。 In this embodiment, the oxide 150 is formed by a sputtering method using an In-Ga-Zn oxide target with an atomic ratio of In:Ga:Zn=4:2:4.1. To form a film. Note that the oxide to be the oxide 150 may be formed in accordance with the characteristics required for the oxide 150 of the transistor 10 by appropriately selecting the film formation conditions and the atomic ratio.

なお、上述したように、酸化物150は、2層以上の積層構造であってもよい。例えば、酸化物150が、下から酸化物150a(図示しない。)と、酸化物150b(図示しない。)からなる2層構造である場合、酸化物150aとなる酸化物は、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のIn-Ga-Zn酸化物ターゲットを用いて、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%以下として成膜すればよい。そして、酸化物150bとなる酸化物は、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のIn-Ga-Zn酸化物ターゲットを用いて、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%として成膜すればよい。酸化物150が当該構成である場合、主として、酸化物150aが、トランジスタ10のチャネル形成領域として機能する。酸化物150を当該構成とすることで、酸化物150bとなる酸化物に含まれる酸素を、第4の加熱処理などで、酸化物150aとなる酸化物に供給することができる。なお、第4の加熱処理は、酸化物150bとなる酸化物の成膜後に行うことが好ましい。加熱処理の条件としては、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時間の処理を行うことが好ましい。 Note that, as described above, the oxide 150 may have a stacked structure of two or more layers. For example, when the oxide 150 has a two-layer structure consisting of an oxide 150a (not shown) and an oxide 150b (not shown) from the bottom, the oxide that becomes the oxide 150a is formed by sputtering. :Ga:Zn=4:2:4.1 [atomic ratio] Using an In-Ga-Zn oxide target, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 1% or more and 30% or less, preferably 5%. The film may be formed with a ratio of 20% or less. Then, the oxide that becomes the oxide 150b is produced by a sputtering method using an In-Ga-Zn oxide target with In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio]. The film may be formed with a ratio of 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 100%. When the oxide 150 has this structure, the oxide 150a mainly functions as a channel formation region of the transistor 10. By giving the oxide 150 this configuration, oxygen contained in the oxide that will become the oxide 150b can be supplied to the oxide that will become the oxide 150a through the fourth heat treatment or the like. Note that the fourth heat treatment is preferably performed after forming an oxide film to become the oxide 150b. As the conditions for the heat treatment, it is preferable to perform the treatment at a temperature of 400° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then continuously perform the treatment at a temperature of 400° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

または、例えば、酸化物150が、下から酸化物150a(図示しない。)、酸化物150b(図示しない。)からなる2層構造である場合、酸化物150aとなる酸化物は、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のIn-Ga-Zn酸化物ターゲットを用いて、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%として成膜すればよい。そして、酸化物150bとなる酸化物は、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のIn-Ga-Zn酸化物ターゲットを用いて、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%以下として成膜すればよい。酸化物150が当該構成である場合、主として、酸化物150bが、トランジスタ10のチャネル形成領域として機能する。酸化物150を当該構成とすることで、酸化物150aとなる酸化物に含まれる酸素を、第4の加熱処理などで、酸化物150bとなる酸化物に供給することができる。 Alternatively, for example, when the oxide 150 has a two-layer structure consisting of an oxide 150a (not shown) and an oxide 150b (not shown) from the bottom, the oxide that becomes the oxide 150a is formed by sputtering. Using an In-Ga-Zn oxide target with In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio], the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 70% or more, preferably 80% or more, more preferably The film may be formed with 100%. Then, the oxide that becomes the oxide 150b is produced by a sputtering method using an In-Ga-Zn oxide target with an atomic ratio of In:Ga:Zn=4:2:4.1. The film may be formed with the proportion of oxygen contained in the film being 1% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less. When the oxide 150 has this structure, the oxide 150b mainly functions as a channel formation region of the transistor 10. When the oxide 150 has this configuration, oxygen contained in the oxide that becomes the oxide 150a can be supplied to the oxide that becomes the oxide 150b through the fourth heat treatment or the like.

また、酸化物150が、下から酸化物150a、酸化物150b、及び酸化物150c(図示しない。)からなる3層構造である場合、酸化物150aとなる酸化物及び酸化物150bとなる酸化物は、上述の条件で成膜し、酸化物150cとなる酸化物は、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のIn-Ga-Zn酸化物ターゲットを用いて、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%として成膜すればよい。上述したように、酸化物150bとなる酸化物の成膜後に、第4の加熱処理を行うことが好ましい。酸化物150が当該構成である場合、主として、酸化物150bが、トランジスタ10のチャネル形成領域として機能する。酸化物150を当該構成とすることで、酸化物150aとなる酸化物に含まれる酸素に加え、酸化物150cとなる酸化物に含まれる酸素も、後の加熱処理などで、酸化物150bとなる酸化物に供給することができる。 Further, when the oxide 150 has a three-layer structure consisting of an oxide 150a, an oxide 150b, and an oxide 150c (not shown) from the bottom, the oxide becomes the oxide 150a and the oxide becomes the oxide 150b. was formed under the above conditions, and the oxide 150c was formed using a sputtering method using an In-Ga-Zn oxide target with an atomic ratio of In:Ga:Zn=4:2:4.1. The film may be formed using a sputtering gas in which the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%. As described above, it is preferable to perform the fourth heat treatment after forming the oxide film to become the oxide 150b. When the oxide 150 has this structure, the oxide 150b mainly functions as a channel formation region of the transistor 10. By making the oxide 150 have this configuration, in addition to the oxygen contained in the oxide that becomes the oxide 150a, the oxygen contained in the oxide that becomes the oxide 150c also becomes the oxide 150b through subsequent heat treatment. Oxide can be supplied.

次に、酸化物150となる酸化物上に、絶縁体160となる絶縁体を成膜する。絶縁体160となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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160となる絶縁体として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体160となる絶縁体としては、酸化シリコン以外に、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。 Next, an insulator that will become the insulator 160 is formed on the oxide that will become the oxide 150. The insulator that becomes the insulator 160 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, a silicon oxide film is formed as an insulator that becomes the insulator 160 by a CVD method. Note that as the insulator serving as the insulator 160, for example, silicon oxynitride may be used instead of silicon oxide.

ここで、第5の加熱処理を行うことが好ましい。第5の加熱処理は、第4の加熱処理の条件を用いることができる。当該加熱処理により、絶縁体160となる絶縁体(及び、酸化物が3層構造である場合は、酸化物150cとなる酸化物)に含まれる酸素を、酸化物150となる酸化物(酸化物が3層構造である場合は、酸化物150bとなる酸化物)に供給することができる。 Here, it is preferable to perform the fifth heat treatment. The conditions of the fourth heat treatment can be used for the fifth heat treatment. Through the heat treatment, the oxygen contained in the insulator that will become the insulator 160 (and the oxide that will become the oxide 150c if the oxide has a three-layer structure) is removed from the oxide that will become the oxide 150 (and the oxide that will become the oxide 150c). If it has a three-layer structure, it can be supplied to the oxide (which becomes the oxide 150b).

次に、絶縁体160となる絶縁体上に、導電体170となる導電体を成膜する。導電体170となる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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170となる導電体として、ALD法によって窒化チタンを成膜した後、さらに、CVD法によってタングステンを成膜する。なお、導電体170となる導電体では、窒化チタンの膜厚よりも、タングステンの膜厚のほうが厚いことが好ましい。また、窒化チタンは、絶縁体160となる絶縁体を介して、開口145の内壁に沿って成膜し、開口145内の残りの空間をタングステンで埋め込むように成膜することが好ましい。このように導電体170となる導電体を成膜することで、後に、窒化チタンとタングステンの積層構造を有する導電体170を形成することができる。 Next, a conductor that will become the conductor 170 is formed on the insulator that will become the insulator 160. The conductor that will become the conductor 170 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, after a titanium nitride film is formed as a conductor to become the conductor 170 by an ALD method, a tungsten film is further formed by a CVD method. Note that in the conductor 170, the thickness of tungsten is preferably thicker than the thickness of titanium nitride. Further, titanium nitride is preferably formed into a film along the inner wall of the opening 145 via the insulator 160, and the remaining space in the opening 145 is filled with tungsten. By forming the conductor to become the conductor 170 in this manner, the conductor 170 having a stacked structure of titanium nitride and tungsten can be formed later.

次に、絶縁体175の上面が露出するまで導電体170となる導電体、絶縁体160となる絶縁体、及び酸化物150となる酸化物の上面を研磨し、導電体170、絶縁体160、及び酸化物150を形成する(図10参照。)。当該研磨は、CMP処理などによって行うことができる。また、絶縁体175の上面が露出するまで導電体170となる導電体、絶縁体160となる絶縁体、及び酸化物150となる酸化物の上面をドライエッチングすることによって、導電体170、絶縁体160、及び酸化物150を形成してもよい。本実施の形態では、CMP処理によって導電体170、絶縁体160、及び酸化物150の形成を行う。当該CMP処理によって、絶縁体175の上面の高さと、酸化物150、絶縁体160、及び導電体170の最上面の高さを同程度に形成することができる(図10参照。)。なお、当該CMP処理によって、絶縁体175の一部が除去される場合がある。 Next, the top surfaces of the conductor that will become the conductor 170, the insulator that will become the insulator 160, and the oxide that will become the oxide 150 are polished until the top surface of the insulator 175 is exposed. and oxide 150 is formed (see FIG. 10). The polishing can be performed by CMP processing or the like. Further, by dry etching the upper surfaces of the conductor that will become the conductor 170, the insulator that will become the insulator 160, and the oxide that will become the oxide 150 until the upper surface of the insulator 175 is exposed, the conductor 170, the insulator 160, and an oxide 150 may be formed. In this embodiment, the conductor 170, the insulator 160, and the oxide 150 are formed by CMP treatment. By the CMP process, the height of the top surface of the insulator 175 and the height of the top surfaces of the oxide 150, the insulator 160, and the conductor 170 can be formed to be approximately the same (see FIG. 10). Note that a portion of the insulator 175 may be removed by the CMP process.

次に、絶縁体175の上面、酸化物150、絶縁体160、及び導電体170の最上面に絶縁体176を、絶縁体176上に絶縁体178を、絶縁体178上に絶縁体180を、それぞれ成膜する。絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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176として、CVD法によって酸化シリコンを成膜し、絶縁体178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し、絶縁体180として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。なお、絶縁体176又は絶縁体180は、酸化シリコン以外では、例えば、酸化窒化シリコンを用いてもよい。また、絶縁体178については、酸化アルミニウム以外では、例えば、窒化シリコン、酸化ハフニウムを用いてもよい。 Next, an insulator 176 is placed on the top surface of the insulator 175, the oxide 150, the insulator 160, and the top surface of the conductor 170, an insulator 178 is placed on the insulator 176, and an insulator 180 is placed on the insulator 178. Each film is formed. The insulator 176, the insulator 178, and the insulator 180 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, silicon oxide is deposited as the insulator 176 by a CVD method, aluminum oxide is deposited as the insulator 178 by a sputtering method, and silicon oxide is deposited as the insulator 180 by a CVD method. . Note that for the insulator 176 or the insulator 180, other than silicon oxide, for example, silicon oxynitride may be used. Further, for the insulator 178, other than aluminum oxide, for example, silicon nitride or hafnium oxide may be used.

次に、絶縁体180、絶縁体178、絶縁体176、及び絶縁体175に、導電体140に達する開口を形成する。開口の形成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, openings reaching the conductor 140 are formed in the insulator 180, the insulator 178, the insulator 176, and the insulator 175. Although a wet etching method may be used to form the opening, it is preferable to use a dry etching method for fine processing.

開口の形成後に、導電体195となる導電体を成膜する。ここで、導電体195は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体195a(図示しない。)と、導電体195aよりも導電率の高い導電体195b(図示しない。)とからなる、積層構造とすることが好ましい。 After forming the opening, a conductor that will become the conductor 195 is formed. Here, the conductor 195 has a laminated structure consisting of a conductor 195a (not shown) having a function of suppressing oxygen permeation and a conductor 195b (not shown) having higher conductivity than the conductor 195a. It is preferable that

導電体195aとなる導電体は、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。又は、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195aとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 The conductor serving as the conductor 195a preferably includes a conductive material that has a function of suppressing oxygen permeation. For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, it can be a laminated film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and molybdenum-tungsten alloy. A film of the conductor to become the conductor 195a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体195aとなる導電体として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。 In this embodiment, a film of tantalum nitride is formed by a sputtering method as a conductor to become the conductor 195a.

次に、導電体195aとなる導電体上に、導電体195bとなる導電体を成膜する。当該導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 Next, a conductor that will become the conductor 195b is formed over the conductor that will become the conductor 195a. The conductor can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体195bとなる導電体として、ALD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 this embodiment, a titanium nitride film is formed as a conductor to become the conductor 195b by an ALD method, and a tungsten film is formed over the titanium nitride by a CVD method.

次に、CMP処理を行うことで、導電体195aとなる導電体、及び、導電体195bとなる導電体の一部を除去し、絶縁体180を露出する。その結果、開口部のみに、導電体195aとなる導電体、及び、導電体195bとなる導電体が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体195a及び導電体195bからなる導電体195を形成することができる。なお、当該CMP処理により、絶縁体180の一部が除去される場合がある。 Next, by performing a CMP process, the conductor that will become the conductor 195a and a part of the conductor that will become the conductor 195b are removed, and the insulator 180 is exposed. As a result, the conductor that will become the conductor 195a and the conductor that will become the conductor 195b remain only in the opening. As a result, a conductor 195 including a conductor 195a and a conductor 195b having a flat upper surface can be formed. Note that part of the insulator 180 may be removed by the CMP process.

次に、絶縁体180及び導電体195上に、導電体200となる導電体を成膜する。ここで、導電体200は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体200a(図示しない。)と、導電体200aよりも導電率の高い導電体200b(図示しない。)とからなる、積層構造とすることが好ましい。 Next, a conductor that will become the conductor 200 is formed over the insulator 180 and the conductor 195. Here, the conductor 200 has a laminated structure consisting of a conductor 200a (not shown) having a function of suppressing oxygen permeation and a conductor 200b (not shown) having higher conductivity than the conductor 200a. It is preferable that

導電体200aとなる導電体は、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。又は、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200aとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又はALD法などを用いて行うことができる。 The conductor that becomes the conductor 200a preferably includes a conductive material that has a function of suppressing permeation of oxygen. For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, etc. can be used. Alternatively, it can be a laminated film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and molybdenum-tungsten alloy. The conductor that becomes the conductor 200a can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体200aとなる導電体として、スパッタリング法によって窒化タンタル、又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200aとなる導電体として、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200bに銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体200a及び導電体195を介して、トランジスタ10中に拡散するのを防ぐことができる。 In this embodiment, tantalum nitride or a film in which titanium nitride is laminated on tantalum nitride is formed by a sputtering method as the conductor to become the conductor 200a. By using such a metal nitride as the conductor that becomes the conductor 200a, even if a metal that easily diffuses, such as copper, is used for the conductor 200b (described later), the metal will not pass through the conductor 200a and the conductor 195. , diffusion into the transistor 10 can be prevented.

次に、導電体200aとなる導電体上に、導電体200bとなる導電体を成膜する。導電体200bとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、又は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200bとなる導電体として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。 Next, a conductor that will become the conductor 200b is formed on the conductor that will become the conductor 200a. The conductor that becomes the conductor 200b can be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, a low-resistance conductive material such as copper is formed into a film as the conductor that becomes the conductor 200b.

次に、リソグラフィー法などを用いて、導電体195と重なる領域を有するように、導電体200bとなる導電体、及び導電体200aとなる導電体を加工し、絶縁体180上に導電体200a及び導電体200bからなる導電体200を形成することができる。なお、当該加工により、絶縁体180の一部が除去される場合がある。 Next, using a lithography method or the like, the conductor 200b and the conductor 200a are processed to have regions overlapping with the conductor 195, and the conductor 200a and the conductor 200a are placed on the insulator 180. A conductor 200 made of a conductor 200b can be formed. Note that a part of the insulator 180 may be removed by the processing.

以上により、本発明の一態様に係るトランジスタ10を有する半導体装置を作製することができる(図1参照。)。 Through the above steps, a semiconductor device including the transistor 10 according to one embodiment of the present invention can be manufactured (see FIG. 1).

以上のように、本発明の一態様により、微細化又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。又は、本発明の一態様により、リソグラフィー法では作製することが困難な数nm、あるいはそれ以下のチャネル長の複数のトランジスタを、基板面内において、精度良くかつ容易に作製することができる。又は、本発明の一態様により、チャネル長が微細でありながら、短チャネル効果の顕在化しにくい、良好な電気特性のトランジスタを有する半導体装置を作製することができる。また、本発明の一態様では、チャネル長だけでなく、配線やプラグも含めた素子サイズの微細なトランジスタを有する半導体装置を作製することができる。又は、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。又は、本発明の一態様により、オフ電流の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。又は、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有する半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、基板面内において、素子間の電気特性ばらつきが小さい半導体装置を提供することができる。又は、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。又は、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。又は、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 embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a plurality of transistors having a channel length of several nm or less, which is difficult to manufacture using a lithography method, can be manufactured accurately and easily within the plane of a substrate. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device can be manufactured that has a transistor with good electrical characteristics in which a short channel effect is difficult to manifest even though the channel length is small. Further, in one embodiment of the present invention, a semiconductor device including a transistor with a fine element size including not only the channel length but also wiring and plugs can be manufactured. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having good electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device including a transistor with a large on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device with small variations in electrical characteristics between elements within the plane of a substrate. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly productive semiconductor device can be provided.

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 structure, method, etc. shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the structure, method, etc. shown in other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の一形態を、図11を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

[記憶装置]
図11に示す記憶装置は、トランジスタ3000、トランジスタ2000、及び容量素子1000を有している。
[Storage device]
The memory device shown in FIG. 11 includes a transistor 3000, a transistor 2000, and a capacitor 1000.

トランジスタ2000は、金属酸化物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2000は、オフ電流が小さいため、トランジスタ2000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 transistor 2000 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer containing a metal oxide. Since the transistor 2000 has a small off-state current, when the transistor 2000 is used in a memory device, stored contents can be retained for a long period of time. In other words, since a refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the storage device can be sufficiently reduced.

図11において、第1の配線3001は、トランジスタ3000のソースと電気的に接続され、第2の配線3002は、トランジスタ3000のドレインと電気的に接続されている。また、第3の配線3003は、トランジスタ2000のソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第4の配線3004は、トランジスタ2000のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ3000のゲート、及びトランジスタ2000のソース又はドレインの他方は、容量素子1000の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3005は、容量素子1000の電極の他方と電気的に接続されている。 In FIG. 11, a first wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 3000, and a second wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 3000. Further, the third wiring 3003 is electrically connected to either the source or the drain of the transistor 2000, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to the gate of the transistor 2000. The gate of the transistor 3000 and the other of the source or drain of the transistor 2000 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 1000, and the fifth wiring 3005 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 1000. It is connected.

図11に示す記憶装置は、トランジスタ3000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 memory device shown in FIG. 11 has a characteristic that the potential of the gate of the transistor 3000 can be held, so that information can be written, held, and read as described below.

情報の書き込み及び保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ2000が導通状態となる電位にして、トランジスタ2000を導通状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3000のゲート、及び容量素子1000の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。すなわち、トランジスタ3000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、第4の配線3004の電位を、トランジスタ2000が非導通状態となる電位にして、トランジスタ2000を非導通状態とすることにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。 Writing and retaining information will be explained. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 2000 becomes conductive, thereby making the transistor 2000 conductive. As a result, the potential of the third wiring 3003 is applied to the node FG electrically connected to the gate of the transistor 3000 and one of the electrodes of the capacitor 1000. That is, a predetermined charge is applied to the gate of the transistor 3000 (writing). Here, it is assumed that one of charges giving two different potential levels (hereinafter referred to as a low level charge and a high level charge) is provided. Thereafter, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 2000 is rendered non-conductive, thereby rendering the transistor 2000 non-conductive, thereby retaining charge at the node FG (retention).

トランジスタ2000のオフ電流が小さい場合、ノードFGの電荷は長期間にわたって保持される。 When the off-state current of transistor 2000 is small, the charge on node FG is retained for a long period of time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線3002は、ノードFG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3000をnチャネル型とすると、トランジスタ3000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3000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3000を導通状態とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、ノードFG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FGにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ3000は導通状態となる。一方、ノードFGにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ3000は非導通状態のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFG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 explained. When an appropriate potential (read potential) is applied to the fifth interconnect 3005 while a predetermined potential (constant potential) is applied to the first interconnect 3001, the second interconnect 3002 receives the charge held at the node FG. Takes a potential depending on the amount. This means that if the transistor 3000 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th_H when a high level charge is applied to the gate of the transistor 3000 is different from the apparent threshold voltage V th_H when a low level charge is applied to the gate of the transistor 3000. This is because it becomes lower than the apparent threshold voltage V th_L of V th_L. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 that is necessary to make the transistor 3000 conductive. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to the potential V 0 between V th_H and V th_L , the charge applied to the node FG can be determined. For example, in writing, when a high level charge is applied to the node FG, the transistor 3000 becomes conductive when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (>V th_H ). On the other hand, when a low-level charge is applied to the node FG, the transistor 3000 remains non-conductive even if the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, the information held in the node FG can be read.

<記憶装置の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図11に示すようにトランジスタ3000、トランジスタ2000、及び容量素子1000を有する。トランジスタ2000はトランジスタ3000の上方に設けられ、容量素子1000はトランジスタ3000、及びトランジスタ2000の上方に設けられている。
<Structure of storage device>
A memory device of one embodiment of the present invention includes a transistor 3000, a transistor 2000, and a capacitor 1000, as shown in FIG. The transistor 2000 is provided above the transistor 3000, and the capacitor 1000 is provided above the transistor 3000 and the transistor 2000.

トランジスタ3000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、及び、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域314a及び低抵抗領域314bを有する。 The transistor 3000 is provided on a substrate 311 and includes a semiconductor region 313 made up of a conductor 316, an insulator 315, and a part of the substrate 311, and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region. have

トランジスタ3000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。 Transistor 3000 may be either a p-channel type or an n-channel type.

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、又はドレイン領域となる低抵抗領域314a、及び低抵抗領域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。又は、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。又はGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ3000をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 It is preferable that a semiconductor such as a silicon-based semiconductor be included in the region of the semiconductor region 313 where the channel is formed, the region in the vicinity thereof, the low resistance region 314a which becomes the source region or the drain region, the low resistance region 314b, etc. Preferably, it contains crystalline silicon. Alternatively, it may be formed of a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like. A structure using silicon may be used in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing. Alternatively, the transistor 3000 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

低抵抗領域314a、及び低抵抗領域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、又はホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 In addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313, the low resistance region 314a and the low resistance region 314b are made of an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron. Contains elements that

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、又はホウ素などの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、又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 conductor 316 that functions as a gate electrode is made of a semiconductor material such as silicon, a metal material, or an alloy containing an element that imparts n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element that imparts p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a metal oxide material or a metal oxide material can be used.

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。 Note that since the work function is determined by the material of the conductor, 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 embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a layered layer for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.

なお、図11に示すトランジスタ3000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。 Note that the transistor 3000 illustrated in FIG. 11 is an example, and the structure is not limited, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and driving method.

トランジスタ3000を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326が、順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked and provided to cover the transistor 3000.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体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 insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, etc. are used. Bye.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ3000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CMP処理等により平坦化されていてもよい。 The insulator 322 may function as a planarization film that planarizes a step caused by the transistor 3000 or the like provided below. For example, the upper surface of the insulator 322 may be planarized by CMP processing or the like to improve flatness.

また、絶縁体324には、基板311、又はトランジスタ3000などから、トランジスタ2000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, as the insulator 324, it is preferable to use a film having barrier properties that prevents hydrogen or impurities from diffusing from the substrate 311 or the transistor 3000 into a region where the transistor 2000 is provided.

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2000等の金属酸化物を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の電気特性が劣化する場合がある。したがって、トランジスタ2000と、トランジスタ3000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 barrier properties against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used, for example. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including a metal oxide such as the transistor 2000, the electrical characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses hydrogen diffusion between the transistor 2000 and the transistor 3000. Specifically, the membrane that suppresses hydrogen diffusion is a membrane that releases a small amount of hydrogen.

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/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。 The amount of hydrogen desorbed can be analyzed using, for example, temperature programmed desorption gas analysis (TDS). For example, in TDS analysis, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is determined by the amount converted into hydrogen atoms per area of the insulator 324 when the surface temperature of the film is in the range of 50°C to 500°C. The amount may be 10×10 15 atoms/cm 2 or less, preferably 5×10 15 atoms/cm 2 or less.

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。 Note that the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3. Further, for example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less, the dielectric constant of the insulator 324. By using a material with a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326には、容量素子1000、又はトランジスタ2000と電気的に接続する導電体328、及び導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、及び導電体330はプラグ、又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、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、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 Furthermore, a conductor 328, a conductor 330, and the like that are electrically connected to the capacitor 1000 or the transistor 2000 are embedded in the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326. Note that the conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or wiring. Further, for a conductor having a function as a plug or a wiring, a plurality of structures may be collectively given the same reference numeral. Further, in this specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.

各プラグ、及び配線(導電体328、及び導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又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。又は、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。 The material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.) is a single layer or a stack of conductive materials such as metal materials, alloy materials, metal nitride materials, or metal oxide materials. Can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low resistance conductive material.

絶縁体326、及び導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図11において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が、順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 11, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are stacked in this order. Further, a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 has a function as a plug or wiring. Note that the conductor 356 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

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356を形成することが好ましい。当該構成により、トランジスタ3000とトランジスタ2000とを、バリア層により分離することができ、トランジスタ3000からトランジスタ2000への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, as with the insulator 324, it is preferable to use an insulator that has hydrogen barrier properties as the insulator 350. Further, the conductor 356 preferably includes a conductor having barrier properties against hydrogen. In particular, it is preferable to form the conductor 356 having hydrogen barrier properties in the opening of the insulator 350 having hydrogen barrier properties. With this structure, the transistor 3000 and the transistor 2000 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 3000 to the transistor 2000 can be suppressed.

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3000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。 Note that as the conductor having barrier properties against hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by stacking tantalum nitride and highly conductive tungsten, diffusion of hydrogen from the transistor 3000 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having hydrogen barrier properties be in contact with the insulator 350 having hydrogen barrier properties.

絶縁体354、及び導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図11において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が、順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 354 and the conductor 356. For example, in FIG. 11, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are stacked in this order. Further, a conductor 366 is formed on the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 has a function as a plug or wiring. Note that the conductor 366 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360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366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360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366を形成することが好ましい。当該構成により、トランジスタ3000とトランジスタ2000とを、バリア層により分離することができ、トランジスタ3000からトランジスタ2000への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, as with the insulator 324, it is preferable to use an insulator that has hydrogen barrier properties as the insulator 360. Further, the conductor 366 preferably includes a conductor having barrier properties against hydrogen. In particular, it is preferable to form the conductor 366 having barrier properties against hydrogen in the opening of the insulator 360 having barrier properties against hydrogen. With this structure, the transistor 3000 and the transistor 2000 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 3000 to the transistor 2000 can be suppressed.

絶縁体364、及び導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図11において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が、順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 11, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are stacked in this order. Further, a conductor 376 is formed on the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 has a function as a plug or wiring. Note that the conductor 376 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370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376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370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376を形成することが好ましい。当該構成により、トランジスタ3000とトランジスタ2000とを、バリア層により分離することができ、トランジスタ3000からトランジスタ2000への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, as with the insulator 324, it is preferable to use an insulator that has hydrogen barrier properties as the insulator 370. Further, the conductor 376 preferably includes a conductor having barrier properties against hydrogen. In particular, it is preferable to form the conductor 376 having barrier properties against hydrogen in the opening of the insulator 370 having barrier properties against hydrogen. With this structure, the transistor 3000 and the transistor 2000 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 3000 to the transistor 2000 can be suppressed.

絶縁体374、及び導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図11において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が、順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 11, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are stacked in this order. Further, a conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 has a function as a plug or wiring. Note that the conductor 386 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380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386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380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386を形成することが好ましい。当該構成により、トランジスタ3000とトランジスタ2000とを、バリア層により分離することができ、トランジスタ3000からトランジスタ2000への水素の拡散を抑制することができる。 Note that, for example, as with the insulator 324, it is preferable to use an insulator that has hydrogen barrier properties as the insulator 380. Further, the conductor 386 preferably includes a conductor having barrier properties against hydrogen. In particular, it is preferable to form the conductor 386 having barrier properties against hydrogen in the opening of the insulator 380 having barrier properties against hydrogen. With this structure, the transistor 3000 and the transistor 2000 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 3000 to the transistor 2000 can be suppressed.

絶縁体384、及び導電体386上には、絶縁体210、絶縁体100、絶縁体102、及び絶縁体105が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体100、絶縁体102、及び絶縁体105のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある膜を用いることが好ましい。 On the insulator 384 and the conductor 386, the insulator 210, the insulator 100, the insulator 102, and the insulator 105 are provided in a laminated manner in this order. Any one of the insulator 210, the insulator 100, the insulator 102, and the insulator 105 is preferably a film that has barrier properties against oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体210、及び絶縁体102には、基板311、又はトランジスタ3000を設ける領域などから、トランジスタ2000を設ける領域に、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。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, for the insulator 210 and the insulator 102, it is preferable to use a film having barrier properties that prevents hydrogen and impurities from diffusing from the substrate 311 or the region where the transistor 3000 is provided to the region where the transistor 2000 is provided. . Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、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2000等の金属酸化物を有する半導体素子に水素が拡散することで、当該半導体素子の電気特性が劣化する場合がある。したがって、トランジスタ2000と、トランジスタ3000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 barrier properties against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including a metal oxide such as the transistor 2000, the electrical characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses hydrogen diffusion between the transistor 2000 and the transistor 3000. Specifically, the membrane that suppresses hydrogen diffusion is a membrane that releases a small amount of hydrogen.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、及び絶縁体102には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as a film having barrier properties against hydrogen, for example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, or the like for the insulator 210 and the insulator 102.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水などの不純物のトランジスタ2000への混入を防止することができる。また、トランジスタ2000を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ2000に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect of preventing the membrane from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and water from entering the transistor 2000 during and after the transistor manufacturing process. Further, release of oxygen from the oxide forming the transistor 2000 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 2000.

また、例えば、絶縁体100、及び絶縁体105には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁体に、比較的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。例えば、絶縁体100、及び絶縁体105として、酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いることができる。 Further, for example, the same material as the insulator 320 can be used for the insulator 100 and the insulator 105. Further, by using a material with a relatively low dielectric constant for the insulator, parasitic capacitance occurring between wirings can be reduced. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, or the like can be used as the insulator 100 and the insulator 105.

また、絶縁体210、絶縁体100、絶縁体102、及び絶縁体105には、導電体218、及びトランジスタ2000と電気的に接続する導電体(導電体185)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子1000、又はトランジスタ3000と電気的に接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 Further, a conductor 218, a conductor (conductor 185) electrically connected to the transistor 2000, and the like are embedded in the insulator 210, the insulator 100, the insulator 102, and the insulator 105. Note that the conductor 218 functions as a plug or wiring that is electrically connected to the capacitor 1000 or the transistor 3000. The conductor 218 can be provided using the same material as the conductors 328 and 330.

特に、絶縁体210、及び絶縁体102と接する領域の導電体218は、酸素、水素、及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3000とトランジスタ2000とを、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で確実に分離することができ、トランジスタ3000からトランジスタ2000への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the insulator 210 and the conductor 218 in a region in contact with the insulator 102 are preferably conductors having barrier properties against oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the transistor 3000 and the transistor 2000 can be reliably separated by a layer having barrier properties against oxygen, hydrogen, and water, and diffusion of hydrogen from the transistor 3000 to the transistor 2000 can be suppressed.

絶縁体105の上方には、絶縁体110を介して、トランジスタ2000が設けられている。なお、トランジスタ2000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11に示すトランジスタ2000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 transistor 2000 is provided above the insulator 105 with an insulator 110 interposed therebetween. Note that for the structure of the transistor 2000, the transistor included in the semiconductor device described in the previous embodiment may be used. Further, the transistor 2000 illustrated in FIG. 11 is an example, and the structure is not limited to this, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and driving method.

トランジスタ2000の上方には、絶縁体175、絶縁体176、及び絶縁体178を設ける。 An insulator 175, an insulator 176, and an insulator 178 are provided above the transistor 2000.

絶縁体178は、酸素や水素に対してバリア性のある膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体178には、絶縁体102と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体178には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 As the insulator 178, it is preferable to use a film having barrier properties against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 102 can be used for the insulator 178. For example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, or the like for the insulator 178.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水などの不純物のトランジスタ2000への混入を防止することができる。また、トランジスタ2000を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ2000に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect of preventing the membrane from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and water from entering the transistor 2000 during and after the transistor manufacturing process. Further, release of oxygen from the oxide forming the transistor 2000 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 2000.

また、絶縁体178上には、絶縁体180が設けられている。絶縁体180は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁体に、比較的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。例えば、絶縁体180として、酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いることができる。 Further, an insulator 180 is provided on the insulator 178. The same material as the insulator 320 can be used for the insulator 180. Further, by using a material with a relatively low dielectric constant for the insulator, parasitic capacitance occurring between wirings can be reduced. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, or the like can be used as the insulator 180.

また、絶縁体110、絶縁体175、絶縁体176、絶縁体178、及び絶縁体180には、導電体246、及び導電体248等が埋め込まれている。 Further, a conductor 246, a conductor 248, etc. are embedded in the insulator 110, the insulator 175, the insulator 176, the insulator 178, and the insulator 180.

導電体246、及び導電体248は、容量素子1000、トランジスタ2000、又はトランジスタ3000と電気的に接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体246、及び導電体248は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 246 and the conductor 248 function as a plug or wiring that is electrically connected to the capacitor 1000, the transistor 2000, or the transistor 3000. The conductor 246 and the conductor 248 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

トランジスタ2000の上方には、容量素子1000が設けられている。容量素子1000は、導電体1100、導電体1200、及び絶縁体1300を有する。 A capacitive element 1000 is provided above the transistor 2000. Capacitive element 1000 includes a conductor 1100, a conductor 1200, and an insulator 1300.

また、導電体246、及び導電体248上に、導電体112を設けてもよい。導電体112は、容量素子1000、トランジスタ2000、又はトランジスタ3000と電気的に接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体1100は、容量素子1000の電極としての機能を有する。なお、導電体112、及び導電体1100は、同時に形成することができる。 Further, the conductor 112 may be provided over the conductor 246 and the conductor 248. The conductor 112 functions as a plug or wiring that is electrically connected to the capacitor 1000, the transistor 2000, or the transistor 3000. The conductor 1100 has a function as an electrode of the capacitive element 1000. Note that the conductor 112 and the conductor 1100 can be formed at the same time.

導電体112、及び導電体1100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、又は上述した元素を成分とする金属窒化物(窒化タンタル、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン)等を用いることができる。又は、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 conductor 112 and the conductor 1100 include a metal containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride containing the above-mentioned elements. Tantalum, titanium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride), etc. can be used. Or, add 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, or silicon oxide. Conductive materials such as indium tin oxide can also be applied.

図11では、導電体112、及び導電体1100が単層構造である構成を示したが、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、及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。 Although FIG. 11 shows a configuration in which the conductor 112 and the conductor 1100 have a single layer structure, the present invention is not limited to this configuration, and may have a laminated structure of two or more layers. For example, a conductor having barrier properties and a conductor having high adhesiveness to the conductor having high conductivity may be formed between a conductor having barrier properties and a conductor having high conductivity.

また、導電体112、及び導電体1100上に、容量素子1000の誘電体として、絶縁体1300を設ける。絶縁体1300は、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、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層又は単層で設けることができる。 Further, an insulator 1300 is provided as a dielectric of the capacitor 1000 over the conductor 112 and the conductor 1100. The insulator 1300 is made of, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, hafnium nitride oxide, hafnium nitride, or the like. It can be used as a laminated layer or a single layer.

例えば、絶縁体1300には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐圧の高い材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子1000の絶縁破壊耐性が向上し、容量素子1000の静電破壊を抑制することができる。 For example, the insulator 1300 is preferably made of a material with high dielectric strength, such as silicon oxynitride. With this configuration, the dielectric breakdown resistance of the capacitor 1000 can be improved, and electrostatic breakdown of the capacitor 1000 can be suppressed.

絶縁体1300上に、導電体1100と重畳するように、導電体1200を設ける。なお、導電体1200は、金属材料、合金材料、又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。 A conductor 1200 is provided on the insulator 1300 so as to overlap with the conductor 1100. Note that the conductor 1200 can be made of a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. Moreover, when forming other structures such as conductors at the same time, low resistance metal materials such as Cu (copper) and Al (aluminum) may be used.

導電体1200、及び絶縁体1300上には、絶縁体1500が設けられている。絶縁体1500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1500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 insulator 1500 is provided on the conductor 1200 and the insulator 1300. Insulator 1500 can be provided using the same material as insulator 320. Further, the insulator 1500 may function as a flattening film that covers the uneven shape below it.

以上が、本発明の一態様に係る半導体装置を適用した記憶装置の構成例についての説明である。本構成を用いることで、金属酸化物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。又は、オン電流が大きい金属酸化物を有するトランジスタを提供することができる。又は、オフ電流が小さい金属酸化物を有するトランジスタを提供することができる。又は、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。 The above is a description of a configuration example of a memory device to which a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is applied. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including a metal oxide, fluctuations in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including a metal oxide with a large on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including a metal oxide with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

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 structure, method, etc. shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the structure, method, etc. shown in other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、図12及び図13を用いて、本発明の一態様に係る、金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ。)、及び容量素子が適用されている記憶装置の一例として、NOSRAMについて説明する。NOSRAM(登録商標)とは「Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、ゲインセル型(2T型、3T型)のメモリセルを有するRAMを指す。なお、以下において、NOSRAMのようにOSトランジスタを用いたメモリ装置を、OSメモリと呼ぶ場合がある。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a transistor using a metal oxide in a channel formation region (hereinafter referred to as an OS transistor) and a capacitor according to one embodiment of the present invention are applied, with reference to FIGS. 12 and 13. A NOSRAM will be explained as an example of a storage device. NOSRAM (registered trademark) is an abbreviation for "Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM" and refers to a RAM having gain cell type (2T type, 3T type) memory cells. Note that in the following, a memory device using an OS transistor, such as a NOSRAM, may be referred to as an OS memory.

NOSRAMでは、メモリセルにOSトランジスタが用いられるメモリ装置(以下、「OSメモリ」と呼ぶ。)が適用されている。OSメモリは、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メモリである。OSトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、OSメモリ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。 NOSRAM uses a memory device (hereinafter referred to as "OS memory") in which an OS transistor is used as a memory cell. The OS memory is a memory that includes at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the OS transistor has an extremely small off-state current, the OS memory has excellent retention characteristics and can function as a nonvolatile memory.

<<NOSRAM1600>>
図12にNOSRAMの構成例を示す。図12に示すNOSRAM1600は、メモリセルアレイ1610、コントローラ1640、行ドライバ1650、列ドライバ1660、出力ドライバ1670を有する。なお、NOSRAM1600は、1のメモリセルで多値データを記憶する多値NOSRAMである。
<<NOSRAM1600>>
FIG. 12 shows an example of the configuration of NOSRAM. NOSRAM 1600 shown in FIG. 12 includes a memory cell array 1610, a controller 1640, a row driver 1650, a column driver 1660, and an output driver 1670. Note that the NOSRAM 1600 is a multilevel NOSRAM that stores multilevel data in one memory cell.

メモリセルアレイ1610は複数のメモリセル1611、複数のワード線WWL、複数のワード線RWL、複数のビット線BL、複数のソース線SLを有する。ワード線WWLは書き込みワード線であり、ワード線RWLは読み出しワード線である。NOSRAM1600では、1のメモリセル1611で3ビット(8値)のデータを記憶する。 The memory cell array 1610 includes a plurality of memory cells 1611, a plurality of word lines WWL, a plurality of word lines RWL, a plurality of bit lines BL, and a plurality of source lines SL. Word line WWL is a write word line, and word line RWL is a read word line. In the NOSRAM 1600, one memory cell 1611 stores 3-bit (8-value) data.

コントローラ1640は、NOSRAM1600全体を統括的に制御し、データWDA[31:0]の書き込み、データRDA[31:0]の読み出しを行う。コントローラ1640は、外部からのコマンド信号(例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など)を処理して、行ドライバ1650、列ドライバ1660及び出力ドライバ1670の制御信号を生成する。 The controller 1640 centrally controls the entire NOSRAM 1600, and writes data WDA[31:0] and reads data RDA[31:0]. Controller 1640 processes external command signals (eg, chip enable signals, write enable signals, etc.) to generate control signals for row driver 1650, column driver 1660, and output driver 1670.

行ドライバ1650は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ1650は、行デコーダ1651、及びワード線ドライバ1652を有する。 Row driver 1650 has the function of selecting a row to access. Row driver 1650 includes a row decoder 1651 and a word line driver 1652.

列ドライバ1660は、ソース線SL及びビット線BLを駆動する。列ドライバ1660は、列デコーダ1661、書き込みドライバ1662、DAC(デジタル-アナログ変換回路)1663を有する。 Column driver 1660 drives source line SL and bit line BL. The column driver 1660 includes a column decoder 1661, a write driver 1662, and a DAC (digital-to-analog conversion circuit) 1663.

DAC1663は3ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。DAC1663は32ビットのデータWDA[31:0]を3ビットごとに、アナログ電圧に変換する。 DAC1663 converts 3-bit digital data into analog voltage. The DAC 1663 converts the 32-bit data WDA[31:0] into an analog voltage every 3 bits.

書き込みドライバ1662は、ソース線SLをプリチャージする機能、ソース線SLを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線SLを選択する機能、選択されたソース線SLにDAC1663で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線BLをプリチャージする機能、ビット線BLを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。 The write driver 1662 has the function of precharging the source line SL, making the source line SL electrically floating, selecting the source line SL, and inputting the write voltage generated by the DAC 1663 to the selected source line SL. It has a function of precharging the bit line BL, a function of making the bit line BL electrically floating, and the like.

出力ドライバ1670は、セレクタ1671、ADC(アナログ-デジタル変換回路)1672、出力バッファ1673を有する。セレクタ1671は、アクセスするソース線SLを選択し、選択されたソース線SLの電圧をADC1672に送信する。ADC1672は、アナログ電圧を3ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線SLの電圧はADC1672において、3ビットのデータに変換され、出力バッファ1673はADC1672から出力されるデータを保持する。 The output driver 1670 includes a selector 1671, an ADC (analog-digital conversion circuit) 1672, and an output buffer 1673. The selector 1671 selects the source line SL to be accessed and transmits the voltage of the selected source line SL to the ADC 1672. ADC1672 has a function of converting analog voltage into 3-bit digital data. The voltage of the source line SL is converted into 3-bit data by the ADC 1672, and the output buffer 1673 holds the data output from the ADC 1672.

<メモリセル1611乃至メモリセル1614>
図13(A)は、メモリセル1611の構成例を示す回路図である。メモリセル1611は2T型のゲインセルであり、メモリセル1611はワード線WWL、ワード線RWL、ビット線BL、ソース線SLに電気的に接続されている。メモリセル1611は、ノードSN、OSトランジスタMO61、トランジスタMP61、容量素子C61を有する。OSトランジスタMO61は書き込みトランジスタである。トランジスタMP61は読み出しトランジスタであり、例えば、pチャネル型Siトランジスタで構成される。容量素子C61はノードSNの電圧を保持するための保持容量である。ノードSNはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタMP61のゲートに相当する。
<Memory cells 1611 to 1614>
FIG. 13A is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell 1611. The memory cell 1611 is a 2T type gain cell, and the memory cell 1611 is electrically connected to the word line WWL, word line RWL, bit line BL, and source line SL. The memory cell 1611 includes a node SN, an OS transistor MO61, a transistor MP61, and a capacitor C61. OS transistor MO61 is a write transistor. The transistor MP61 is a read transistor, and is composed of, for example, a p-channel type Si transistor. Capacitive element C61 is a holding capacitor for holding the voltage of node SN. Node SN is a data holding node, and here corresponds to the gate of transistor MP61.

メモリセル1611の書き込みトランジスタがOSトランジスタMO61で構成されているため、NOSRAM1600は長時間データを保持することが可能である。 Since the write transistor of the memory cell 1611 is composed of the OS transistor MO61, the NOSRAM 1600 can hold data for a long time.

図13(A)の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図13(B)に示すように、書き込みビット線WBLと、読み出しビット線RBLとを設けてもよい。 In the example of FIG. 13(A), the bit line is a common bit line for writing and reading, but as shown in FIG. 13(B), a writing bit line WBL and a reading bit line RBL may be provided. good.

図13(C)乃至図13(E)にメモリセルの他の構成例を示す。図13(C)乃至図13(E)には、書き込み用ビット線と読み出し用ビット線を設けた例を示しているが、図13(A)のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。 Other configuration examples of memory cells are shown in FIGS. 13(C) to 13(E). 13(C) to FIG. 13(E) show an example in which a write bit line and a read bit line are provided, but as shown in FIG. 13(A), the bit line is shared for writing and reading. may be provided.

図13(C)に示すメモリセル1612は、メモリセル1611の変形例であり、読み出しトランジスタをnチャネル型トランジスタ(MN61)に変更したものである。トランジスタMN61はOSトランジスタであってもよいし、Siトランジスタであってもよい。 A memory cell 1612 shown in FIG. 13C is a modification of the memory cell 1611, in which the read transistor is changed to an n-channel transistor (MN61). The transistor MN61 may be an OS transistor or a Si transistor.

図13(D)に示すメモリセル1613は、3T型ゲインセルであり、ワード線WWL、ワード線RWL、ビット線WBL、ビット線RBL、ソース線SL、配線PCLに電気的に接続されている。メモリセル1613は、ノードSN、OSトランジスタMO62、トランジスタMP62、トランジスタMP63、容量素子C62を有する。OSトランジスタMO62は書き込みトランジスタである。トランジスタMP62は読み出しトランジスタであり、トランジスタMP63は選択トランジスタである。 The memory cell 1613 shown in FIG. 13D is a 3T-type gain cell, and is electrically connected to the word line WWL, word line RWL, bit line WBL, bit line RBL, source line SL, and wiring PCL. The memory cell 1613 includes a node SN, an OS transistor MO62, a transistor MP62, a transistor MP63, and a capacitor C62. OS transistor MO62 is a write transistor. Transistor MP62 is a read transistor, and transistor MP63 is a selection transistor.

図13(E)に示すメモリセル1614は、メモリセル1613の変形例であり、読み出しトランジスタ及び選択トランジスタをnチャネル型トランジスタ(MN62、MN63)に変更したものである。トランジスタMN62、トランジスタMN63はOSトランジスタであってもよいし、Siトランジスタであってもよい。 A memory cell 1614 shown in FIG. 13E is a modification of the memory cell 1613, in which the read transistor and the selection transistor are changed to n-channel transistors (MN62, MN63). The transistor MN62 and the transistor MN63 may be OS transistors or Si transistors.

メモリセル1611乃至メモリセル1614に設けられるOSトランジスタは、ボトムゲートの無いトランジスタでもよいし、ボトムゲートが有るトランジスタであってもよい。 The OS transistors provided in the memory cells 1611 to 1614 may be transistors without a bottom gate or may be transistors with a bottom gate.

容量素子C61の充放電によってデータを書き換えるため、NOSRAM1600は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込み及び読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。 Since data is rewritten by charging and discharging the capacitive element C61, the NOSRAM 1600 has no restrictions on the number of rewrites in principle, and data can be written and read with low energy. Furthermore, since it is possible to hold data for a long time, the refresh frequency can be reduced.

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1611、メモリセル1612、メモリセル1613、メモリセル1614に用いる場合、OSトランジスタMO61、OSトランジスタMO62としてトランジスタ2000を用い、トランジスタMP61、トランジスタMN62としてトランジスタ3000を用いることができる。これにより、トランジスタの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。 When the semiconductor device described in the above embodiment is used for the memory cell 1611, memory cell 1612, memory cell 1613, and memory cell 1614, the transistor 2000 is used as the OS transistor MO61 and the OS transistor MO62, and the transistor 3000 is used as the transistor MP61 and the transistor MN62. Can be used. As a result, the area occupied by the transistor when viewed from above can be reduced, so that the memory device according to this embodiment can be further highly integrated. Therefore, the storage capacity per unit area of the storage device according to this embodiment can be increased.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure shown in this embodiment can be used in combination with the structures shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、図14及び図15を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタが適用されている記憶装置の一例として、DOSRAMについて説明する。DOSRAM(登録商標)とは、「Dynamic Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、1T(トランジスタ)1C(容量)型のメモリセルを有するRAMを指す。DOSRAMも、NOSRAMと同様に、OSメモリが適用されている。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a DOSRAM will be described as an example of a memory device to which an OS transistor according to one embodiment of the present invention is applied, with reference to FIGS. 14 and 15. DOSRAM (registered trademark) is an abbreviation for "Dynamic Oxide Semiconductor RAM" and refers to a RAM having 1T (transistor) and 1C (capacitance) type memory cells. Like NOSRAM, OS memory is also applied to DOSRAM.

<<DOSRAM1400>>
図14にDOSRAMの構成例を示す。図14に示すDOSRAM1400は、コントローラ1405、行回路1410、列回路1415、メモリセル及びセンスアンプアレイ1420(以下、「MC-SAアレイ1420」と呼ぶ。)を有する。
<<DOSRAM1400>>
FIG. 14 shows an example of the configuration of a DOSRAM. The DOSRAM 1400 shown in FIG. 14 includes a controller 1405, a row circuit 1410, a column circuit 1415, and a memory cell and sense amplifier array 1420 (hereinafter referred to as "MC-SA array 1420").

行回路1410は、デコーダ1411、ワード線ドライバ回路1412、列セレクタ1413、センスアンプドライバ回路1414を有する。列回路1415は、グローバルセンスアンプアレイ1416、入出力回路1417を有する。グローバルセンスアンプアレイ1416は、複数のグローバルセンスアンプ1447を有する。MC-SAアレイ1420は、メモリセルアレイ1422、センスアンプアレイ1423、グローバルビット線GBLL、グローバルビット線GBLRを有する。 The row circuit 1410 includes a decoder 1411, a word line driver circuit 1412, a column selector 1413, and a sense amplifier driver circuit 1414. The column circuit 1415 has a global sense amplifier array 1416 and an input/output circuit 1417. Global sense amplifier array 1416 includes a plurality of global sense amplifiers 1447. The MC-SA array 1420 has a memory cell array 1422, a sense amplifier array 1423, a global bit line GBLL, and a global bit line GBLR.

(MC-SAアレイ1420)
MC-SAアレイ1420は、メモリセルアレイ1422をセンスアンプアレイ1423上に積層した積層構造を有する。グローバルビット線GBLL、グローバルビット線GBLRは、メモリセルアレイ1422上に積層されている。DOSRAM1400では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
(MC-SA array 1420)
The MC-SA array 1420 has a stacked structure in which a memory cell array 1422 is stacked on a sense amplifier array 1423. Global bit line GBLL and global bit line GBLR are stacked on memory cell array 1422. The DOSRAM 1400 employs a hierarchical bit line structure in which local bit lines and global bit lines are layered.

メモリセルアレイ1422は、N個(Nは2以上の整数)のローカルメモリセルアレイ1425<0>乃至ローカルメモリセルアレイ1425<N-1>を有する。図15(A)に、ローカルメモリセルアレイ1425の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ1425は、複数のメモリセル1445、複数のワード線WL、複数のビット線BLL、複数のビット線BLRを有する。図15(A)の例では、ローカルメモリセルアレイ1425の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。 The memory cell array 1422 has N (N is an integer of 2 or more) local memory cell arrays 1425<0> to 1425<N-1>. FIG. 15A shows a configuration example of the local memory cell array 1425. Local memory cell array 1425 includes multiple memory cells 1445, multiple word lines WL, multiple bit lines BLL, and multiple bit lines BLR. In the example of FIG. 15A, the structure of the local memory cell array 1425 is an open bit linear type, but it may be a folded bit linear type.

図15(B)に、メモリセル1445の回路構成例を示す。メモリセル1445は、トランジスタMW1、容量素子CS1、端子B1を有する。トランジスタMW1は、容量素子CS1の充放電を制御する機能を有する。トランジスタMW1のゲートはワード線に電気的に接続され、第1端子はビット線に電気的に接続され、第2端子は容量素子CS1の第1端子に電気的に接続されている。容量素子CS1の第2端子は、端子B1に電気的に接続されている。端子B1には、定電位(例えば、低電源電位)が入力される。 FIG. 15B shows an example of the circuit configuration of the memory cell 1445. The memory cell 1445 includes a transistor MW1, a capacitor CS1, and a terminal B1. Transistor MW1 has a function of controlling charging and discharging of capacitive element CS1. The gate of the transistor MW1 is electrically connected to the word line, the first terminal is electrically connected to the bit line, and the second terminal is electrically connected to the first terminal of the capacitive element CS1. The second terminal of the capacitive element CS1 is electrically connected to the terminal B1. A constant potential (for example, a low power supply potential) is input to the terminal B1.

トランジスタMW1は、ボトムゲートを有するトランジスタであってもよい。トランジスタMW1が、ボトムゲートを有するトランジスタである場合、例えば、トランジスタMW1のボトムゲートを、トランジスタMW1のゲート、ソース、又はドレインに電気的に接続する構成としてもよい。 Transistor MW1 may be a transistor with a bottom gate. When the transistor MW1 is a transistor having a bottom gate, for example, the bottom gate of the transistor MW1 may be electrically connected to the gate, source, or drain of the transistor MW1.

センスアンプアレイ1423は、N個のローカルセンスアンプアレイ1426<0>乃至ローカルセンスアンプアレイ1426<N-1>を有する。ローカルセンスアンプアレイ1426は、1のスイッチアレイ1444、複数のセンスアンプ1446を有する。センスアンプ1446には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ1446は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電位差を増幅する機能、この電位差を保持する機能を有する。スイッチアレイ1444は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対との間を導通状態にする機能を有する。 The sense amplifier array 1423 has N local sense amplifier arrays 1426<0> to 1426<N-1>. The local sense amplifier array 1426 includes one switch array 1444 and a plurality of sense amplifiers 1446. A bit line pair is electrically connected to the sense amplifier 1446. The sense amplifier 1446 has the function of precharging the bit line pair, the function of amplifying the potential difference between the bit line pair, and the function of holding this potential difference. The switch array 1444 has a function of selecting a bit line pair and making conductive between the selected bit line pair and the global bit line pair.

ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される2本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される2本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線BLLとビット線BLRが1組のビット線対を成す。グローバルビット線GBLLとグローバルビット線GBLRとが1組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対(BLL,BLR)、グローバルビット線対(GBLL,GBLR)とも表す。 Here, the bit line pair refers to two bit lines that are simultaneously compared by a sense amplifier. A global bit line pair refers to two global bit lines that are compared simultaneously by a global sense amplifier. A bit line pair can be referred to as a pair of bit lines, and a global bit line pair can be referred to as a pair of global bit lines. Here, bit line BLL and bit line BLR form a bit line pair. Global bit line GBLL and global bit line GBLR form a global bit line pair. Hereinafter, they will also be referred to as bit line pairs (BLL, BLR) and global bit line pairs (GBLL, GBLR).

(コントローラ1405)
コントローラ1405は、DOSRAM1400の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ1405は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路1410、列回路1415の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
(controller 1405)
The controller 1405 has a function of controlling the overall operation of the DOSRAM 1400. The controller 1405 has a function of determining an operation mode by performing a logical operation on a command signal input from the outside, and a function of generating control signals for the row circuit 1410 and column circuit 1415 so that the determined operation mode is executed. , has a function of holding an address signal input from the outside, and a function of generating an internal address signal.

(行回路1410)
行回路1410は、MC-SAアレイ1420を駆動する機能を有する。デコーダ1411は、アドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路1412は、アクセス対象行のワード線WLを選択する選択信号を生成する。
(Row circuit 1410)
Row circuit 1410 has the function of driving MC-SA array 1420. Decoder 1411 has a function of decoding address signals. The word line driver circuit 1412 generates a selection signal that selects the word line WL of the row to be accessed.

列セレクタ1413、センスアンプドライバ回路1414は、センスアンプアレイ1423を駆動するための回路である。列セレクタ1413は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能を有する。列セレクタ1413の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ1426のスイッチアレイ1444が制御される。センスアンプドライバ回路1414の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ1426は独立して駆動される。 Column selector 1413 and sense amplifier driver circuit 1414 are circuits for driving sense amplifier array 1423. The column selector 1413 has a function of generating a selection signal for selecting a bit line of a column to be accessed. A selection signal from column selector 1413 controls switch array 1444 of each local sense amplifier array 1426. A plurality of local sense amplifier arrays 1426 are independently driven by control signals from the sense amplifier driver circuit 1414.

(列回路1415)
列回路1415は、データ信号WDA[31:0]の入力を制御する機能、データ信号RDA[31:0]の出力を制御する機能を有する。データ信号WDA[31:0]は書き込みデータ信号であり、データ信号RDA[31:0]は読み出しデータ信号である。
(Column circuit 1415)
Column circuit 1415 has a function of controlling input of data signal WDA[31:0] and a function of controlling output of data signal RDA[31:0]. Data signal WDA[31:0] is a write data signal, and data signal RDA[31:0] is a read data signal.

グローバルセンスアンプ1447は、グローバルビット線対(GBLL,GBLR)に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ1447は、グローバルビット線対(GBLL,GBLR)間の電位差を増幅する機能、この電位差を保持する機能を有する。グローバルビット線対(GBLL,GBLR)へのデータの書き込み、及び読み出しは、入出力回路1417によって行われる。 Global sense amplifier 1447 is electrically connected to the global bit line pair (GBLL, GBLR). The global sense amplifier 1447 has a function of amplifying the potential difference between the global bit line pair (GBLL, GBLR) and a function of holding this potential difference. Writing and reading data to and from the global bit line pair (GBLL, GBLR) is performed by the input/output circuit 1417.

DOSRAM1400の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路1417によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ1416によって保持される。アドレスが指定するローカルセンスアンプアレイ1426のスイッチアレイ1444によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ1426は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ1425において、行回路1410によって、対象行のワード線WLが選択され、選択行のメモリセル1445にローカルセンスアンプアレイ1426の保持データが書き込まれる。 An outline of the write operation of the DOSRAM 1400 will be explained. Data is written to the global bit line pair by input/output circuit 1417. Data on global bit line pairs is held by global sense amplifier array 1416. The data on the global bit line pair is written to the bit line pair of the target column by the switch array 1444 of the local sense amplifier array 1426 specified by the address. Local sense amplifier array 1426 amplifies and holds written data. In the designated local memory cell array 1425, the row circuit 1410 selects the word line WL of the target row, and writes the data held in the local sense amplifier array 1426 to the memory cells 1445 of the selected row.

DOSRAM1400の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ1425の1行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ1425において、対象行のワード線WLが選択状態となり、メモリセル1445のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ1426によって、各列のビット線対の電位差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ1444によって、ローカルセンスアンプアレイ1426の保持データのうち、アドレスが指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ1416は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ1416の保持データは入出力回路1417に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。 An overview of the read operation of the DOSRAM 1400 will be explained. One row of local memory cell array 1425 is designated by the address signal. In the designated local memory cell array 1425, the word line WL of the target row is brought into a selected state, and the data of the memory cell 1445 is written to the bit line. The local sense amplifier array 1426 detects and holds the potential difference between the bit line pairs in each column as data. Switch array 1444 writes the data in the column specified by the address among the data held in local sense amplifier array 1426 to the global bit line pair. Global sense amplifier array 1416 detects and holds data on global bit line pairs. Data held by global sense amplifier array 1416 is output to input/output circuit 1417. With this, the read operation is completed.

容量素子CS1の充放電によってデータを書き換えるため、DOSRAM1400は、原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込み及び読み出しが可能である。また、メモリセル1445の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。 Since data is rewritten by charging and discharging the capacitive element CS1, the DOSRAM 1400 has no restrictions on the number of rewrites in principle, and data can be written and read with low energy. Furthermore, since the circuit configuration of the memory cell 1445 is simple, it is easy to increase the capacity.

トランジスタMW1は、OSトランジスタである。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子CS1から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、DOSRAM1400の保持時間は、Siトランジスタを用いたDRAMに比べて非常に長い。したがって、リフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。そのため、DOSRAM1400をフレームメモリとして用いることで、表示コントローラIC、及びソースドライバICの消費電力を削減することができる。 Transistor MW1 is an OS transistor. Since the OS transistor has an extremely small off-state current, leakage of charge from the capacitive element CS1 can be suppressed. Therefore, the retention time of the DOSRAM 1400 is much longer than that of a DRAM using Si transistors. Therefore, since the frequency of refresh can be reduced, the power required for the refresh operation can be reduced. Therefore, by using the DOSRAM 1400 as a frame memory, the power consumption of the display controller IC and source driver IC can be reduced.

MC-SAアレイ1420が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ1426の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル1445の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ1426にスイッチアレイ1444を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、DOSRAM1400のアクセス時に駆動する負荷が低減されるので、表示コントローラIC、及びソースドライバICの消費エネルギーを低減できる。 Since the MC-SA array 1420 has a stacked structure, the bit lines can be shortened to the same length as the local sense amplifier array 1426. By shortening the bit line, the bit line capacitance becomes smaller, and the storage capacitance of the memory cell 1445 can be reduced. Further, by providing the switch array 1444 in the local sense amplifier array 1426, the number of long bit lines can be reduced. For the above reasons, the driving load when accessing the DOSRAM 1400 is reduced, so that the energy consumption of the display controller IC and source driver IC can be reduced.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure shown in this embodiment can be used in combination with the structures shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る、金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタ(OSトランジスタ)が適用されている半導体装置の一例として、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)について説明する。本実施の形態のFPGAは、コンフィギュレーションメモリ、及びレジスタにOSメモリが適用されている。ここでは、このようなFPGAを「OS-FPGA」と呼ぶ。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an FPGA (field programmable gate array) will be described as an example of a semiconductor device to which a transistor in which a metal oxide is used in a channel formation region (OS transistor) according to one embodiment of the present invention is applied. . In the FPGA of this embodiment, OS memory is applied to the configuration memory and registers. Here, such an FPGA is referred to as an "OS-FPGA."

OSメモリは、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メモリである。OSトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、OSメモリは優れた保持特性を有し、不揮発性メモリとして機能させることができる。 The OS memory is a memory that includes at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the OS transistor is a transistor with extremely low off-state current, the OS memory has excellent retention characteristics and can function as a nonvolatile memory.

図16(A)に、OS-FPGAの構成例を示す。図16(A)に示すOS-FPGA3110は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替えとPLE毎の細粒度パワーゲーティングを実行するNOFF(ノーマリオフ)コンピューティングが可能である。OS-FPGA3110は、コントローラ(Controller)3111、ワードドライバ(Word driver)3112、データドライバ(Data driver)3113、プログラマブルエリア(Programmable area)3115を有する。 FIG. 16(A) shows a configuration example of the OS-FPGA. The OS-FPGA 3110 shown in FIG. 16A is capable of NOFF (normally off) computing that executes context switching using a multi-context structure and fine-grained power gating for each PLE. The OS-FPGA 3110 includes a controller 3111, a word driver 3112, a data driver 3113, and a programmable area 3115.

プログラマブルエリア3115は、2個の入出力ブロック(IOB)3117、コア(Core)3119を有する。IOB3117は、複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア3119は、複数のロジックアレイブロック(LAB)3120、複数のスイッチアレイブロック(SAB)3130を有する。LAB3120は、複数のPLE3121を有する。図16(B)には、LAB3120を5個のPLE3121で構成する例を示す。図16(C)に示すように、SAB3130は、アレイ状に配列された複数のスイッチブロック(SB)3131を有する。LAB3120は自身の入力端子と、SAB3130を介して4(上下左右)方向のLAB3120に接続される。 The programmable area 3115 has two input/output blocks (IOB) 3117 and a core (Core) 3119. IOB3117 has multiple programmable input/output circuits. The core 3119 includes multiple logic array blocks (LAB) 3120 and multiple switch array blocks (SAB) 3130. LAB3120 has multiple PLE3121. FIG. 16(B) shows an example in which the LAB 3120 is configured with five PLEs 3121. As shown in FIG. 16C, the SAB 3130 includes a plurality of switch blocks (SB) 3131 arranged in an array. The LAB 3120 is connected to its own input terminal and to LABs 3120 in four (up, down, left and right) directions via the SAB 3130.

図17(A)乃至図17(C)を参照して、SB3131について説明する。図17(A)に示すSB3131には、data、datab、信号context[1:0]、word[1:0]が入力される。data、databはコンフィギュレーションデータであり、dataとdatabは論理が相補的な関係にある。OS-FPGA3110のコンテキスト数は2であり、信号context[1:0]はコンテキスト選択信号である。信号word[1:0]はワード線選択信号であり、信号word[1:0]が入力される配線がそれぞれワード線である。 SB3131 will be described with reference to FIGS. 17(A) to 17(C). Data, datab, signals context[1:0], and word[1:0] are input to the SB 3131 shown in FIG. 17(A). data and datab are configuration data, and data and datab have a complementary relationship in logic. The number of contexts of the OS-FPGA 3110 is 2, and the signal context[1:0] is a context selection signal. The signal word[1:0] is a word line selection signal, and each wiring to which the signal word[1:0] is input is a word line.

SB3131は、PRS(プログラマブルルーティングスイッチ)3133[0]、PRS3133[1]を有する。PRS3133[0]、PRS3133[1]は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ(CM)を有する。なお、PRS3133[0]とPRS3133[1]とを区別しない場合、PRS3133と呼ぶ。他の要素についても同様である。 SB3131 has PRS (programmable routing switch) 3133[0] and PRS3133[1]. PRS3133[0] and PRS3133[1] have a configuration memory (CM) that can store complementary data. In addition, when PRS3133[0] and PRS3133[1] are not distinguished, they are called PRS3133. The same applies to other elements.

図17(B)に、PRS3133[0]の回路構成例を示す。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは、同じ回路構成を有する。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは、入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号context[0]、信号word[0]はPRS3133[0]に入力され、信号context[1]、信号word[1]はPRS3133[1]に入力される。例えば、SB3131において、信号context[0]が“H”になることで、PRS3133[0]がアクティブになる。 FIG. 17(B) shows an example of the circuit configuration of PRS3133[0]. PRS3133[0] and PRS3133[1] have the same circuit configuration. PRS3133[0] and PRS3133[1] differ in input context selection signal and word line selection signal. Signal context[0] and signal word[0] are input to PRS3133[0], and signal context[1] and signal word[1] are input to PRS3133[1]. For example, in SB3131, when the signal context[0] becomes “H”, PRS3133[0] becomes active.

PRS3133[0]は、CM3135、SiトランジスタM31を有する。SiトランジスタM31は、CM3135により制御されるパストランジスタである。CM3135は、メモリ回路3137、メモリ回路3137Bを有する。メモリ回路3137、メモリ回路3137Bは同じ回路構成である。メモリ回路3137は、容量素子C31、OSトランジスタMO31、OSトランジスタMO32を有する。メモリ回路3137Bは、容量素子CB31、OSトランジスタMOB31、OSトランジスタMOB32を有する。 PRS3133[0] includes a CM3135 and a Si transistor M31. Si transistor M31 is a pass transistor controlled by CM3135. The CM3135 includes a memory circuit 3137 and a memory circuit 3137B. The memory circuit 3137 and the memory circuit 3137B have the same circuit configuration. The memory circuit 3137 includes a capacitor C31, an OS transistor MO31, and an OS transistor MO32. The memory circuit 3137B includes a capacitor CB31, an OS transistor MOB31, and an OS transistor MOB32.

OSトランジスタMO31、OSトランジスタMO32、OSトランジスタMOB31、及びOSトランジスタMOB32はボトムゲートを有していてもよい。例えば、OSトランジスタMO31、OSトランジスタMO32、OSトランジスタMOB31、及びOSトランジスタMOB32がボトムゲートを有している場合、これらボトムゲートはそれぞれ固定電位を供給する電源線と電気的に接続されていてもよい。 OS transistor MO31, OS transistor MO32, OS transistor MOB31, and OS transistor MOB32 may have a bottom gate. For example, when the OS transistor MO31, the OS transistor MO32, the OS transistor MOB31, and the OS transistor MOB32 have bottom gates, each of these bottom gates may be electrically connected to a power supply line that supplies a fixed potential. .

SiトランジスタM31のゲートがノードN31であり、OSトランジスタMO32のゲートがノードN32であり、OSトランジスタMOB32のゲートがノードNB32である。ノードN32、ノードNB32はCM3135の電荷保持ノードである。OSトランジスタMO32は、ノードN31と信号context[0]用の信号線との間の導通状態を制御する。OSトランジスタMOB32は、ノードN31と低電位電源線VSSとの間の導通状態を制御する。 The gate of Si transistor M31 is node N31, the gate of OS transistor MO32 is node N32, and the gate of OS transistor MOB32 is node NB32. Node N32 and node NB32 are charge retention nodes of CM3135. OS transistor MO32 controls the conduction state between node N31 and the signal line for signal context[0]. OS transistor MOB32 controls the conduction state between node N31 and low potential power supply line VSS.

メモリ回路3137、メモリ回路3137Bが保持するデータの論理は相補的な関係にある。したがって、OSトランジスタMO32又はOSトランジスタMOB32のいずれか一方が導通する。 The logic of data held by the memory circuit 3137 and the memory circuit 3137B is complementary. Therefore, either OS transistor MO32 or OS transistor MOB32 becomes conductive.

図17(C)を参照して、PRS3133[0]の動作例を説明する。PRS3133[0]にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、PRS3133[0]のノードN32は“H”であり、ノードNB32は“L”である。 An example of the operation of PRS3133[0] will be described with reference to FIG. 17(C). Configuration data has already been written to PRS3133[0], node N32 of PRS3133[0] is "H", and node NB32 is "L".

信号context[0]が“L”である間は、PRS3133[0]は非アクティブである。この期間に、PRS3133[0]の入力端子が“H”に遷移しても、SiトランジスタM31のゲートは“L”が維持され、PRS3133[0]の出力端子も“L”が維持される。 While the signal context[0] is "L", the PRS3133[0] is inactive. During this period, even if the input terminal of PRS3133[0] transitions to "H", the gate of Si transistor M31 is maintained at "L", and the output terminal of PRS3133[0] is also maintained at "L".

信号context[0]が“H”である間は、PRS3133[0]はアクティブである。信号context[0]が“H”に遷移すると、CM3135が記憶するコンフィギュレーションデータによって、SiトランジスタM31のゲートは“H”に遷移する。 PRS3133[0] is active while signal context[0] is "H". When the signal context[0] transitions to “H”, the gate of the Si transistor M31 transitions to “H” according to the configuration data stored in the CM3135.

PRS3133[0]がアクティブである期間に、入力端子が“H”に遷移すると、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32がソースフォロアであるために、ブースティング(boosting)によってSiトランジスタM31のゲート電位は上昇する。その結果、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32は駆動能力を失い、SiトランジスタM31のゲートは浮遊状態となる。 When the input terminal changes to "H" while PRS3133[0] is active, the gate potential of the Si transistor M31 increases due to boosting because the OS transistor MO32 of the memory circuit 3137 is a source follower. do. As a result, the OS transistor MO32 of the memory circuit 3137 loses its driving ability, and the gate of the Si transistor M31 becomes floating.

マルチコンテキスト機能を備えるPRS3133において、CM3135はマルチプレクサの機能を併せ持つ。 In the PRS 3133 having a multi-context function, the CM 3135 also has a multiplexer function.

図18に、PLE3121の構成例を示す。PLE3121は、LUT(ルックアップテーブル)ブロック3123、レジスタブロック3124、セレクタ3125、CM3126を有する。LUTブロック(LUT block)3123は、入力inA-inDに従ってデータを選択し、出力する構成である。セレクタ3125は、CM3126が格納するコンフィギュレーションデータに従って、LUTブロック3123の出力又はレジスタブロック3124の出力を選択する。 FIG. 18 shows a configuration example of the PLE 3121. The PLE 3121 includes an LUT (lookup table) block 3123, a register block 3124, a selector 3125, and a CM 3126. The LUT block 3123 is configured to select and output data according to inputs inA-inD. The selector 3125 selects the output of the LUT block 3123 or the output of the register block 3124 according to the configuration data stored in the CM 3126.

PLE3121は、パワースイッチ3127を介して電位VDD用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ3127のオンオフは、CM3128が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各PLE3121にパワースイッチ3127を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないPLE3121をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。 PLE 3121 is electrically connected to a power supply line for potential VDD via a power switch 3127. The on/off state of the power switch 3127 is set by configuration data stored in the CM 3128. By providing a power switch 3127 in each PLE 3121, fine-grained power gating is possible. The fine-grained power gating function allows power gating of PLEs 3121 that are not used after context switching, so standby power can be effectively reduced.

NOFFコンピューティングを実現するため、レジスタブロック3124は、不揮発性レジスタで構成される。PLE3121内の不揮発性レジスタは、OSメモリを備えるフリップフロップ(以下「OS-FF」と呼ぶ。)である。 To implement NOFF computing, register block 3124 is configured with non-volatile registers. A non-volatile register in the PLE 3121 is a flip-flop (hereinafter referred to as "OS-FF") that includes an OS memory.

レジスタブロック3124は、OS-FF3140[1]、OS-FF3140[2]を有する。信号user_res、信号load、信号storeがOS-FF3140[1]、OS-FF3140[2]に入力される。クロック信号CLK1はOS-FF3140[1]に入力され、クロック信号CLK2はOS-FF3140[2]に入力される。図19(A)に、OS-FF3140の構成例を示す。 The register block 3124 includes an OS-FF 3140[1] and an OS-FF 3140[2]. The signal user_res, the signal load, and the signal store are input to the OS-FF3140[1] and the OS-FF3140[2]. Clock signal CLK1 is input to OS-FF3140[1], and clock signal CLK2 is input to OS-FF3140[2]. FIG. 19A shows a configuration example of the OS-FF 3140.

OS-FF3140は、FF3141、シャドウレジスタ3142を有する。FF3141は、ノードCK、ノードR、ノードD、ノードQ、及びノードQBを有する。ノードCKにはクロック信号が入力される。ノードRには信号user_resが入力される。信号user_resはリセット信号である。ノードDはデータ入力ノードであり、ノードQはデータ出力ノードである。ノードQとノードQBとは、論理が相補関係にある。 The OS-FF 3140 includes an FF 3141 and a shadow register 3142. The FF 3141 includes a node CK, a node R, a node D, a node Q, and a node QB. A clock signal is input to the node CK. A signal user_res is input to the node R. The signal user_res is a reset signal. Node D is a data input node and node Q is a data output node. Node Q and node QB have a complementary relationship in logic.

シャドウレジスタ3142は、FF3141のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ3142は、信号storeに従い、ノードQ、ノードQBのデータをそれぞれバックアップし、また、信号loadに従い、バックアップしたデータをノードQ、ノードQBに書き戻す。 The shadow register 3142 functions as a backup circuit for the FF 3141. The shadow register 3142 backs up the data of the nodes Q and QB according to the signal store, and writes the backed up data back to the nodes Q and QB according to the signal load.

シャドウレジスタ3142は、インバータ回路3188、インバータ回路3189、SiトランジスタM37、SiトランジスタMB37、メモリ回路3143、メモリ回路3143Bを有する。メモリ回路3143、メモリ回路3143Bは、PRS3133のメモリ回路3137と同じ回路構成である。メモリ回路3143は、容量素子C36、OSトランジスタMO35、OSトランジスタMO36を有する。メモリ回路3143Bは、容量素子CB36、OSトランジスタMOB35、OSトランジスタMOB36を有する。ノードN36、ノードNB36は、OSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB36のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードN37、ノードNB37は、SiトランジスタM37、SiトランジスタMB37のゲートである。 The shadow register 3142 includes an inverter circuit 3188, an inverter circuit 3189, a Si transistor M37, a Si transistor MB37, a memory circuit 3143, and a memory circuit 3143B. The memory circuit 3143 and the memory circuit 3143B have the same circuit configuration as the memory circuit 3137 of the PRS3133. The memory circuit 3143 includes a capacitive element C36, an OS transistor MO35, and an OS transistor MO36. The memory circuit 3143B includes a capacitor CB36, an OS transistor MOB35, and an OS transistor MOB36. Node N36 and node NB36 are the gates of OS transistor MO36 and OS transistor MOB36, and are charge retention nodes, respectively. Node N37 and node NB37 are the gates of Si transistor M37 and Si transistor MB37.

OSトランジスタMO35、OSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB35、及びOSトランジスタMOB36はボトムゲートを有していてもよい。例えば、OSトランジスタMO35、OSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB35、及びOSトランジスタMOB36がボトムゲートを有している場合、これらボトムゲートはそれぞれ固定電位を供給する電源線と電気的に接続されていてもよい。 OS transistor MO35, OS transistor MO36, OS transistor MOB35, and OS transistor MOB36 may have a bottom gate. For example, when OS transistor MO35, OS transistor MO36, OS transistor MOB35, and OS transistor MOB36 have bottom gates, these bottom gates may be electrically connected to a power supply line that supplies a fixed potential, respectively. .

図19(B)を参照して、OS-FF3140の動作方法例を説明する。 An example of the operating method of the OS-FF 3140 will be described with reference to FIG. 19(B).

(バックアップ(Backup))
“H”の信号storeがOS-FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はFF3141のデータをバックアップする。ノードN36は、ノードQのデータが書き込まれることで、“L”となり、ノードNB36は、ノードQBのデータが書き込まれることで、“H”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ3127をオフにする。FF3141のノードQ、ノードQBのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ3142はバックアップしたデータを保持する。
(Backup)
When the “H” signal store is input to the OS-FF 3140, the shadow register 3142 backs up the data of the FF 3141. The node N36 becomes "L" when the data of the node Q is written, and the node NB36 becomes "H" when the data of the node QB is written. After that, power gating is performed and power switch 3127 is turned off. Although the data of nodes Q and QB of the FF 3141 are lost, the shadow register 3142 retains the backed up data even if the power is turned off.

(リカバリ(Recovery))
パワースイッチ3127をオンにし、PLE3121に電源を供給する。しかる後、“H”の信号loadがOS-FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はバックアップしているデータをFF3141に書き戻す。ノードN36は“L”であるので、ノードN37は“L”が維持され、ノードNB36は“H”であるので、ノードNB37は“H”となる。よって、ノードQは“H”になり、ノードQBは“L”になる。つまり、OS-FF3140はバックアップ動作時の状態に復帰する。
(Recovery)
Turn on the power switch 3127 to supply power to the PLE 3121. Thereafter, when the "H" signal load is input to the OS-FF 3140, the shadow register 3142 writes back the backed up data to the FF 3141. Since the node N36 is "L", the node N37 is maintained at "L", and since the node NB36 is "H", the node NB37 becomes "H". Therefore, node Q becomes "H" and node QB becomes "L". In other words, the OS-FF 3140 returns to the state at the time of backup operation.

細粒度パワーゲーティングと、OS-FF3140のバックアップ/リカバリ動作とを組み合わせることで、OS-FPGA3110の消費電力を効果的に低減できる。 By combining fine-grained power gating and the backup/recovery operation of the OS-FF 3140, the power consumption of the OS-FPGA 3110 can be effectively reduced.

メモリ回路において発生し得るエラーとして、放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。OSトランジスタを用いたOSメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、OSメモリを搭載することで、信頼性の高いOS-FPGA3110を提供することができる。 Errors that can occur in memory circuits include soft errors caused by incidence of radiation. Soft errors are secondary cosmic errors that occur when alpha rays emitted from materials that make up memory or packages, or primary cosmic rays that enter the atmosphere from space, cause a nuclear reaction with the nuclei of atoms in the atmosphere. This is a phenomenon in which a transistor is irradiated with linear neutrons and electron-hole pairs are generated, resulting in malfunctions such as inversion of data held in memory. OS memory using OS transistors has high soft error resistance. Therefore, by installing an OS memory, a highly reliable OS-FPGA 3110 can be provided.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure shown in this embodiment can be used in combination with the structures shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態6)
本実施の形態においては、上述した記憶装置など、本発明の一態様に係る半導体装置を含むCPUの一例について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example of a CPU including a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, such as the above-described storage device, will be described.

<CPUの構成>
図20に示す半導体装置5400は、CPUコア5401、パワーマネージメントユニット5421、及び周辺回路5422を有する。パワーマネージメントユニット5421は、パワーコントローラ(Power Controller)5402、及びパワースイッチ(Power Switch)5403を有する。周辺回路5422は、キャッシュメモリを有するキャッシュ(Cache)5404、バスインターフェース(BUS I/F)5405、及びデバッグインターフェース(Debug I/F)5406を有する。CPUコア5401は、データバス5423、制御装置(Control Unit)5407、PC(プログラムカウンタ)5408、パイプラインレジスタ(Pipeline Register)5409、パイプラインレジスタ5410、ALU(Arithmetic logic unit)5411、及びレジスタファイル(Register File)5412を有する。CPUコア5401と、キャッシュ5404等の周辺回路5422とのデータのやり取りは、データバス5423を介して行われる。
<CPU configuration>
A semiconductor device 5400 shown in FIG. 20 includes a CPU core 5401, a power management unit 5421, and a peripheral circuit 5422. The power management unit 5421 includes a power controller 5402 and a power switch 5403. The peripheral circuit 5422 includes a cache 5404 having a cache memory, a bus interface (BUS I/F) 5405, and a debug interface (Debug I/F) 5406. The CPU core 5401 includes a data bus 5423, a control unit 5407, a PC (program counter) 5408, a pipeline register 5409, a pipeline register 5410, an arithmetic logic unit (ALU) 5411, and a register file ( Register File) 5412. Data is exchanged between the CPU core 5401 and peripheral circuits 5422 such as the cache 5404 via a data bus 5423.

半導体装置(セル)は、パワーコントローラ5402、制御装置5407をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができる全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置5400を提供できる。また、消費電力を低減することが可能な半導体装置5400を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置5400を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置5400を提供できる。 The semiconductor device (cell) can be applied to many logic circuits including the power controller 5402 and the control device 5407. In particular, it can be applied to all logic circuits that can be constructed using standard cells. As a result, a compact semiconductor device 5400 can be provided. Furthermore, a semiconductor device 5400 that can reduce power consumption can be provided. Further, it is possible to provide a semiconductor device 5400 that can improve operating speed. Further, it is possible to provide a semiconductor device 5400 that can reduce fluctuations in power supply voltage.

半導体装置(セル)に、pチャネル型Siトランジスタと、先の実施の形態に記載の金属酸化物(好ましくは、In、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタとを用い、当該半導体装置(セル)を半導体装置5400に適用することで、小型の半導体装置5400を提供できる。また、消費電力を低減することが可能な半導体装置5400を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置5400を提供できる。特に、Siトランジスタをpチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。 A p-channel Si transistor and a transistor whose channel formation region includes the metal oxide (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) described in the previous embodiment are used in a semiconductor device (cell). By applying the semiconductor device (cell) to the semiconductor device 5400, a small-sized semiconductor device 5400 can be provided. Furthermore, a semiconductor device 5400 that can reduce power consumption can be provided. Further, it is possible to provide a semiconductor device 5400 that can improve operating speed. In particular, manufacturing costs can be kept low by using only p-channel type Si transistors.

制御装置5407は、PC5408、パイプラインレジスタ5409、パイプラインレジスタ5410、ALU5411、レジスタファイル5412、キャッシュ5404、バスインターフェース5405、デバッグインターフェース5406、及びパワーコントローラ5402の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。 A control device 5407 controls the operations of a PC 5408, a pipeline register 5409, a pipeline register 5410, an ALU 5411, a register file 5412, a cache 5404, a bus interface 5405, a debug interface 5406, and a power controller 5402. It has the ability to decode and execute instructions included in programs such as applications.

ALU5411は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。 The ALU 5411 has a function of performing various arithmetic operations such as arithmetic operations and logical operations.

キャッシュ5404は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。PC5408は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図20では図示していないが、キャッシュ5404には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。 The cache 5404 has a function of temporarily storing frequently used data. PC5408 is a register that has the function of storing the address of the next instruction to be executed. Although not shown in FIG. 20, the cache 5404 is provided with a cache controller that controls the operation of the cache memory.

パイプラインレジスタ5409は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。 Pipeline register 5409 is a register that has a function of temporarily storing instruction data.

レジスタファイル5412は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、又はALU5411の演算処理の結果得られたデータなどを記憶することができる。 The register file 5412 has a plurality of registers including general-purpose registers, and can store data read from the main memory, data obtained as a result of arithmetic processing by the ALU 5411, and the like.

パイプラインレジスタ5410は、ALU5411の演算処理に利用するデータ、又はALU5411の演算処理の結果、得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。 The pipeline register 5410 is a register that has a function of temporarily storing data used in the arithmetic processing of the ALU 5411 or data obtained as a result of the arithmetic processing of the ALU 5411.

バスインターフェース5405は、半導体装置5400と半導体装置5400の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース5406は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置5400に入力するための信号の経路としての機能を有する。 The bus interface 5405 functions as a data path between the semiconductor device 5400 and various devices external to the semiconductor device 5400. The debug interface 5406 functions as a signal path for inputting instructions to the semiconductor device 5400 for controlling debugging.

パワースイッチ5403は、半導体装置5400が有するパワーコントローラ5402以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、いくつかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ5403によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ5402は、パワースイッチ5403の動作を制御する機能を有する。 The power switch 5403 has a function of controlling the supply of power supply voltage to various circuits other than the power controller 5402 included in the semiconductor device 5400. The various circuits described above each belong to several power domains, and whether or not a power supply voltage is supplied to the various circuits belonging to the same power domain is controlled by the power switch 5403. Further, the power controller 5402 has a function of controlling the operation of the power switch 5403.

上記構成を有する半導体装置5400は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。 The semiconductor device 5400 having the above configuration can perform power gating. The flow of power gating operation will be explained using an example.

まず、CPUコア5401が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ5402のレジスタに設定する。次いで、CPUコア5401からパワーコントローラ5402へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置5400内に含まれる各種レジスタとキャッシュ5404が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置5400が有するパワーコントローラ5402以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ5403により停止される。次いで、割り込み信号がパワーコントローラ5402に入力されることで、半導体装置5400が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ5402にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割り込み信号の入力によらずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ5404が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置5407における命令の実行が再開される。 First, the CPU core 5401 sets the timing for stopping the supply of power supply voltage in the register of the power controller 5402. Next, the CPU core 5401 sends a command to the power controller 5402 to start power gating. Next, various registers and cache 5404 included in semiconductor device 5400 start saving data. Next, the supply of power supply voltage to various circuits other than the power controller 5402 included in the semiconductor device 5400 is stopped by the power switch 5403. Next, by inputting an interrupt signal to the power controller 5402, supply of power supply voltage to various circuits included in the semiconductor device 5400 is started. Note that the power controller 5402 may be provided with a counter, and the timing at which supply of the power supply voltage is started may be determined using the counter, instead of depending on the input of the interrupt signal. The various registers and cache 5404 then begin returning data. Execution of instructions in controller 5407 then resumes.

このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、又はプロセッサを構成する一つ、若しくは複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。 Such power gating can be performed on the entire processor or on one or more logic circuits that make up the processor. Furthermore, the power supply can be stopped even for a short period of time. Therefore, power consumption can be reduced spatially or temporally with fine granularity.

パワーゲーティングを行う場合、CPUコア5401や周辺回路5422が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。 When performing power gating, it is preferable that the information held by the CPU core 5401 and peripheral circuits 5422 can be saved in a short period of time. By doing so, the power can be turned on and off in a short period of time, which increases the power saving effect.

CPUコア5401や周辺回路5422が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい(バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ。)。また、SRAMセルがセル内でデータ退避できることが好ましい(バックアップ可能なSRAMセルと呼ぶ。)。バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAMセルは、金属酸化物(好ましくは、In、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAMセルは、長期間電源供給無しでも情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAMセルは、短期間のデータ退避及び復帰が可能となる場合がある。 In order to save the information held by the CPU core 5401 and the peripheral circuit 5422 in a short period of time, it is preferable that the flip-flop circuit can save data within the circuit (referred to as a backup-capable flip-flop circuit). Further, it is preferable that the SRAM cell can save data within the cell (referred to as a backup-capable SRAM cell). A flip-flop circuit or an SRAM cell that can be backed up preferably has a transistor containing a metal oxide (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region. As a result, since the transistor has a low off-state current, a flip-flop circuit or SRAM cell capable of backup can retain information even without power supply for a long period of time. Furthermore, because the transistor has a high switching speed, flip-flop circuits and SRAM cells that can be backed up may be able to save and restore data in a short period of time.

バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図21を用いて説明する。 An example of a flip-flop circuit that can be backed up will be described using FIG. 21.

図21に示す半導体装置5500は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置5500は、第1の記憶回路5501と、第2の記憶回路5502と、第3の記憶回路5503と、読み出し回路5504と、を有する。半導体装置5500には、電位V1と電位V2の電位差が、電源電圧として供給される。電位V1と電位V2は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位V1がローレベル、電位V2がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置5500の構成例について説明するものとする。 A semiconductor device 5500 shown in FIG. 21 is an example of a flip-flop circuit that can be backed up. The semiconductor device 5500 includes a first memory circuit 5501, a second memory circuit 5502, a third memory circuit 5503, and a read circuit 5504. The semiconductor device 5500 is supplied with the potential difference between the potential V1 and the potential V2 as a power supply voltage. One of the potentials V1 and V2 is at a high level, and the other is at a low level. Hereinafter, a configuration example of the semiconductor device 5500 will be described using as an example a case where the potential V1 is at a low level and the potential V2 is at a high level.

第1の記憶回路5501は、半導体装置5500に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Dが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置5500に電源電圧が供給されている期間において、第1の記憶回路5501からは、保持されているデータを含む信号Qが出力される。一方、第1の記憶回路5501は、半導体装置5500に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第1の記憶回路5501は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。 The first memory circuit 5501 has a function of holding data when a signal D including data is input during a period when a power supply voltage is supplied to the semiconductor device 5500. Then, during a period when the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 5500, the first memory circuit 5501 outputs a signal Q including the held data. On the other hand, the first memory circuit 5501 cannot hold data during a period when the power supply voltage is not supplied to the semiconductor device 5500. That is, the first memory circuit 5501 can be called a volatile memory circuit.

第2の記憶回路5502は、第1の記憶回路5501に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する。)機能を有する。第3の記憶回路5503は、第2の記憶回路5502に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する。)機能を有する。読み出し回路5504は、第2の記憶回路5502又は第3の記憶回路5503に保持されたデータを読み出して第1の記憶回路5501に記憶する(あるいは復帰する。)機能を有する。 The second memory circuit 5502 has a function of reading and storing (or saving) data held in the first memory circuit 5501. The third storage circuit 5503 has a function of reading and storing (or saving) the data held in the second storage circuit 5502. The read circuit 5504 has a function of reading data held in the second memory circuit 5502 or the third memory circuit 5503 and storing it in the first memory circuit 5501 (or returning it).

特に、第3の記憶回路5503は、半導体装置5500に電源電圧が供給されてない期間においても、第2の記憶回路5502に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する。)機能を有する。 In particular, the third memory circuit 5503 has a function of reading and storing (or saving) the data held in the second memory circuit 5502 even during a period when the power supply voltage is not supplied to the semiconductor device 5500. have

図21に示すように、第2の記憶回路5502は、トランジスタ5512と、容量素子5519とを有する。第3の記憶回路5503は、トランジスタ5513と、トランジスタ5515と、容量素子5520とを有する。読み出し回路5504は、トランジスタ5510と、トランジスタ5518と、トランジスタ5509と、トランジスタ5517と、を有する。 As shown in FIG. 21, the second memory circuit 5502 includes a transistor 5512 and a capacitor 5519. The third memory circuit 5503 includes a transistor 5513, a transistor 5515, and a capacitor 5520. The read circuit 5504 includes a transistor 5510, a transistor 5518, a transistor 5509, and a transistor 5517.

トランジスタ5512は、第1の記憶回路5501に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子5519に充放電する機能を有する。トランジスタ5512は、第1の記憶回路5501に保持されているデータに応じた電荷を容量素子5519に対して高速に充放電できることが好ましい。具体的には、トランジスタ5512が、結晶性を有するシリコン(好ましくは、多結晶シリコン、さらに好ましくは、単結晶シリコン)をチャネル形成領域に含むことが好ましい。 The transistor 5512 has a function of charging and discharging the capacitor 5519 with charge according to the data held in the first memory circuit 5501. It is preferable that the transistor 5512 can rapidly charge and discharge charges to and from the capacitor 5519 according to the data held in the first memory circuit 5501. Specifically, the transistor 5512 preferably includes crystalline silicon (preferably polycrystalline silicon, more preferably single crystal silicon) in a channel formation region.

トランジスタ5513は、容量素子5519に保持されている電荷に従って導通状態又は非導通状態が選択される。トランジスタ5515は、トランジスタ5513が導通状態であるときに、配線5544の電位に応じた電荷を容量素子5520に充放電する機能を有する。トランジスタ5515は、オフ電流が著しく小さいことが好ましい。具体的には、トランジスタ5515が、金属酸化物(好ましくは、In、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むことが好ましい。 A conductive state or a non-conductive state of the transistor 5513 is selected according to the charge held in the capacitor 5519. The transistor 5515 has a function of charging and discharging the capacitor 5520 with charge according to the potential of the wiring 5544 when the transistor 5513 is conductive. The transistor 5515 preferably has extremely low off-state current. Specifically, the transistor 5515 preferably includes a metal oxide (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in the channel formation region.

各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ5512のソース及びドレインの一方は、第1の記憶回路5501に接続されている。トランジスタ5512のソース及びドレインの他方は、容量素子5519の一方の電極、トランジスタ5513のゲート、及びトランジスタ5518のゲートに接続されている。容量素子5519の他方の電極は、配線5542に接続されている。トランジスタ5513のソース及びドレインの一方は、配線5544に接続されている。トランジスタ5513のソース及びドレインの他方は、トランジスタ5515のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ5515のソース及びドレインの他方は、容量素子5520の一方の電極、及びトランジスタ5510のゲートに接続されている。容量素子5520の他方の電極は、配線5543に接続されている。トランジスタ5510のソース及びドレインの一方は、配線5541に接続されている。トランジスタ5510のソース及びドレインの他方は、トランジスタ5518のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ5518のソース及びドレインの他方は、トランジスタ5509のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ5509のソース及びドレインの他方は、トランジスタ5517のソース及びドレインの一方、及び第1の記憶回路5501に接続されている。トランジスタ5517のソース及びドレインの他方は、配線5540に接続されている。また、図21においては、トランジスタ5509のゲートは、トランジスタ5517のゲートと接続されているが、トランジスタ5509のゲートは、必ずしもトランジスタ5517のゲートと接続されていなくてもよい。 To specifically explain the connection relationship between each element, one of the source and drain of the transistor 5512 is connected to the first memory circuit 5501. The other of the source and drain of the transistor 5512 is connected to one electrode of the capacitor 5519, the gate of the transistor 5513, and the gate of the transistor 5518. The other electrode of capacitive element 5519 is connected to wiring 5542. One of the source and drain of the transistor 5513 is connected to a wiring 5544. The other of the source and drain of transistor 5513 is connected to one of the source and drain of transistor 5515. The other of the source and drain of the transistor 5515 is connected to one electrode of the capacitor 5520 and the gate of the transistor 5510. The other electrode of capacitive element 5520 is connected to wiring 5543. One of the source and drain of the transistor 5510 is connected to a wiring 5541. The other of the source and drain of transistor 5510 is connected to one of the source and drain of transistor 5518. The other of the source and drain of transistor 5518 is connected to one of the source and drain of transistor 5509. The other of the source and drain of the transistor 5509 is connected to one of the source and drain of the transistor 5517 and the first memory circuit 5501. The other of the source and drain of the transistor 5517 is connected to a wiring 5540. Further, although the gate of the transistor 5509 is connected to the gate of the transistor 5517 in FIG. 21, the gate of the transistor 5509 does not necessarily have to be connected to the gate of the transistor 5517.

トランジスタ5515に、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ5515のオフ電流が小さいために、半導体装置5500は、長期間電源供給無しに情報を保持することができる。トランジスタ5515のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置5500は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。 The transistor exemplified in the previous embodiment can be applied to the transistor 5515. Since the off-state current of the transistor 5515 is small, the semiconductor device 5500 can retain information for a long period of time without power supply. Since the transistor 5515 has good switching characteristics, the semiconductor device 5500 can perform high-speed backup and recovery.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure shown in this embodiment can be used in combination with the structures shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の一形態を、図22及び図23を用いて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 22 and 23.

<半導体ウエハ、チップ>
図22(A)は、ダイシング処理が行われる前の基板711の上面図を示している。基板711としては、例えば、半導体基板(「半導体ウエハ」ともいう。)を用いることができる。基板711上には、複数の回路領域712が設けられている。回路領域712には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
<Semiconductor wafers, chips>
FIG. 22A shows a top view of the substrate 711 before the dicing process is performed. As the substrate 711, for example, a semiconductor substrate (also referred to as a "semiconductor wafer") can be used. A plurality of circuit areas 712 are provided on the substrate 711. A semiconductor device according to one embodiment of the present invention or the like can be provided in the circuit region 712.

複数の回路領域712は、それぞれが分離領域713に囲まれている。分離領域713と重なる位置に分離線(「ダイシングライン」ともいう。)714が設定される。分離線714に沿って基板711を切断することで、回路領域712を含むチップ715を、基板711から切り出すことができる。図22(B)に、チップ715の拡大図を示す。 Each of the plurality of circuit regions 712 is surrounded by an isolation region 713. A separation line (also referred to as a “dicing line”) 714 is set at a position overlapping the separation region 713. By cutting the substrate 711 along the separation line 714, a chip 715 including the circuit region 712 can be cut out from the substrate 711. FIG. 22(B) shows an enlarged view of the chip 715.

また、分離領域713に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じ得るESD(Erectro-Static Discharge:静電気放電)を緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行う。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。 Further, a conductive layer, a semiconductor layer, or the like may be provided in the isolation region 713. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, electro-static discharge (ESD) that may occur during the dicing process can be alleviated, and a decrease in yield due to the dicing process can be prevented. Further, the dicing process is generally performed while supplying pure water in which carbon dioxide gas and the like are dissolved to lower the resistivity to the cutting part for the purpose of cooling the substrate, removing chips, preventing static electricity, and the like. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, the amount of pure water used can be reduced. Therefore, the production cost of semiconductor devices can be reduced. Furthermore, productivity of semiconductor devices can be improved.

<電子部品>
チップ715を用いた電子部品の一例について、図23(A)及び図23(B)を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、又はIC用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
<Electronic parts>
An example of an electronic component using the chip 715 will be described with reference to FIGS. 23(A) and 23(B). Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. Electronic components have multiple standards, names, etc., depending on the direction in which the terminal is taken out, the shape of the terminal, etc.

電子部品は、組み立て工程(後工程)において、上記実施の形態に示した半導体装置と当該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。 An electronic component is completed by combining the semiconductor device shown in the above embodiment mode and components other than the semiconductor device in an assembly process (post-process).

図23(A)に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において、基板711に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板711の裏面(半導体装置などが形成されていない面)を研削する「裏面研削工程」を行う(ステップS721)。研削により基板711を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。 The post-process will be explained using the flowchart shown in FIG. 23(A). In the pre-process, after a semiconductor device or the like according to one embodiment of the present invention is formed on the substrate 711, a "back surface grinding step" is performed in which the back surface of the substrate 711 (the surface on which the semiconductor device or the like is not formed) is ground (step S721). ). By making the substrate 711 thinner by grinding, it is possible to downsize the electronic component.

次に、基板711を複数のチップ715に分離する「ダイシング工程」を行う(ステップS722)。そして、分離したチップ715を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う(ステップS723)。ダイボンディング工程におけるチップ715とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、又はテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ715を接合してもよい。 Next, a "dicing process" is performed to separate the substrate 711 into a plurality of chips 715 (step S722). Then, a "die bonding process" is performed to bond the separated chips 715 onto individual lead frames (step S723). For bonding the chip 715 and the lead frame in the die bonding process, an appropriate method is selected depending on the product, such as bonding with resin or bonding with tape. Note that the chip 715 may be bonded onto an interposer substrate instead of the lead frame.

次いで、リードフレームのリードとチップ715上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う(ステップS724)。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、又はウェッジボンディングを用いることができる。 Next, a "wire bonding process" is performed to electrically connect the leads of the lead frame and the electrodes on the chip 715 using thin metal wires (step S724). Silver wire, gold wire, etc. can be used as the thin metal wire. Further, as the wire bonding, for example, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップ715は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程(モールド工程)」が施される(ステップS725)。封止工程を行うことで、電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ715とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また、水分、埃などによる電気特性の劣化(信頼性の低下)を低減させることができる。 The wire-bonded chip 715 is subjected to a "sealing process (molding process)" in which it is sealed with an epoxy resin or the like (step S725). By performing the sealing process, the inside of the electronic component is filled with resin, and the wires that connect the chip 715 and the leads can be protected from mechanical external forces, and the electrical characteristics can be prevented from deteriorating due to moisture, dust, etc. (deterioration in reliability) can be reduced.

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行う(ステップS726)。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断及び成形加工する「成形加工工程」を行う(ステップS727)。 Next, a "lead plating process" is performed to plate the leads of the lead frame (step S726). The plating treatment prevents the leads from rusting, making it possible to more reliably solder them later when mounting them on a printed circuit board. Next, a "forming process" for cutting and molding the lead is performed (step S727).

次いで、パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す「マーキング工程」を行う(ステップS728)。そして、外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」(ステップS729)を経て、電子部品が完成する。 Next, a "marking process" is performed in which a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S728). Then, the electronic component is completed through an "inspection process" (step S729) to check whether the external shape is good or not, whether there are malfunctions, etc.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図23(B)に示す。図23(B)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図23(B)に示す電子部品750は、リード755及びチップ715を有する。電子部品750は、チップ715を複数有していてもよい。 Furthermore, a schematic perspective view of the completed electronic component is shown in FIG. 23(B). FIG. 23B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. The electronic component 750 shown in FIG. 23(B) has leads 755 and a chip 715. The electronic component 750 may include a plurality of chips 715.

図23(B)に示す電子部品750は、例えば、プリント基板752に実装される。このような電子部品750が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板752上で電気的に接続されることで、電子部品が実装された基板(実装基板754)が完成する。完成した実装基板754は、電子機器などに用いられる。 The electronic component 750 shown in FIG. 23(B) is mounted on, for example, a printed circuit board 752. A plurality of such electronic components 750 are combined and electrically connected to each other on the printed circuit board 752, thereby completing a board (mounted board 754) on which the electronic components are mounted. The completed mounting board 754 is used for electronic devices and the like.

本実施の形態は、他の実施の形態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 mode can be implemented in appropriate combination with the structures described in other embodiment modes.

(実施の形態8)
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図24に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
(Embodiment 8)
<Electronic equipment>
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used in various electronic devices. FIG. 24 shows a specific example of an electronic device using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

図24(A)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、車体2981、車輪2982、ダッシュボード2983、及びライト2984等を有する。また、自動車2980は、アンテナ、バッテリなどを備える。 FIG. 24(A) is an external view showing an example of an automobile. The automobile 2980 has a body 2981, wheels 2982, a dashboard 2983, lights 2984, and the like. The car 2980 also includes an antenna, a battery, and the like.

図24(B)に示す情報端末2910は、筐体2911、表示部2912、マイク2917、スピーカ部2914、カメラ2913、外部接続部2916、及び操作スイッチ2915等を有する。表示部2912には、可撓性基板が用いられた表示パネル及びタッチスクリーンを備える。また、情報端末2910は、筐体2911の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2910は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。 The information terminal 2910 shown in FIG. 24B includes a housing 2911, a display portion 2912, a microphone 2917, a speaker portion 2914, a camera 2913, an external connection portion 2916, an operation switch 2915, and the like. The display portion 2912 includes a display panel using a flexible substrate and a touch screen. The information terminal 2910 also includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911. The information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet information terminal, a tablet personal computer, an electronic book terminal, or the like.

図24(C)に示すノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921、表示部2922、キーボード2923、及びポインティングデバイス2924等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。 A notebook personal computer 2920 shown in FIG. 24C includes a housing 2921, a display portion 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like. The notebook personal computer 2920 also includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2921.

図24(D)に示すビデオカメラ2940は、筐体2941、筐体2942、表示部2943、操作スイッチ2944、レンズ2945、及び接続部2946等を有する。操作スイッチ2944及びレンズ2945は筐体2941に設けられており、表示部2943は筐体2942に設けられている。また、ビデオカメラ2940は、筐体2941の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体2941と筐体2942は、接続部2946により接続されており、筐体2941と筐体2942の間の角度は、接続部2946により変えることが可能な構造となっている。筐体2941に対する筐体2942の角度によって、表示部2943に表示される画像の向きの変更や、画像の表示/非表示の切り換えを行うことができる。 A video camera 2940 shown in FIG. 24(D) includes a housing 2941, a housing 2942, a display portion 2943, an operation switch 2944, a lens 2945, a connecting portion 2946, and the like. The operation switch 2944 and the lens 2945 are provided in the casing 2941, and the display section 2943 is provided in the casing 2942. The video camera 2940 also includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2941. The casing 2941 and the casing 2942 are connected by a connecting part 2946, and the angle between the casing 2941 and the casing 2942 can be changed by the connecting part 2946. Depending on the angle of the casing 2942 with respect to the casing 2941, the orientation of the image displayed on the display section 2943 can be changed and the display/non-display of the image can be switched.

図24(E)にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末2950は、筐体2951、及び表示部2952等を有する。また、情報端末2950は、筐体2951の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部2952は、曲面を有する筐体2951に支持されている。表示部2952には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末2950を提供することができる。 FIG. 24(E) shows an example of a bangle-type information terminal. The information terminal 2950 includes a housing 2951, a display section 2952, and the like. Furthermore, the information terminal 2950 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2951. The display portion 2952 is supported by a housing 2951 having a curved surface. Since the display section 2952 includes a display panel using a flexible substrate, it is possible to provide the information terminal 2950 that is flexible, lightweight, and easy to use.

図24(F)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末2960は、筐体2961、表示部2962、バンド2963、バックル2964、操作スイッチ2965、入出力端子2966などを備える。また、情報端末2960は、筐体2961の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2960は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。 FIG. 24(F) shows an example of a wristwatch-type information terminal. The information terminal 2960 includes a housing 2961, a display section 2962, a band 2963, a buckle 2964, an operation switch 2965, an input/output terminal 2966, and the like. The information terminal 2960 also includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2961. Information terminal 2960 can run various applications such as mobile telephony, e-mail, text viewing and creation, music playback, Internet communication, computer games, etc.

表示部2962の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部2962はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部2962に表示されたアイコン2967に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ2965は、時刻設定の他、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末2960に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ2965の機能を設定することもできる。 The display surface of the display portion 2962 is curved, and display can be performed along the curved display surface. Further, the display section 2962 includes a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, by touching an icon 2967 displayed on the display section 2962, an application can be started. In addition to setting the time, the operation switch 2965 can have various functions such as turning on and off the power, turning on and off wireless communication, executing and canceling silent mode, and executing and canceling power saving mode. . For example, the functions of the operation switch 2965 can be set using an operating system built into the information terminal 2960.

また、情報端末2960は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば、無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末2960は入出力端子2966を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやり取りを行うことができる。また、入出力端子2966を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子2966を介さずに無線給電により行ってもよい。 Further, the information terminal 2960 is capable of performing short-range wireless communication according to communication standards. For example, by communicating with a headset capable of wireless communication, it is also possible to make hands-free calls. Furthermore, the information terminal 2960 is equipped with an input/output terminal 2966, and can directly exchange data with other information terminals via a connector. Further, charging can also be performed via the input/output terminal 2966. Note that the charging operation may be performed by wireless power supply without using the input/output terminal 2966.

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。 For example, a storage device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can retain control information, control programs, and the like for the electronic device described above for a long period of time. By using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be achieved.

本実施の形態は、他の実施の形態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 mode can be implemented in appropriate combination with the structures described in other embodiment modes.

10:トランジスタ、11:トランジスタ、12:トランジスタ、13:トランジスタ、100:絶縁体、102:絶縁体、105:絶縁体、110:絶縁体、112:導電体、120:導電体、120_1:導電体、120_2:導電体、120a:導電体、120b:導電体、130:絶縁体、130_1:絶縁体、130_2:絶縁体、130a:絶縁体、130b:絶縁体、140:導電体、140_1:導電体、140_2:導電体、140a:導電体、140b:導電体、145:開口、150:酸化物、150_1:酸化物、150_2:酸化物、150a:酸化物、150b:酸化物、150c:酸化物、151:酸化物、160:絶縁体、161:絶縁体、170:導電体、171:導電体、175:絶縁体、176:絶縁体、178:絶縁体、180:絶縁体、185:導電体、185_1:導電体、185_2:導電体、185a:導電体、185b:導電体、190:導電体、190_1:導電体、190_2:導電体、190a:導電体、190b:導電体、195:導電体、195_1:導電体、195_2:導電体、195a:導電体、195b:導電体、200:導電体、200_1:導電体、200_2:導電体、200a:導電体、200b:導電体、210:絶縁体、218:導電体、246:導電体、248:導電体、311:基板、313:半導体領域、314a:低抵抗領域、314b:低抵抗領域、315:絶縁体、316:導電体、320:絶縁体、322:絶縁体、324:絶縁体、326:絶縁体、328:導電体、330:導電体、350:絶縁体、352:絶縁体、354:絶縁体、356:導電体、360:絶縁体、362:絶縁体、364:絶縁体、366:導電体、370:絶縁体、372:絶縁体、374:絶縁体、376:導電体、380:絶縁体、382:絶縁体、384:絶縁体、386:導電体、711:基板、712:回路領域、713:分離領域、714:分離線、715:チップ、750:電子部品、752:プリント基板、754:実装基板、755:リード、1000:容量素子、1100:導電体、1200:導電体、1300:絶縁体、1400:DOSRAM、1405:コントローラ、1410:行回路、1411:デコーダ、1412:ワード線ドライバ回路、1413:列セレクタ、1414:センスアンプドライバ回路、1415:列回路、1416:グローバルセンスアンプアレイ、1417:入出力回路、1420:メモリセル及びセンスアンプアレイ、1422:メモリセルアレイ、1423:センスアンプアレイ、1425:ローカルメモリセルアレイ、1426:ローカルセンスアンプアレイ、1444:スイッチアレイ、1445:メモリセル、1446:センスアンプ、1447:グローバルセンスアンプ、1500:絶縁体、1600:NOSRAM、1610:メモリセルアレイ、1611:メモリセル、1612:メモリセル、1613:メモリセル、1614:メモリセル、1640:コントローラ、1650:行ドライバ、1651:行デコーダ、1652:ワード線ドライバ、1660:列ドライバ、1661:列デコーダ、1662:書き込みドライバ、1663:DAC、1670:出力ドライバ、1671:セレクタ、1672:ADC、1673:出力バッファ、2000:トランジスタ、2910:情報端末、2911:筐体、2912:表示部、2913:カメラ、2914:スピーカ部、2915:操作スイッチ、2916:外部接続部、2917:マイク、2920:ノート型パーソナルコンピュータ、2921:筐体、2922:表示部、2923:キーボード、2924:ポインティングデバイス、2940:ビデオカメラ、2941:筐体、2942:筐体、2943:表示部、2944:操作スイッチ、2945:レンズ、2946:接続部、2950:情報端末、2951:筐体、2952:表示部、2960:情報端末、2961:筐体、2962:表示部、2963:バンド、2964:バックル、2965:操作スイッチ、2966:入出力端子、2967:アイコン、2980:自動車、2981:車体、2982:車輪、2983:ダッシュボード、2984:ライト、3000:トランジスタ、3001:配線、3002:配線、3003:配線、3004:配線、3005:配線、3110:OS-FPGA、3111:コントローラ、3112:ワードドライバ、3113:データドライバ、3115:プログラマブルエリア、3117:IOB、3119:コア、3120:LAB、3121:PLE、3123:LUTブロック、3124:レジスタブロック、3125:セレクタ、3126:CM、3127:パワースイッチ、3128:CM、3130:SAB、3131:SB、3133:PRS、3133[0]:PRS、3133[1]:PRS、3135:CM、3137:メモリ回路、3137B:メモリ回路、3140:OS-FF、3140[1]:OS-FF、3140[2]:OS-FF、3141:FF、3142:シャドウレジスタ、3143:メモリ回路、3143B:メモリ回路、3188:インバータ回路、3189:インバータ回路、5400:半導体装置、5401:CPUコア、5402:パワーコントローラ、5403:パワースイッチ、5404:キャッシュ、5405:バスインターフェース、5406:デバッグインターフェース、5407:制御装置、5408:PC、5409:パイプラインレジスタ5410:パイプラインレジスタ、5411:ALU、5412:レジスタファイル、5421:パワーマネージメントユニット、5422:周辺回路、5423:データバス、5500:半導体装置、5501:記憶回路、5502:記憶回路、5503:記憶回路、5504:読み出し回路、5509:トランジスタ、5510:トランジスタ、5512:トランジスタ、5513:トランジスタ、5515:トランジスタ、5517:トランジスタ、5518:トランジスタ、5519:容量素子、5520:容量素子、5540:配線、5541:配線、5542:配線、5543:配線
5544 配線
10: transistor, 11: transistor, 12: transistor, 13: transistor, 100: insulator, 102: insulator, 105: insulator, 110: insulator, 112: conductor, 120: conductor, 120_1: conductor , 120_2: conductor, 120a: conductor, 120b: conductor, 130: insulator, 130_1: insulator, 130_2: insulator, 130a: insulator, 130b: insulator, 140: conductor, 140_1: conductor , 140_2: conductor, 140a: conductor, 140b: conductor, 145: opening, 150: oxide, 150_1: oxide, 150_2: oxide, 150a: oxide, 150b: oxide, 150c: oxide, 151: oxide, 160: insulator, 161: insulator, 170: conductor, 171: conductor, 175: insulator, 176: insulator, 178: insulator, 180: insulator, 185: conductor, 185_1: conductor, 185_2: conductor, 185a: conductor, 185b: conductor, 190: conductor, 190_1: conductor, 190_2: conductor, 190a: conductor, 190b: conductor, 195: conductor, 195_1: conductor, 195_2: conductor, 195a: conductor, 195b: conductor, 200: conductor, 200_1: conductor, 200_2: conductor, 200a: conductor, 200b: conductor, 210: insulator, 218: conductor, 246: conductor, 248: conductor, 311: substrate, 313: semiconductor region, 314a: low resistance region, 314b: low resistance region, 315: insulator, 316: conductor, 320: insulator , 322: insulator, 324: insulator, 326: insulator, 328: conductor, 330: conductor, 350: insulator, 352: insulator, 354: insulator, 356: conductor, 360: insulator , 362: insulator, 364: insulator, 366: conductor, 370: insulator, 372: insulator, 374: insulator, 376: conductor, 380: insulator, 382: insulator, 384: insulator , 386: conductor, 711: board, 712: circuit area, 713: separation area, 714: separation line, 715: chip, 750: electronic component, 752: printed board, 754: mounting board, 755: lead, 1000: Capacitive element, 1100: Conductor, 1200: Conductor, 1300: Insulator, 1400: DOSRAM, 1405: Controller, 1410: Row circuit, 1411: Decoder, 1412: Word line driver circuit, 1413: Column selector, 1414: Sense Amplifier driver circuit, 1415: Column circuit, 1416: Global sense amplifier array, 1417: Input/output circuit, 1420: Memory cell and sense amplifier array, 1422: Memory cell array, 1423: Sense amplifier array, 1425: Local memory cell array, 1426: Local sense amplifier array, 1444: Switch array, 1445: Memory cell, 1446: Sense amplifier, 1447: Global sense amplifier, 1500: Insulator, 1600: NOSRAM, 1610: Memory cell array, 1611: Memory cell, 1612: Memory cell, 1613: Memory cell, 1614: Memory cell, 1640: Controller, 1650: Row driver, 1651: Row decoder, 1652: Word line driver, 1660: Column driver, 1661: Column decoder, 1662: Write driver, 1663: DAC, 1670 : output driver, 1671: selector, 1672: ADC, 1673: output buffer, 2000: transistor, 2910: information terminal, 2911: housing, 2912: display section, 2913: camera, 2914: speaker section, 2915: operation switch, 2916: External connection section, 2917: Microphone, 2920: Laptop personal computer, 2921: Housing, 2922: Display section, 2923: Keyboard, 2924: Pointing device, 2940: Video camera, 2941: Housing, 2942: Housing , 2943: Display section, 2944: Operation switch, 2945: Lens, 2946: Connection section, 2950: Information terminal, 2951: Housing, 2952: Display section, 2960: Information terminal, 2961: Housing, 2962: Display section, 2963: band, 2964: buckle, 2965: operation switch, 2966: input/output terminal, 2967: icon, 2980: car, 2981: car body, 2982: wheel, 2983: dashboard, 2984: light, 3000: transistor, 3001: Wiring, 3002: Wiring, 3003: Wiring, 3004: Wiring, 3005: Wiring, 3110: OS-FPGA, 3111: Controller, 3112: Word driver, 3113: Data driver, 3115: Programmable area, 3117: IOB, 3119: Core , 3120: LAB, 3121: PLE, 3123: LUT block, 3124: Register block, 3125: Selector, 3126: CM, 3127: Power switch, 3128: CM, 3130: SAB, 3131: SB, 3133: PRS, 3133 [ 0]: PRS, 3133[1]: PRS, 3135: CM, 3137: Memory circuit, 3137B: Memory circuit, 3140: OS-FF, 3140[1]: OS-FF, 3140[2]: OS-FF, 3141: FF, 3142: Shadow register, 3143: Memory circuit, 3143B: Memory circuit, 3188: Inverter circuit, 3189: Inverter circuit, 5400: Semiconductor device, 5401: CPU core, 5402: Power controller, 5403: Power switch, 5404 : cache, 5405: bus interface, 5406: debug interface, 5407: control device, 5408: PC, 5409: pipeline register 5410: pipeline register, 5411: ALU, 5412: register file, 5421: power management unit, 5422: Peripheral circuit, 5423: Data bus, 5500: Semiconductor device, 5501: Memory circuit, 5502: Memory circuit, 5503: Memory circuit, 5504: Readout circuit, 5509: Transistor, 5510: Transistor, 5512: Transistor, 5513: Transistor, 5515 : Transistor, 5517: Transistor, 5518: Transistor, 5519: Capacitive element, 5520: Capacitive element, 5540: Wiring, 5541: Wiring, 5542: Wiring, 5543: Wiring 5544 Wiring

Claims (5)

チャネル形成領域を有する半導体層と、
ゲート絶縁膜として機能する領域を有する第1の絶縁層と、
ゲート電極として機能する領域を有する第1の導電層と、
ソース電極又はドレイン電極の一方として機能する領域を有する第2の導電層と、
前記第2の導電層上方の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上方のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する領域を有する第3の導電層と、を有し、
前記半導体層は、前記第2の導電層の側面と接する領域と、前記第2の絶縁層の側面と接する領域と、前記第3の導電層の側面と接する領域と、を有し、
前記第1の導電層は、前記第1の絶縁層に挟まれた領域を有し、
前記半導体層は、前記第3の導電層の上面と接する領域を有し、
前記第1の絶縁層は、前記半導体層を介して、前記第3の導電層の上面と重なる領域を有し、
前記第1の導電層は、前記半導体層及び前記第1の絶縁層を介して、前記第3の導電層の上面と重なる領域を有する、半導体装置。
a semiconductor layer having a channel forming region;
a first insulating layer having a region functioning as a gate insulating film;
a first conductive layer having a region functioning as a gate electrode;
a second conductive layer having a region functioning as either a source electrode or a drain electrode;
a second insulating layer above the second conductive layer;
a third conductive layer having a region functioning as the other of the source electrode or the drain electrode above the second insulating layer;
The semiconductor layer has a region in contact with a side surface of the second conductive layer, a region in contact with a side surface of the second insulating layer, and a region in contact with a side surface of the third conductive layer,
The first conductive layer has a region sandwiched between the first insulating layers,
The semiconductor layer has a region in contact with the upper surface of the third conductive layer,
The first insulating layer has a region that overlaps with the upper surface of the third conductive layer via the semiconductor layer,
A semiconductor device , wherein the first conductive layer has a region that overlaps with an upper surface of the third conductive layer via the semiconductor layer and the first insulating layer .
請求項1において、
断面視において、前記チャネル形成領域のチャネル長方向は、基板面に対して垂直又は略垂直な方向である、半導体装置。
In claim 1,
In the semiconductor device, the channel length direction of the channel forming region is perpendicular or substantially perpendicular to the substrate surface in a cross-sectional view.
請求項1において、
断面視において、前記チャネル形成領域のチャネル長方向は、基板面に対して60°以上120°以下の方向である、半導体装置。
In claim 1,
In the semiconductor device, when viewed in cross section, the channel length direction of the channel forming region is in a direction of 60° or more and 120° or less with respect to the substrate surface.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第2の絶縁層の膜厚は、1nm以上100nm以下である、半導体装置。
In any one of claims 1 to 3,
The semiconductor device, wherein the second insulating layer has a thickness of 1 nm or more and 100 nm or less.
請求項1乃至請求項のいずれか一において、
前記半導体層は、金属酸化物を含む、半導体装置。
In any one of claims 1 to 4 ,
A semiconductor device, wherein the semiconductor layer includes a metal oxide.
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