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JP6884569B2 - 半導体装置及びその作製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。本発明の一態様は、半導体装置、発光装置、表示装置、電子機器、照明装置、及びそれらの作製方法に関する。特に、本発明の一態様は、LSI、CPU、電源回路に搭載されるパワーデバイス、メモリ、サイリスタ、コンバータ、およびイメージセンサなどを含む半導体集積回路を部品として搭載した電子機器に関する。また、例えば、有機エレクトロルミネッセンス(Electroluminescence、以下ELとも記す)現象を利用した発光装置とその作製方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。
なお、本明細書中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うる装置全般を指す。電気光学装置、半導体回路および電子機器は半導体装置を有する場合がある。
近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウェハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタ及びメモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
LSIやCPUやメモリなどの半導体回路(ICチップ)は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよりも動作が速く、多結晶シリコンを用いたトランジスタよりも製造が容易であるものの、電気的特性が変動しやすく信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス−熱ストレス試験(BT試験)前後において、トランジスタのしきい値電圧は変動してしまうことがある。
特開2012−257187号公報
本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置の信頼性を向上することを目的とする。また、酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオンの特性になりやすく、駆動回路内に適切に動作する論理回路を設けることが難しいという問題がある。そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、ノーマリーオフの特性を得ることを目的とする。
また、信頼性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。または、非導通状態において極めてリーク電流が抑制されたトランジスタを提供することを課題の一とする。
または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、歩留まりの高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、占有面積の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。
または、集積度の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、動作速度の速い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、消費電力の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。
または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
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。
本発明の一態様は、基板上に酸素、及び水素に対してバリア性を有する第1のバリア層と、第1のバリア性を有する層上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の第2の絶縁体と、第2の絶縁体上の第3の絶縁体と、第3の絶縁体上の酸化物半導体を有するトランジスタと、トランジスタ上の過剰酸素領域を有する第4の絶縁体と、を有し、第4の絶縁体上の酸素、及び水素に対してバリア性を有する第2のバリア層と、を有し、トランジスタは、耐酸化性を有する第1の導電体、耐酸化性を有する第2の導電体、および耐酸化性を有する第3の導電体を有し、第2の絶縁体はhigh−k材料を有し、第1のバリア層、及び第2のバリア層は、トランジスタが設けられた領域の外縁において、第1のバリア層と、第2のバリア層とが接することにより、トランジスタは、第1のバリア層、及び第2のバリア層とに包囲されている。
上記構成において、第1の導電体、第2の導電体、および第3の導電体は、窒化タンタルである。
上記構成において、第1のバリア層、および第2のバリア層は、TDS分析により、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した水素の脱離量が、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下である窒化シリコンである。
上記構成において、第1のバリア層、および第2のバリア層は、酸化アルミニウムである。
上記構成において、第1のバリア層、および第2のバリア層は、酸化アルミニウムと、TDS分析により、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した水素の脱離量が、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下である窒化シリコンの積層構造である。
本発明の一態様は、基板上に酸素、及び水素に対してバリア性を有する第1のバリア層を形成し、第1のバリア性を有する層上に、第1の導電体を形成し、第1の導電体上に、第1の絶縁体を形成し、第1の絶縁体上に、high−k材料からなる第2の絶縁体を形成し、第2の絶縁体上に、第3の絶縁体を形成し、第3の絶縁体上に、第1の酸化物半導体を形成し、第1の酸化物半導体上に、耐酸化性を有する第2の導電体を形成し、第2の導電体を、島状に加工し、島状の第2の導電体をマスクとして、第1の酸化物半導体、第3の絶縁体を、島状に加工し、加熱処理を行った後、島状の第2の導電体を加工することで、第3の導電体、および第4の導電体を形成し、第1の酸化物半導体、第3の導電体、および第4の導電体上に、第2の酸化物半導体を形成し、第2の酸化物半導体上に、第4の絶縁体を形成し、第4の絶縁体上に、耐酸化性を有する島状の第5の導電体を形成し、第4の絶縁体、および第5の導電体上に、第5の絶縁体を形成し、第5の絶縁体に、第3の導電体、第4の導電体、および第5の導電体に達する開口を形成し、開口に第6の導電体を形成し、第6の導電体上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第2のバリア層を形成し、第3のバリア層、および第5の絶縁体に対して、酸素プラズマ処理を行った後、第2のバリア層、および第5の絶縁体上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第3のバリア層を形成する。
上記構成において、第1のバリア層、および第3のバリア層は、スパッタリング法により形成する。
上記構成において、第5の導電体は、ALD法により形成された窒化タンタルと、スパッタリング法により形成された窒化タンタルの積層構造である。
酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
または、新規な半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。
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。
実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の回路図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の回路図及び断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 本発明に係る酸化物半導体の原子数比の範囲を説明する図。 InMZnOの結晶を説明する図。 酸化物半導体の積層構造におけるバンド図。 CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。 CAAC−OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。 nc−OSの電子回折パターンを示す図、およびnc−OSの断面TEM像。 a−like OSの断面TEM像。 In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図及びブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図、上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図および断面図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。 実施例に係る試料のSIMS測定の測定結果を説明する図。 実施例に係る試料のSIMS測定の測定結果を説明する図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、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。
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。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。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。
また、本明細書などにおいて、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。
また、本明細書において、「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。従って、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。
また、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うる装置全般を指す。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。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
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、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して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、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
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ものとする。
なお、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ものであって、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、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ものであって、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
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。または、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。
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。
例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。
XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)との間の経路であり、前記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有しておらず、前記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、前記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、前記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、および電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図1乃至図9を用いて説明する。
<トランジスタ構造1>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの一例について説明する。図1(A)、図1(B)、および図1(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図および断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(B)は、図1(A)に示す一点鎖線X1−X2、図1(C)は、一点鎖線Y1−Y2に対応する断面図である。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ200は、ゲート電極として機能する導電体205(導電体205a、および導電体205b)、および導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体250と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体240aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体240bと、過剰酸素を有する絶縁体280と、バリア性を有する絶縁体282と、を有する。
また、酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。なお、トランジスタ200をオンさせると、主として酸化物230bに電流が流れる(チャネルが形成される)。一方、酸化物230aおよび酸化物230cは、酸化物230bとの界面近傍(混合領域となっている場合もある)は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
また、図1に示すように、酸化物230cは、酸化物230a、および酸化物230bの側面を覆うように設けることが好ましい。絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230cが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。
導電体205には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等が用いられる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、酸化しにくい(耐酸化性が高い)ため、好ましい。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。
例えば、導電体205aとして、水素に対するバリア性を有する導電体として、窒化タンタル等を用い、導電体205bとして、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物230への水素の拡散を抑制することができる。なお、図1では、導電体205a、および導電体205bの2層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層でも3層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
絶縁体220、および絶縁体224は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。特に、絶縁体224として過剰酸素を含む(化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む)絶縁体を用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、トランジスタ200を構成する酸化物に接して設けることにより、酸化物中の酸素欠損を補償することができる。なお、絶縁体222と絶縁体224とは、必ずしも同じ材料を用いなくともよい。
絶縁体222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、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)または(Ba,Sr)TiO(BST)などを含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
絶縁体220及び絶縁体224の間に、high−k材料を含む絶縁体222を有することで、特定の条件で絶縁体222が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体222が負に帯電する場合がある。
例えば、絶縁体220、および絶縁体224に、酸化シリコンを用い、絶縁体222に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度(例えば、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、導電体205の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、10ミリ秒以上、代表的には1分以上維持することで、トランジスタ200を構成する酸化物から導電体205に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体222の電子捕獲準位に捕獲される。
絶縁体222の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体205の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは、前工程(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。
また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の合計膜厚が薄くすることで導電体205からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の合計膜厚は、65nm以下、好ましくは20nm以下であることが好ましい。
従って、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。
酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cは、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、またはSn)等の金属酸化物で形成される。また、酸化物230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。
以下に、本発明に係る酸化物230について説明する。
酸化物230に用いる酸化物としては、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここで、酸化物が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、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。
まず、図30(A)、図30(B)、および図30(C)を用いて、本発明に係る酸化物が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図30には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。
図30(A)、図30(B)、および図30(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。
また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、及び[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比となるラインを表す。
また、二点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+γ):2:(1−γ)の原子数比(−1≦γ≦1)となるラインを表す。また、図30に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比、およびその近傍値の酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
図30(A)および図30(B)では、本発明の一態様の酸化物が有する、インジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
一例として、図31に、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1である、InMZnOの結晶構造を示す。また、図31は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZnOの結晶構造である。なお、図31に示すM、Zn、酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)における金属元素は、元素Mまたは亜鉛を表している。この場合、元素Mと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Mと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。
InMZnOは、層状の結晶構造(層状構造ともいう)をとり、図31に示すように、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)が1に対し、元素M、亜鉛、および酸素を有する(M,Zn)層が2となる。
また、インジウムと元素Mは、互いに置換可能である。そのため、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換し、(In,M,Zn)層と表すこともできる。その場合、In層が1に対し、(In,M,Zn)層が2である層状構造をとる。
[In]:[M]:[Zn]=1:1:2となる原子数比の酸化物は、In層が1に対し、(M,Zn)層が3である層状構造をとる。つまり、[In]および[M]に対し[Zn]が大きくなると、酸化物が結晶化した場合、In層に対する(M,Zn)層の割合が増加する。
ただし、酸化物中において、In層が1層に対し、(M,Zn)層の層数が非整数である場合、In層が1層に対し、(M,Zn)層の層数が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1.5である場合、In層が1に対し、(M,Zn)層が2である層状構造と、(M,Zn)層が3である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
例えば、酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。
また、酸化物中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比の近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、[In]:[M]:[Zn]=1:0:0を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界(グレインバウンダリーともいう)が形成される場合がある。
また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。これは、インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物では、主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、s軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物はインジウムの含有率が低い酸化物と比較してキャリア移動度が高くなるためである。
一方、酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0を示す原子数比、およびその近傍値である原子数比(例えば図30(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くなる。
従って、本発明の一態様の酸化物は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図30(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。
また、図30(B)に示す領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。領域Bで示される原子数比を有する酸化物は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物である。
なお、酸化物が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。
続いて、上記酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。
なお、上記酸化物をトランジスタに用いることで、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物を用いることが好ましい。例えば、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。
なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、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。
また、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酸化物にチャネル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。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、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、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。
ここで、酸化物中における各不純物の影響について説明する。
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、酸化物において欠陥準位が形成される。このため、酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、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。
また、酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。
また、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酸化物を半導体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。従って、該酸化物において、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、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。
また、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。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。従って、水素が含まれている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、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、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。
不純物が十分に低減された酸化物をトランジスタのチャネル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。
続いて、該酸化物を2層構造、または3層構造とした場合について述べる。酸化物S1、酸化物S2、および酸化物S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物S1および酸化物S2の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物S2および酸化物S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図32を用いて説明する。
図32(A)は、絶縁体I1、酸化物S1、酸化物S2、酸化物S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図32(B)は、絶縁体I1、酸化物S2、酸化物S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図32(C)は、絶縁体I1、酸化物S1、酸化物S2、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体I1、酸化物S1、酸化物S2、酸化物S3、及び絶縁体I2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。
酸化物S1、酸化物S3は、酸化物S2よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物S2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物S1、酸化物S3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。すなわち、酸化物S1、酸化物S3の電子親和力と、酸化物S2の電子親和力との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。
図32(A)、図32(B)、および図32(C)に示すように、酸化物S1、酸化物S2、酸化物S3において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド図を有するためには、酸化物S1と酸化物S2との界面、または酸化物S2と酸化物S3との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物S1と酸化物S2、酸化物S2と酸化物S3が、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物S2がIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物S1、酸化物S3として、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物S2となる。酸化物S1と酸化物S2との界面、および酸化物S2と酸化物S3との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物S1、酸化物S3を設けることにより、トラップ準位を酸化物S2より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。
酸化物S1、酸化物S3は、酸化物S2と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物S2、酸化物S2と酸化物S1との界面、および酸化物S2と酸化物S3との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物S1、酸化物S3には、図30(C)において、絶縁性が高くなる領域Cで示す原子数比の酸化物を用いればよい。なお、図30(C)に示す領域Cは、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、またはその近傍値である原子数比を示している。
特に、酸化物S2に領域Aで示される原子数比の酸化物を用いる場合、酸化物S1および酸化物S3には、[M]/[In]が1以上、好ましくは2以上である酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物S3として、十分に高い絶縁性を得ることができる[M]/([Zn]+[In])が1以上である酸化物を用いることが好適である。
絶縁体250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、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)または(Ba,Sr)TiO(BST)などを含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体250は、絶縁体224と同様に、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。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減することができる。
また、絶縁体250は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることができる。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
なお、絶縁体250は、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224と同様の積層構造を有していてもよい。絶縁体250が、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させた絶縁体を有することで、トランジスタ200は、しきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。当該構成を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
また、図1に示す半導体装置において、酸化物230と導電体260の間に、絶縁体250の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、酸化物230cにバリア性があるものを用いてもよい。
例えば、過剰酸素を含む絶縁膜を酸化物230に接して設け、さらにバリア膜で包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物230への水素等の不純物の侵入を防ぐことができる。
導電体240aと、および導電体240bは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
導電体240aと、導電体240bとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
また、図では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層するとよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
また、ゲート電極として機能を有する導電体260は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、図では2層構造を示したが、単層、または3層以上の積層構造としてもよい。
なお、2層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。例えば、導電体260aは、熱CVD法、MOCVD法または原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成する。特に、ALD法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。
続いて、導電体260bはスパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体250上に、導電体260aを有することで、導電体260bの成膜時のダメージが、絶縁体250に影響することを抑制することができる。また、ALD法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。
また、例えば、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造とするとよい。また、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
また、導電体260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、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。
続いて、トランジスタ200の上方には、絶縁体280、および絶縁体282を設ける。
絶縁体280には、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を用いることが好ましい。つまり、絶縁体280には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域(以下、過剰酸素領域ともいう)が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ200の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/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、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
また、トランジスタ200を覆う絶縁体280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。
絶縁体282は、例えば、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
上記構成を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、上記構成を有するトランジスタを半導体装置に用いることで、半導体装置の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
<トランジスタ構造2>
図2には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図2(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図2(A)において一部の膜は省略されている。また、図2(B)は、図2(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図2(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
なお、図2に示すトランジスタ200において、図1に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図2に示す構造は、ゲート電極と機能する導電体260が、導電体260a、導電体260b、導電体260cを有する。また、酸化物230cは、酸化物230bの側面を覆っていればよく、絶縁体224上で切断されていてもよい。
導電体260aは、熱CVD法、MOCVD法またはALD法を用いて形成する。特に、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対するプラズマによるダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。
また、導電体260bは、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いて形成する。さらに、導電体260b上に形成する導電体260cは、窒化タングステンなどの耐酸化性が高い導電体を用いて形成することが好ましい。
例えば、絶縁体280に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、過剰酸素領域を有する絶縁体280と接する面積が大きい導電体260cに耐酸化性が高い導電体を用いることで、過剰酸素領域から脱離される酸素が導電体260に吸収されることを抑制することができる。また、導電体260の酸化を抑制し、絶縁体280から、脱離した酸素を効率的に酸化物230へと供給することができる。また、導電体260bに導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ200を提供することができる。
また、図2(C)に示すように、トランジスタ200のチャネル幅方向において、酸化物230bが導電体205、および導電体260に覆われている。また、絶縁体224が凸部を有することによって、酸化物230bの側面も導電体260で覆うことができる。例えば、絶縁体224の凸部の形状を調整することで、絶縁体224と酸化物230cが接する領域において、導電体260の底面が、酸化物230bの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ200は、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物230bを電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。s−channel構造のトランジスタ200は、酸化物230b全体(バルク)にチャネルを形成することもできる。s−channel構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流(トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流)を得ることができる。また、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、s−channel構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、s−channel構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。
<トランジスタ構造3>
図3には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図3(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図3(A)において一部の膜は省略されている。また、図3(B)は、図3(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図3(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
なお、図3に示すトランジスタ200において、図1に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図3に示す構造は、ソースまたはドレインとして機能する導電体が積層構造を有する。導電体240a、および導電体240bは、酸化物230bと密着性が高い導電体を用い、導電体241a、導電体241bは、導電性が高い材料を用いることが好ましい。また、導電体240a、および導電体240bは、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、被覆性を向上させることができる。
例えば、酸化物230bに、インジウムを有する金属酸化物を用いる場合、導電体240a、および導電体240bには、窒化チタンなどを用いればよい。また、導電体241a、および導電体241bに、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いることで、信頼性が高く、消費電力が小さいトランジスタ200を提供することができる。
また、図3(B)、および図3(C)に示すように、トランジスタ200のチャネル幅方向において、酸化物230bが導電体205、および導電体260に覆われている。また、絶縁体222が凸部を有することによって、酸化物230bの側面も導電体260で覆うことができる。
ここで、絶縁体222に、酸化ハフニウムなどのhigh−k材料を用いる場合、絶縁体222の比誘電率が大きいため、SiO膜換算膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)を小さくすることができる。従って、酸化物230にかかる導電体205からの電界の影響を弱めることなく、絶縁体222の物理的な厚みにより、導電体205と、酸化物230との間の距離を広げることができる。従って、絶縁体222の膜厚により、導電体205と、酸化物230との間の距離を調整することができる。
例えば、絶縁体224の凸部の形状を調整することで、絶縁体222と酸化物230cが接する領域において、導電体260の底面が、酸化物230bの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ200は、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物230bを電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。s−channel構造のトランジスタ200は、酸化物230b全体(バルク)にチャネルを形成することもできる。s−channel構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流(トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流)を得ることができる。また、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、s−channel構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、s−channel構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。
<トランジスタ構造4>
図4には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図4(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図4(A)において一部の膜は省略されている。また、図4(B)は、図4(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図4(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
なお、図4に示すトランジスタ200において、図1に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図4に示すトランジスタ200は、絶縁体280に形成された開口部に、酸化物230c、絶縁体250、導電体260が形成されている。また、導電体240aおよび導電体240bの一方の端部と、絶縁体280に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体240aおよび導電体240bの三方の端部が、酸化物230aおよび酸化物230bの端部の一部と一致している。従って、導電体240a、導電体240bは、酸化物230または絶縁体280の開口部と、同時に整形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
また、導電体240a、導電体240b、および酸化物230bは、過剰酸素領域を有する絶縁体280と、酸化物230dを介して接する。そのため、絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230dが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。
さらに、図4に示すトランジスタ200は、導電体240a、導電体240bと、導電体260と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体260にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ200を提供することができる。
<トランジスタ構造5>
図5には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図5(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図5(A)において一部の膜は省略されている。また、図5(B)は、図5(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図5(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
なお、図5に示すトランジスタ200において、図4に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
絶縁体282上に、絶縁体285、および絶縁体286が形成される。
絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体285に形成された開口部に、酸化物230c、絶縁体250、導電体260が形成されている。また、導電体240aおよび導電体240bの一方の端部と、絶縁体280に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体240aおよび導電体240bの三方の端部が、酸化物230a、および酸化物230bの端部の一部と一致している。従って、導電体240aおよび導電体240bは、酸化物230a、および酸化物230b、または絶縁体280の開口部と、同時に整形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
また、導電体240a、導電体240b、および酸化物230bは、過剰酸素領域を有する絶縁体280と、酸化物230dを介して接する。そのため、絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230dが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。
また、図5に示すトランジスタ200は、高抵抗のオフセット領域が形成されないため、トランジスタ200のオン電流を増大させることができる。
<半導体装置の作製方法>
以下に、図1に示した半導体装置の作製方法の一例を図6乃至図9を参照して説明する。
はじめに、基板を準備する(図示しない)。基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、GOI(Germanium on Insulator)基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
次に、絶縁体214、絶縁体216を形成する。続いて、絶縁体216上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスク290を形成し、絶縁体214、および絶縁体216の不要な部分を除去する(図6(A))。その後、レジストマスク290を除去することにより、開口部を形成することができる。
ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、リソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、リソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また、被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。
レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光(EUV:Extreme Ultra−violet)やX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下方の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上方に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また、特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti−Reflection Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
続いて、絶縁体214、および絶縁体216上に、導電体205A、および導電体205Bを成膜する。導電体205A、および導電体205Bは、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法またはALD法が好ましい(図6(B))。
続いて、導電体205A、および導電体205Bの不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)処理などにより、絶縁体216が露出するまで、導電体205A、および導電体205Bの一部を除去することで、導電体205を形成する(図6(C))。この際、絶縁体216をストッパ層として使用することもでき、絶縁体216が薄くなる場合がある。
ここで、CMP処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー(研磨剤)を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。
次に、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224を形成する(図6(D))。
絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、絶縁体320と同様の材料および方法で作製することができる。特に、絶縁体222には、酸化ハフニウムなどのhigh−k材料を用いることが好ましい。
絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、例えば、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、プラズマ励起CVD(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法等を含む)、分子エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をCVD法、好ましくはALD法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法またはALD法が好ましい。また、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。
なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体220と絶縁体222との界面、および絶縁体222と絶縁体224との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。
続いて、酸化物230aとなる酸化物230Aと、酸化物230bとなる酸化物230Bを順に成膜する。当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。
その後、酸化物230A上に、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜240Aを形成する。導電膜240Aには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、2層以上の積層構造としてもよい。続いて、上記と同様の方法によりレジストマスク292を形成する(図6(E))。
レジストマスク292を用いて、導電膜240Aの不要な部分をエッチングにより除去し、島状の導電層240Bを形成する(図7(A))。その後、導電層240Bをマスクとして酸化物230A、および酸化物230Bの不要な部分をエッチングにより除去する。
このとき、同時に絶縁体224も、島状に加工してもよい。例えば、バリア性を有する絶縁体222をエッチングストッパー膜として用いることで、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の合計膜厚が薄い構造においても、下方にある配線層まで、オーバーエッチングされることを防止することができる。また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の合計膜厚が薄くすることで導電体205からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。
その後レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物230a、島状の酸化物230b、および島状の導電層240Bの積層構造を形成することができる(図7(B))。
続いて、加熱処理を行うことが好ましい(図7(C)、図中矢印は加熱処理を表す。)。加熱処理は、250℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上380℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物230a、および酸化物230bの不純物である水素を除去することができる。また、酸化物230aの下方に形成された絶縁体から、酸化物230a、および酸化物230bに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。
次に、島状の導電層240B上に上記と同様の方法によりレジストマスク294を形成する(図7(D))。続いて、導電層240Bの不要な部分をエッチングにより除去した後、レジストマスク294を除去することにより、導電体240a、および導電体240bを形成する(図8(A))。この際、絶縁体224、または絶縁体222に対して、オーバーエッチングを行うことで、s−channel構造としてもよい。
続いて、加熱処理を行うことが好ましい(図8(B)、図中矢印は加熱処理を表す。)。加熱処理は、250℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上380℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物230a、および酸化物230bの不純物である水素を除去することができる。また、酸化物230aの下方に形成された絶縁体から、酸化物230a、および酸化物230bに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。さらに、酸化性ガスで加熱処理を行う場合、チャネルが形成される領域に、直接酸化性ガスが接することで、効率的に、チャネルが形成される領域の酸素欠損を低減することができる。
続いて、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260となる導電膜260Aを順に成膜する。また、導電膜260Aには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、2層以上の積層構造としてもよい。
例えば、2層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。第1の導電膜は、熱CVD法、MOCVD法またはALD法を用いて形成する。特に、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。
続いて、第2の導電膜は、スパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体250上に、第1の導電膜を有することで、第2の導電膜の成膜時のダメージが、絶縁体250に影響することを抑制することができる。また、ALD法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。なお、導電膜260Aを成膜する際に、塩素を含まない成膜ガスを用いて、形成することが好ましい。
次に、導電膜260A上に、上記と同様の方法によりレジストマスク296を形成する(図8(C))。続いて、導電膜260Aの不要な部分をエッチングにより除去することで、導電体260を形成した後、レジストマスク296を除去する(図8(D))。
続いて、導電体260上に、絶縁体280を形成する。絶縁体280は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、CVD法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成した後、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
特に、酸素プラズマ処理を行うことが好ましい(図9(A)、図中矢印はプラズマ処理を表す。)。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。例えば、250℃以上400℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下の温度で、酸化性ガスを含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。
酸素プラズマ処理により、絶縁体280、および酸化物230が、脱水化、または脱水素化されるとともに、絶縁体280に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。また、脱水化、または脱水素化された酸化物230には、酸素欠損が生じ、低抵抗化する。一方で、絶縁体280の過剰な酸素により、酸化物230の酸素欠損が補填される。従って、酸素プラズマ処理によりまた、絶縁体280は、過剰酸素領域が形成されると同時に、不純物である水素、および水を除去することができる。また、酸化物230は、酸素欠損を補填しながら、不純物である水素、または水を除去することができる。したがって、トランジスタ200の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
続いて、絶縁体280上に、絶縁体282を形成する。絶縁体282は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることで、容易に絶縁体282の下層である絶縁体280に過剰酸素領域を形成することができる。
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。
プラズマ内のイオンが、電位差E2−E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体280に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2−E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体280の内部まで到達する。イオンが絶縁体280に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体280に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体280に過剰酸素領域が形成される。
絶縁体280に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体280の過剰な酸素は、酸化物230に供給され、酸化物230の酸素欠損が補填することができる。ここで、絶縁体280と接する導電体260、導電体240a、および導電体240bに、耐酸化性が高い導電体を用いる場合、絶縁体280の過剰な酸素は、導電体260、導電体240a、および導電体240bに、吸収されることなく、効率的に酸化物230へ供給することができる。したがって、トランジスタ200の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ200を作製することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図10乃至図29を用いて説明する。
[構成例]
本発明の一態様であるトランジスタを使用した、半導体装置(記憶装置)の一例を図10乃至図16に示す。なお、図10(A)は、図11乃至図14を回路図で表したものである。図15、および図16は、図11乃至図14に示す半導体装置が形成される領域の端部を示す。
<半導体装置の回路構成>
図10(A)、および図11乃至図14に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有している。
トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置(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半導体装置(記憶装置)とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
図10(A)において、配線3001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線3002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線3003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線3004はトランジスタ200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300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線3005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。
図10(A)に示す半導体装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線3004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、配線3003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100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。即ち、トランジスタ300のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。)のどちらかが与えられるものとする。その後、配線3004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200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)。
トランジスタ200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。
次に情報の読み出しについて説明する。配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、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300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な配線3005の電位をいうものとする。したがって、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、配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードFGにLowレベル電荷が与えられていた場合には、配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、配線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。
また、図10(A)に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ)を構成することができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
<半導体装置の回路構成2>
図10(B)に示す半導体装置は、トランジスタ300を有さない点で図10(A)に示した半導体装置と異なる。この場合も図10(A)に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図10(B)に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ200が導通状態になると、浮遊状態である配線3003と容量素子100とが導通し、配線3003と容量素子100の間で電荷が再分配される。その結果、配線3003の電位が変化する。配線3003の電位の変化量は、容量素子100の電極の一方の電位(または容量素子100に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子100の電極の一方の電位をV、容量素子100の容量をC、配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の配線3003の電位は、(CB×VB0+CV)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子100の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の配線3003の電位(=(CB×VB0+CV1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の配線3003の電位(=(CB×VB0+CV0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
そして、配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路には、シリコンなどの半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ200として上記酸化物が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが好ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリとは異なり書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
<半導体装置の構造1>
本発明の一態様の半導体装置は、図11に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体314、基板311の一部からなる半導体領域312、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域318a、および低抵抗領域318bを有する。
トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域312のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域318a、および低抵抗領域318bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。
低抵抗領域318a、および低抵抗領域318bは、半導体領域312に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧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。
また、図11に示すようにトランジスタ300の構成を、プレーナ型として設けてもよい。また、図10(B)に示す回路構成とする場合、トランジスタ300を設けなくともよい。
なお、図11に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。
絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能する。絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
絶縁体324には、例えば、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
例えば、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200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))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、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。
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324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。
また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体328、導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線として機能を有する。なお、後述するが、プラグまたは配線として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、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体326、および導電体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、または配線として機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。
絶縁体354上には、絶縁体358、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体358、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかまたは全部を、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体358、および絶縁体212には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200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。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。
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200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、例えば、絶縁体213、および絶縁体214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。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200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200に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体210、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体358、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体358、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体216の上方には、絶縁体220以上のトランジスタ200の構成が設けられている。なお、トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した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200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ200の上方には、絶縁体280を設ける。絶縁体280には、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を用いることが好ましい。つまり、絶縁体280には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域(以下、過剰酸素領域ともいう)が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ200の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/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、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
また、トランジスタ200を覆う絶縁体280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。また、絶縁体280には、導電体244等が埋め込まれている。
導電体244は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体244は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
例えば、導電体244を積層構造として設ける場合、耐酸化性が高い導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体280と接する領域に、耐酸化性が高い導電体を設けることが好ましい。当該構成により、絶縁体280から過剰な酸素を、導電体244が吸収することを抑制することができる。また、導電体244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、過剰酸素領域を有する絶縁体280と接する領域に、水素などの不純物に対するバリア性を有する導電体を設けることで、導電体244中の不純物、および導電体244の一部の拡散や、外部からの不純物の拡散経路となることを抑制することができる。
また、導電体244上に、バリア層245を設けてもよい。バリア層245を有することで、導電体244に含まれる不純物や、導電体244の一部の拡散を抑制することができる。
バリア層245には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、または窒化タンタルなどの金属窒化物などを用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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、および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。
バリア層245、および絶縁体280上には、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、および絶縁体110が順に積層して設けられている。また、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、および絶縁体110には、導電体124等が埋め込まれている。なお、導電体124は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体124は、導電体356と同様の材料を用いて設けることができる。
絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、および絶縁体110のいずれか、または全部に、酸素や水素に対してバリア性のある材料を用いることが好ましい。従って、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体283には、絶縁体213と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体284には、絶縁体212と同様の絶縁体を用いることができる。また、絶縁体110には、絶縁体216と同様の材料を用いることができる。
例えば、絶縁体282、および絶縁体283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。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200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200に対する保護膜として用いることに適している。
絶縁体284には、容量素子100を設ける領域から、トランジスタ200が設ける領域に、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。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。
例えば、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200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
従って、トランジスタ200、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。
つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
ここで、図15にスクライブライン近傍の断面図を示す。
例えば、図15(A)に示すように、トランジスタ200を有するメモリセルの外縁に設けられるスクライブライン(図中1点鎖線で示す)と重なる領域近傍において、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280に開口を設ける。また、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面を覆うように、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284を設ける。
従って、該開口において、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214と絶縁体282とが接する。また、絶縁体282上に、絶縁体283、および絶縁体284を積層する。このとき、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214の少なくとも一と、絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。
当該構造により、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284で、絶縁体280、及びトランジスタ200を包み込むことができる。絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体装置をスクライブしても、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ200に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体280の過剰酸素が絶縁体282、および絶縁体214の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体280の過剰酸素は、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
また、例えば、図15(B)に示すように、スクライブライン(図中1点鎖線で示す)の両側となる領域において、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280に開口を設けてもよい。なお、図では開口は2か所としたが、必要に応じて、複数の開口を設けてもよい。
従って、スクライブラインの両側に設けられた開口において、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214と絶縁体282とが、少なくとも2か所で接するため、より密着性が高い構造となる。なお、この場合においても、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214の少なくとも一と、絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。
また、開口を複数設けることで、絶縁体282と、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214とが、複数の領域で接する構造とすることができる。また、スクライブラインから侵入する不純物が、絶縁体214と絶縁体282が接する領域のうち、最もトランジスタ200と近い領域まで拡散する場合において、不純物の拡散距離を長くすることができる。
当該構造により、トランジスタ200と絶縁体280とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
続いて、絶縁体284の上方には、絶縁体110、および容量素子100が設けられている。また、絶縁体110、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284には、導電体244と電気的に接続する導電体124が埋め込まれている。容量素子100は、絶縁体110上に設けられ、導電体112(導電体112a、および導電体112b)と、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134と、導電体116とを有する。なお、導電体124は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。
なお、導電体124は、導電体356と同様の材料を用いて設けることができる。
また、導電体112は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。
導電体112上に、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を設ける。絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134には、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い。図では、3層構造で示したが、単層、2層、または4層以上の積層構造としてもよい。
例えば、絶縁体130、および絶縁体134には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用い、絶縁体132には、酸化アルミニウムなどの高誘電率(high−k)材料を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子100は、高誘電率(high−k)の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。
導電体112上に、絶縁体130、絶縁体132、絶縁体134を介して、導電体116を設ける。なお、導電体116は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。
例えば、図11に示すように、電極の一方として機能する導電体112において、導電体112bのような凸状を有する構造体とすることで、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
導電体116、および絶縁体134上には、絶縁体150が積層して設けられている。絶縁体110、および絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、容量素子100の下部となる絶縁体110、および容量素子100を覆う絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
<変形例1>
また、本実施の形態の変形例として、図12に示すように、導電体244を形成してもよい。つまり、絶縁体282にプラグを埋め込み、プラグ上に、配線となる導電体、およびバリア層245を積層構造で設けてもよい。この場合、導電体244を構成する導電体において、配線として機能する導電体は、耐酸化性が高い導電体を用いることが好ましい。
<変形例2>
また、本実施の形態の変形例として、容量素子100において、必ずしも導電体112を有する必要はない。
図13に示す構造は、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体284、および絶縁体110を形成した後、導電体244を形成している。そのため、導電体124と、容量素子100の一方の電極となる導電体112を同時に形成することができる。従って、少ない工程で生産することができるため、生産コストを削減し、生産性を高めることができる。
また、導電体112上に、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を介して、導電体116を設ける。なお、導電体116は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。
なお、図13に示すように、導電体116を、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を介して、導電体112の上面および側面を覆うように設ける。つまり、導電体112の側面においても、容量として機能するため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
なお、当該構成は、導電体112を形成するときに、絶縁体110の上面を、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134の合計の膜厚よりも大きく除去することが好ましい。例えば、オーバーエッチング処理とすることで、絶縁体110の一部も同時に除去することができる。また、オーバーエッチング処理により、導電体112等を形成することで、エッチング残渣を残すことなくエッチングすることができる。
また、当該エッチング処理の途中で、エッチングガスの種類を切り替えることにより、効率よく絶縁体110の一部を除去することができる。
また、例えば、導電体112、および導電体124を形成した後、導電体112をハードマスクとして、絶縁体110の一部を除去してもよい。
また、導電体112を形成した後、導電体112の表面を、クリーニング処理してもよい。クリーニング処理をすることで、エッチング残渣等を除去することができる。
また、図13に示すように、絶縁体213、および絶縁体283を設けなくともよい。本構成においても、トランジスタ200、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。
つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
また、本変形例における、スクライブライン近傍の断面図を図16(A)、および図16(B)に示す。
例えば、図16(A)に示すように、スクライブライン(図中1点鎖線で示す)と重なる領域近傍において、絶縁体214と絶縁体282とが接し、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造となる。このとき、絶縁体214と絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。
当該構造により、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284で、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280を包み込むことができる。絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体装置をスクライブしても、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ200に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体280の過剰酸素が絶縁体282、および絶縁体214の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体280の過剰酸素は、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
また、例えば、図16(B)に示すように、スクライブライン(図中1点鎖線で示す)と重なる領域近傍において、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280に開口を設ける。また、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面を覆うように、絶縁体282を設ける。さらに、絶縁体212、および絶縁体282に開口を設け、絶縁体212、および絶縁体282の側面と、絶縁体210の露出した上面と、を覆うように、絶縁体284を設ける。
つまり、開口において、絶縁体214と絶縁体282が接する。さらに、その外側では、絶縁体212と絶縁体282とが接する。このとき、絶縁体214と絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。また、絶縁体212と絶縁体284とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。
当該構造により、トランジスタ200と絶縁体280とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
<変形例3>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図14に示す。図14は、図13と、トランジスタ300、およびトランジスタ200の構成が異なる。
図14に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域312(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域312の側面および上面を、絶縁体314を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
図14に示すトランジスタ200の構造は、図4で説明した構造である。絶縁体280に形成された開口部に、酸化物230c、絶縁体250、導電体260が形成されている。また、導電体240a、および導電体240bの一方の端部と、絶縁体280に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体240a、および導電体240bの三方の端部が、酸化物230の端部の一部と一致している。従って、導電体240a、および導電体240bは、酸化物230または絶縁体280の開口部と、同時に整形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
さらに、図14に示すトランジスタ200は、導電体240a、導電体240b、および導電体260と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体260にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ200を提供することができる。
<変形例4>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図17に示す。図17(A)、および図17(B)はそれぞれ、一点鎖線A1−A2を軸とした、トランジスタ200のチャネル長、およびチャネル幅方向の断面を示す。
図17に示すように、トランジスタ200、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ300と容量素子100とを接続する貫通電極と、トランジスタ200との間で、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造が接することが好ましい。
従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。
つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
<変形例5>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図18に示す。図18は、図13と、容量素子の構成が異なる。
図18に示すように、容量素子105を形成してもよい。容量素子105は、トランジスタ300に接続する配線の一部も、容量素子として機能する。従って、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。また、容量素子105と、トランジスタ200との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。
従って、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
<変形例6>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図19に示す。図19(A)は、図10(A)に示す半導体装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した回路図である。また、図19(B)は、図19(A)の回路図と対応した半導体装置の断面図である。
図19には、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する半導体装置と、トランジスタ301、トランジスタ201、および容量素子101を有する半導体装置と、トランジスタ302、トランジスタ202、および容量素子102を有する半導体装置とが、同じ行に配置されている。
図19(B)に示すように、複数個のトランジスタ(図ではトランジスタ200、およびトランジスタ201)、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ300、トランジスタ301、またはトランジスタ302と、容量素子100、容量素子101、または容量素子102と、を接続する貫通電極と、トランジスタ200、トランジスタ201、またはトランジスタ202との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。
従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。
つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
<変形例7>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図20に示す。図20は、図19に示す半導体装置において、トランジスタ201、およびトランジスタ202を集積した場合の半導体装置の断面図である。
図20に示すように、容量素子101の電極の一方となる導電体112の機能を、トランジスタ201のソース電極またはドレイン電極となる導電体240aと兼ねてもよい。その場合、トランジスタ201の酸化物230a、およびトランジスタ201のゲート絶縁体として機能する絶縁体250の導電体240a上に延在した領域が、容量素子101の絶縁体として機能する。従って、容量素子101の電極の他方となる導電体116を、導電体240a上に、絶縁体250、および酸化物230aを介して積層すればよい。当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
また、トランジスタ201と、トランジスタ202を重畳して設けてもよい。当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
また、複数個のトランジスタ(図ではトランジスタ201、およびトランジスタ202)、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ300、トランジスタ301、またはトランジスタ302と、容量素子100、容量素子101、または容量素子102と、を接続する貫通電極と、トランジスタ200、トランジスタ201、またはトランジスタ202との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。
従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、絶縁体284、またはトランジスタ301およびトランジスタ302が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ201またはトランジスタ202へ、拡散することを抑制することができる。
つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ201またはトランジスタ202におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ201またはトランジスタ202におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ201またはトランジスタ202におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ201またはトランジスタ202の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、上記構成例で示した半導体装置の作製方法の一例について、図11、および図21乃至図29を用いて説明する。
<半導体装置の作製方法>
まず、基板311を準備する。基板311としては、半導体基板を用いる。例えば、単結晶シリコン基板(p型の半導体基板、またはn型の半導体基板を含む)、炭化シリコンや窒化ガリウムを材料とした化合物半導体基板などを用いることができる。また、基板311として、SOI基板を用いてもよい。以下では、基板311として単結晶シリコンを用いた場合について説明する。
続いて、基板311に素子分離層を形成する。素子分離層はLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法またはSTI(Shallow Trench Isolation)法等を用いて形成すればよい。
なお、同一基板上にp型のトランジスタとn型のトランジスタを形成する場合、基板311の一部にnウェルまたはpウェルを形成してもよい。例えば、n型の基板311にp型の導電性を付与するホウ素などの不純物元素を添加してpウェルを形成し、同一基板上にn型のトランジスタとp型のトランジスタを形成してもよい。
続いて、基板311上に絶縁体314となる絶縁体を形成する。例えば、表面窒化処理後に酸化処理を行い、シリコンと窒化シリコン界面を酸化して酸化窒化シリコン膜を形成してもよい。例えばNH雰囲気中で700℃にて熱窒化シリコン膜を表面に形成後に酸素ラジカル酸化を行うことで酸化窒化シリコン膜が得られる。
当該絶縁体は、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic CVD)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法等を含む)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法等で成膜することにより形成してもよい。
続いて、導電体316となる導電膜を成膜する。導電膜としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造を用いてもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。なお、導電体316の仕事関数を定めることで、トランジスタ300のしきい値電圧を調整することができるため、導電膜の材料は、トランジスタ300に求められる特性に応じて、適宜選択するとよい。
導電膜は、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
続いて、当該導電膜上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、当該導電膜の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、導電体316を形成することができる。
導電体316の形成後、導電体316の側面を覆うサイドウォールを形成してもよい。サイドウォールは、導電体316の厚さよりも厚い絶縁体を成膜した後に、異方性エッチングを施し、導電体316の側面部分のみ当該絶縁体を残存させることにより形成できる。
サイドウォールの形成時に絶縁体314となる絶縁体も同時にエッチングされることにより、導電体316およびサイドウォールの下部に絶縁体314が形成される。または、導電体316を形成した後に導電体316、または導電体316を加工するためのレジストマスクをエッチングマスクとして当該絶縁体をエッチングすることにより絶縁体314を形成してもよい。この場合、導電体316の下部に絶縁体314が形成される。または、当該絶縁体に対してエッチングによる加工を行わずに、そのまま絶縁体314として用いることもできる。
続いて、基板311の導電体316(およびサイドウォール)が設けられていない領域にリンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を添加する。
続いて、絶縁体320を形成した後、上述した導電性を付与する元素の活性化のための加熱処理を行う。
絶縁体320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、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。また、酸素と水素を含む窒化シリコン(SiNOH)を用いると、加熱によって脱離する水素の量を多くすることができるため好ましい。また、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いることもできる。
絶縁体320は、例えば、スパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
加熱処理は、希ガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、または減圧雰囲気下にて、例えば、400℃以上でかつ基板の歪み点未満で行うことができる。
この段階でトランジスタ300が形成される。なお、図10(B)に示す回路構成とする場合、トランジスタ300を設けなくともよい。その場合、基板に大きな制限はない。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、GOI(Germanium on Insulator)基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
続いて、絶縁体320上に絶縁体322を形成する。絶縁体322は、絶縁体320と同様の材料および方法で作製することができる。また、絶縁体322の上面を、CMP法等を用いて、平坦化を行う(図21(A))。
続いて、絶縁体320、および絶縁体322に、リソグラフィ法などを用いて、低抵抗領域318a、低抵抗領域318bおよび導電体316等に達する開口部を形成する(図21(B))。その後、開口部を埋めるように導電膜を形成する(図21(C))。導電膜の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。
続いて、絶縁体322の上面が露出するように該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電体328a、導電体328b、および導電体328c等を形成する(図21(D))。なお、図中の矢印は、CMP処理を表す。また、明細書中、及び図中において、導電体328a、導電体328b、および導電体328cは、プラグ、または配線として機能を有し、まとめて導電体328と付記する場合もある。なお、本明細書中において、プラグ、または配線として機能を有する場合は、同様に取り扱うものとする。
続いて、絶縁体320上に、ダマシン法などを用いて導電体330a、導電体330b、および導電体330cを形成する(図22(A))。
絶縁体324、および絶縁体326は絶縁体320と同様の材料および方法で作製することができる。
絶縁体324には、例えば、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。例えば、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。
また、絶縁体326は、誘電率が低い絶縁体(Low−k材料)であることが好ましい。例えば、CVD法で形成した酸化シリコンを用いることができる。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。
また、導電体330となる導電膜は、導電体328と同様の材料および方法で作製することができる。
なお、導電体330を積層構造とする場合、絶縁体324と接する導電体として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いることが好ましい。例えば、バリア性を有する窒化タンタルは、基板温度250℃、塩素を含まない成膜ガスを用いて、ALD法により成膜することができる。ALD法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える導電体を形成することができる。また、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する絶縁体324と、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体が接することで、より強固に酸素、水素、または水の拡散を抑制することができる。
次に、絶縁体350、絶縁体352、絶縁体354、導電体356a、導電体356b、および導電体356cを形成する(図22(B))。絶縁体352、および絶縁体354は絶縁体320と同様の材料および方法で作製することができる。また、導電体356はデュアルダマシン法などを用いて、導電体328と同様の材料を用いることができる。
なお、導電体356を積層構造とする場合、絶縁体350と接する導電体として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いることが好ましい。特に、導電体356に銅などの拡散しやすい材料を用いる場合、銅などに対してバリア性を有する導電体と積層することが好ましい。また、絶縁体354にも、銅などに対してバリア性を有する絶縁体であることが好ましい。絶縁体354と、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体が接することで、より強固に酸素、水素、または水の拡散を抑制することができる。
続いて、水素または酸素に対してバリア性を有する絶縁体358を形成する。絶縁体358は絶縁体354と同様に、導電体356に用いられる導電体に対して、バリア性を有することが好ましい。
絶縁体358上に、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214を形成する。絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354と同様の材料および方法で作製することができる。
例えば、絶縁体210は、誘電率が低い絶縁体(Low−k材料)であることが好ましい。例えば、CVD法で形成した酸化シリコンを用いることができる。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。
また、絶縁体212には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。例えば、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。
また、絶縁体213は、例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ALD法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。ALD法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体を形成することができる。
また、絶縁体214は、例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、スパッタリング法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。
続いて、絶縁体214上に絶縁体216を形成する。絶縁体216は、絶縁体210と同様の材料および方法で作製することができる(図22(C))。
次に、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216の積層構造において、導電体356a、導電体356b、および導電体356c等と重畳する領域に、凹部を形成する(図23(A))。なお、該凹部は、少なくとも難エッチング材料を用いた絶縁体に開口部が形成される程度の深さを有することが好ましい。ここで、難エッチング材料とは、金属酸化物などのエッチングが困難な材料を指す。難エッチング材料である金属酸化膜の代表例としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、及びそれらを含むシリケート(HfSi,ZrSi等)、並びにそれらの二以上を含む複合酸化物(Hf1‐xAlOy,Zr1‐xAl等)がある。
続いて、絶縁体214、および絶縁体216の積層構造に、導電体205を形成する領域に開口部を形成するとともに、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216の積層構造に形成された凹部の底部を除去することにより、導電体356a、導電体356b、および導電体356cに達する開口部を形成する(図23(B))。このさい、凹部の上方、例えば絶縁体216に形成された開口部を広くすることで、後の工程で形成されるプラグ、または配線に対し、十分な設計マージンを確保することができる。
その後、開口部を埋めるように導電膜を形成する。導電膜の形成は、導電体328と同様の材料および方法で作製することができる。続いて、導電膜に平坦化処理を施すことにより、絶縁体216の上面を露出させ、導電体218a、導電体218b、導電体218c、および導電体205を形成する(図24(A))。
次に、トランジスタ200を形成する。なお、トランジスタ200の作製方法は、先の実施の形態で説明した作製方法を用いて、形成すればよい。
続いて、トランジスタ200上に、絶縁体280を形成する。絶縁体280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を用いることが好ましい。なお、絶縁体280は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、CVD法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、絶縁体280となる絶縁体を形成した後、その上面の平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理を行ってもよい(図24(B))。
ここで、絶縁体280に、過剰酸素領域を形成してもよい。過剰酸素領域を形成するには、例えば、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
次に、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体280に、導電体218a、導電体218b、導電体218c、およびトランジスタ200等に達する開口部を形成する(図25(A))。
その後、開口部を埋めるように導電膜244A、および導電膜244Bを形成する(図25(B))。続いて、導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電膜244Bの上層を除去することで、導電膜244Bの膜厚を、リソグラフィ法を用いて加工できる程度に薄膜化する(図26、なお図中矢印はCMP処理を表す)。続いて、レジストマスクを用いて、導電膜244A、および導電膜244Bの不要な部分をエッチングにより除去し、導電体244a、導電体244b、導電体244c、導電体244d、および導電体244eを形成する。
次に、絶縁体280、および導電体244上に、バリア膜245Aを形成する(図27)。バリア膜としては、ALD法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。ALD法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体を形成することができる。バリア層245を有することで、導電体244に含まれる不純物や、導電体244の一部の拡散を抑制することができる。また、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中、および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。
続いて、レジストマスクを用いて、バリア膜245Aの不要な部分をエッチングにより除去し、バリア層245a、バリア層245b、バリア層245c、バリア層245d、およびバリア層245eを形成する。
ここで、絶縁体280に、過剰酸素領域を形成する。過剰酸素領域を形成するには、例えば、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
例えば、酸素プラズマ処理を行う(図28、図中矢印はプラズマ処理を表す。)。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。例えば、250℃以上400℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下の温度で、酸化性ガスを含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。
酸素プラズマ処理により、絶縁体280、およびトランジスタ200の酸化物230が、脱水化、または脱水素化されるとともに、絶縁体280に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。また、脱水化、または脱水素化された酸化物230には、酸素欠損が生じ、低抵抗化する。一方で、絶縁体280の過剰な酸素により、酸化物230の酸素欠損が補填される。従って、酸素プラズマ処理により、絶縁体280は、過剰酸素領域が形成されると同時に、不純物である水素、および水を除去することができる。また、酸化物230は、酸素欠損を補填しながら、不純物である水素、または水を除去することができる。したがって、トランジスタ200の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
また、バリア層245を有することで、導電体244が酸素プラズマ処理により、酸化されることを防止することができる。また、導電体244を、耐酸化性が高い導電体を用いて形成する場合、バリア層245は必須の構成ではない。
続いて、絶縁体280、およびバリア層245上に絶縁体282を形成する。また、酸素導入処理の一例として、絶縁体280上に、スパッタリング装置を用いて、酸化物を積層する方法がある。例えば、絶縁体282を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体282を成膜しながら、絶縁体280に酸素を導入することができる。
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。
プラズマ内のイオンが、電位差E2−E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が被成膜表面に付着することにより膜が形成される。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体280に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2−E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体110の内部まで到達する。イオンが絶縁体280に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体280に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体280に過剰酸素領域が形成される。
また、絶縁体280に、絶縁体282を介して、酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入し、酸素を過剰に含有する領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。酸素導入処理を、絶縁体282を介して行うことで、絶縁体280を保護した状態で、過剰酸素領域を形成することができる。
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは350℃以上400℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。
加熱処理により、絶縁体280に導入された過剰酸素は、絶縁体280中を拡散する。ここで、絶縁体280は、酸素に対するバリア性を有する絶縁体282、および絶縁体222により、包まれている。従って、絶縁体280に導入された過剰酸素は、外部に放出されることを防ぎ、効率的に酸化物230へ供給される。
また、加熱処理により、絶縁体280の水素が移動し、絶縁体282に取り込まれる。絶縁体282に取り込まれた水素は、絶縁体282中の酸素と反応することで、水が生成する場合がある。生成された水は、絶縁体282上から放出される。従って、絶縁体280の不純物としての水素、及び水を低減することができる。なお、絶縁体282に酸化アルミニウムを用いている場合、絶縁体282が触媒として機能していると考えられる。
酸化物230へ供給された酸素は、酸化物230中の酸素欠損を補償する。従って、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
以上、成膜後の絶縁体280に酸素を導入して、酸素を過剰に含有する領域を形成するために、酸素プラズマ処理、イオン注入法、または加熱処理の、いずれかまたは全ての手段を組み合わせてもよい。
続いて、絶縁体283、および絶縁体284を成膜する。絶縁体283は、例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ALD法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。ALD法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体を形成することができる。また、絶縁体284は、例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、スパッタリング法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。
次に、容量素子100を形成する。まず、絶縁体284上に、絶縁体110を形成する。絶縁体110は、絶縁体210と同様の材料および方法で作製することができる。また、絶縁体322の上面を、CMP法等を用いて、平坦化を行う(図29)。
次に、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、絶縁体110に、導電体244c、および導電体244d等に達する開口部を形成する。
その後、開口部を埋めるように導電膜を形成し、導電膜に平坦化処理を施すことにより、絶縁体110の上面を露出させ、導電体124形成する。なお、導電膜の形成は、導電体328と同様の材料および方法で作製することができる。
なお、導電体124を積層構造とする場合、絶縁体284と接する導電体として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体を、ALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える導電体を形成することができる。また、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284と、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体124とが接することで、より強固に酸素、水素、または水の拡散を抑制することができる。
次に、絶縁体110上に導電体112(導電体112a、および導電体112b)を形成する。なお、導電体112は、導電体328と同様の材料および方法で作製することができる。
続いて、導電体112の側面、および上面を覆う絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を成膜する。絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134に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い。
続いて、絶縁体134上に導電体116を形成する。なお、導電体116の形成は、導電体112と同様の材料および方法で作製することができる。
続いて、容量素子100を覆う絶縁体150を成膜する。絶縁体150となる絶縁体は、絶縁体320等と同様の材料および方法により形成することができる。
以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる(図11)。
上記工程を経て作製することにより、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置は、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
(実施の形態4)
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する酸化物半導体について、図33乃至図38を用いて以下説明を行う。
<酸化物半導体の構造>
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体およびnc−OSなどがある。
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a−like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。
CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図33(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。
一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図33(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図33(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図33(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図33(E)に示す。図33(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図33(E)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図33(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。
また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
図34(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって観察することができる。
図34(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−OSの被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。
また、図34(B)および図34(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図34(D)および図34(E)は、それぞれ図34(B)および図34(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図34(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
図34(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
図34(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または/および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
以上に示すように、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することもできる。
CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。
また、例えば、InGaZnOの結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図35(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図35(B)に示す。図35(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図35(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
図35(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(micro crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
このように、nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。
<a−like OS>
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
図36に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図36(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図36(B)は4.3×10/nmの電子(e)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図36(A)および図36(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。
鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。
なお、InGaZnOの結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnOの結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnOの結晶のa−b面に対応する。
図37は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図37より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図37より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e)の累積照射量が4.2×10/nmにおいては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10/nmまでの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図37より、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×10/(nm・s)、照射領域の直径を230nmとした。
このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満である。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満である。単結晶の密度の78%未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの密度は6.357g/cmである。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、a−like OSの密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満である。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm以上6.3g/cm未満である。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
<酸化物半導体のキャリア密度>
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損(Vo)、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。
酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合(この状態をVoHともいう)した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。
ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、8×1015cm−3未満、好ましくは1×1011cm−3未満、さらに好ましくは1×1010cm−3未満であり、1×10−9cm−3以上とすればよい。
一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのId−Vg特性のオン/オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子(キャリア)の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにn型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Slightly−n」と呼称してもよい。
実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、1×10cm−3以上1×1018cm−3未満が好ましく、1×10cm−3以上1×1017cm−3以下がより好ましく、1×10cm−3以上5×1016cm−3以下がさらに好ましく、1×1010cm−3以上1×1016cm−3以下がさらに好ましく、1×1011cm−3以上1×1015cm−3以下がさらに好ましい。
また、上述の実質的に真性の酸化物半導体膜を用いることで、トランジスタの信頼性が向上する場合がある。ここで、図38を用いて、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図38は、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
図38において、GEはゲート電極を、GIはゲート絶縁膜を、OSは酸化物半導体膜を、SDはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図38は、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極またはドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
また、図38において、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜にIn−Ga−Zn酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥の遷移レベル(εf)はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約3.1eV離れた位置に形成されるものとし、ゲート電圧(Vg)が30Vの場合の酸化物半導体膜と酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位(Ef)はゲート絶縁膜の伝導帯下端から約3.6eV離れた位置に形成されるものとする。なお、酸化シリコン膜のフェルミ準位は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化物半導体膜と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位(Ef)は低くなる。また、図38中の白丸は電子(キャリア)を表し、図38中のXは酸化シリコン膜中の欠陥準位を表す。
図38に示すように、ゲート電圧が印加された状態で、例えばキャリアが熱励起されると、欠陥準位(図中X)にキャリアがトラップされ、プラス(“+”)からニュートラル(“0”)に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位(Ef)に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル(εf)よりも高くなる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
また、電子親和力が異なる酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面近傍において、ゲート絶縁膜の伝導帯下端が相対的に高くなる。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準位(図38中X)も相対的に高くなるため、ゲート絶縁膜のフェルミ準位と、酸化物半導体膜のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる、例えば、上述の酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱(Gate Bias Temperature:GBTともいう)ストレスにおける、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる。
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。
(実施の形態5)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むCPUの一例について説明する。
<CPUの構成>
図39は、上述したトランジスタを一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。
図39に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図39に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図39に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。
バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。
ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図39に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図39に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
図40は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子1200の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路1202には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートにはGND(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213の導通状態または非導通状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1214の導通状態または非導通状態)が選択される。
トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。
なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ1209のゲートには、制御信号WEが入力される。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図40では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。
なお、図40では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図40において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図40における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能である。
また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開された後、容量素子1208によって保持された信号に応じて、トランジスタ1210の状態(導通状態、または非導通状態)が決まり、回路1202から読み出すことができる。それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI等のLSI、RF(Radio Frequency)デバイスにも応用可能である。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)やCPLD(Complex PLD)などのプログラマブル論理回路(PLD:Programmable Logic Device)等のLSI、RF(Radio Frequency)デバイスにも応用可能である。
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。
(実施の形態6)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した表示装置について、図41および図42を用いて説明する。
<表示装置の構成>
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう。)、発光素子(発光表示素子ともいう。)などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electroluminescence)、有機ELなどを含む。以下では、表示装置の一例としてEL素子を用いた表示装置(EL表示装置)および液晶素子を用いた表示装置(液晶表示装置)について説明する。
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むICなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPC、TCPが取り付けられたモジュール、TCPの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
図41は、本発明の一態様に係るEL表示装置の一例である。図41(A)に、EL表示装置の画素の回路図を示す。図41(B)は、EL表示装置全体を示す上面図である。また、図41(C)は、図41(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するM−N断面である。
図41(A)は、EL表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
図41(A)に示すEL表示装置は、スイッチ素子743と、トランジスタ741と、容量素子742と、発光素子719と、を有する。
なお、図41(A)などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図41(A)の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
トランジスタ741のゲートはスイッチ素子743の一端および容量素子742の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のソースは容量素子742の他方の電極と電気的に接続され、発光素子719の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のドレインは電源電位VDDが与えられる。スイッチ素子743の他端は信号線744と電気的に接続される。発光素子719の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位GNDまたはそれより小さい電位とする。
スイッチ素子743としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いEL表示装置とすることができる。また、スイッチ素子743として、トランジスタ741と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、EL表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ741または/およびスイッチ素子743としては、例えば、上述したトランジスタを適用することができる。
図41(B)は、EL表示装置の上面図である。EL表示装置は、基板700と、基板750と、シール材734と、駆動回路735と、駆動回路736と、画素737と、FPC732と、を有する。シール材734は、画素737、駆動回路735および駆動回路736を囲むように基板700と基板750との間に配置される。なお、駆動回路735または/および駆動回路736をシール材734の外側に配置しても構わない。
図41(C)は、図41(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するEL表示装置の断面図である。
図41(C)には、トランジスタ741として、基板700上の導電体705と、導電体705が埋め込まれた絶縁体701、絶縁体701上の絶縁体702と、絶縁体702上の半導体703と、半導体703上の導電体707aおよび導電体707bと、半導体703上の絶縁体706と、絶縁体706上の導電体704を有する構造を示す。なお、トランジスタ741の構造は一例であり、図41(C)に示す構造と異なる構造であっても構わない。
したがって、図41(C)に示すトランジスタ741において、導電体704および導電体705はゲート電極としての機能を有し、絶縁体702および絶縁体706はゲート絶縁体としての機能を有し、導電体707aおよび導電体707bはソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。なお、半導体703は、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。したがって、導電体705、導電体704のいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
なお、トランジスタ741上には、過剰酸素領域を有する絶縁体709を有する。また、トランジスタ741は、バリア性を有する絶縁体710、および絶縁体708の間に設ける構造である。
図41(C)には、容量素子742として、絶縁体710上の導電体714aと、導電体714a上の絶縁体714bと、絶縁体714b上の導電体714cと、を有する構造を示す。
容量素子742において、導電体714aは一方の電極として機能し、導電体714cは他方の電極として機能する。
図41(C)に示す容量素子742は、占有面積当たりの容量が大きい容量素子である。したがって、図41(C)は表示品位の高いEL表示装置である。
トランジスタ741および容量素子742上には、絶縁体720が配置される。ここで、絶縁体716および絶縁体720は、トランジスタ741のソースとして機能する領域705aに達する開口部を有してもよい。絶縁体720上には、導電体781が配置される。導電体781は、絶縁体720の開口部を介してトランジスタ741と電気的に接続している。
導電体781上には、導電体781に達する開口部を有する隔壁784が配置される。隔壁784上には、隔壁784の開口部で導電体781と接する発光層782が配置される。発光層782上には、導電体783が配置される。導電体781、発光層782および導電体783の重なる領域が、発光素子719となる。
ここまでは、EL表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。
図42(A)は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図42に示す画素は、トランジスタ751と、容量素子752と、一対の電極間に液晶の充填された素子(液晶素子)753とを有する。
トランジスタ751では、ソース、ドレインの一方が信号線755に電気的に接続され、ゲートが走査線754に電気的に接続されている。
容量素子752では、一方の電極がトランジスタ751のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
液晶素子753では、一方の電極がトランジスタ751のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子752の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子753の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
なお、液晶表示装置も、上面図はEL表示装置と同様として説明する。図41(B)の一点鎖線M−Nに対応する液晶表示装置の断面図を図42(B)に示す。図42(B)において、FPC732は、端子731を介して配線733aと接続される。なお、配線733aは、トランジスタ751を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体または半導体を用いてもよい。
トランジスタ751は、トランジスタ741についての記載を参照する。また、容量素子752は、容量素子742についての記載を参照する。なお、図42(B)には、図41(C)の容量素子742に対応した容量素子752の構造を示したが、これに限定されない。
なお、トランジスタ751の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子752に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子753に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ751をオフ状態とすることで、トランジスタ751の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子752の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ751および容量素子752上には、絶縁体721が配置される。ここで、絶縁体721は、トランジスタ751に達する開口部を有する。絶縁体721上には、導電体791が配置される。導電体791は、絶縁体721の開口部を介してトランジスタ751と電気的に接続する。
導電体791上には、配向膜として機能する絶縁体792が配置される。絶縁体792上には、液晶層793が配置される。液晶層793上には、配向膜として機能する絶縁体794が配置される。絶縁体794上には、スペーサ795が配置される。スペーサ795および絶縁体794上には、導電体796が配置される。導電体796上には、基板797が配置される。
なお、液晶の駆動方式としては、TN(Twisted Nematic)モード、STN(Super Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、MVA(Multi−domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASV(Advanced Super View)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)モード、ゲストホストモード、ブルー相(Blue Phase)モードなどを用いることができる。ただし、これに限定されず、駆動方法として様々なものを用いることができる。
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、IMOD(インターフェロメトリック・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。
EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部または全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
なお、LEDを用いる場合、LEDの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するn型GaN半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体などを設けて、LEDを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体との間に、AlN層を設けてもよい。なお、LEDが有するGaN半導体は、MOCVDで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDが有するGaN半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。
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。
(実施の形態7)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図43に示す。
図43(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908等を有する。なお、図43(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
図43(B)は携帯データ端末であり、第1筐体911、第2筐体912、第1表示部913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部913は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられている。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されており、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体912との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第1表示部913および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図43(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体921、表示部922、キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
図43(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体931、冷蔵室用扉932、冷凍室用扉933等を有する。
図43(E)はビデオカメラであり、第1筐体941、第2筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されており、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能である。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体942との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図43(F)は乗用車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954等を有する。
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。
なお、以上の実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、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、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
本実施例では、本発明の一態様である酸化物、および絶縁体の積層構造を用いて、水素濃度について評価を行った。なお、本実施例においては、試料1A乃至試料1Gを作製した。
<1.各試料の構成と作製方法>
以下では、本発明の一態様に係る試料1A、試料1B、試料1C、試料1D、試料1E、試料1F、および試料1Gについて説明する。試料1A乃至試料1Gは、基板5000と、基板5000上の酸化物5001と、酸化物5001上の絶縁体5002と、を有する。
次に、各試料の作製方法について、説明する。
まず、基板5000として、石英基板を準備する。続いて、基板5000上に、DCスパッタリング法を用いて、50nmのIn、Ga、およびZnを含む酸化物5001を成膜した。酸化物5001の成膜は、In、Ga、およびZnを含む酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)ターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmを用い、成膜圧力を0.5Paとし、成膜電力を500Wとし、基板温度を300℃とし、ターゲット−基板間距離を60mmとした。
次に、酸化物5001上に、絶縁体5002として、プラズマCVD法を用いて、100nmの酸化窒化シリコン膜を形成した。成膜ガスは、流量5sccmのシラン(SiH)、および流量1000sccmの一酸化二窒素(NO)を用いた。また、反応室の圧力を133.3Paとし、基板表度を325℃、45W(13.56MHz)の高周波(RF)電力を印加することで成膜した。
次に、試料1A乃至試料1Fにおいて、プラズマCVD装置により、酸素雰囲気下においてプラズマ処理を行った。プラズマ処理は、流量800sccmの酸素(O)雰囲気下で行った。また、反応室の圧力を200Paとし、135W(60MHz)の高周波(RF)電力を印加した。なお、試料1A乃至試料1Gにおけるプラズマ処理の条件を表1に示す。
Figure 0006884569
以上の工程により、本実施例の試料1A乃至試料1Gを作製した。
<2.各試料のTDSの測定結果>
続いて、絶縁体5002、および酸化物5001に含有される水素濃度の評価を行った。なお、水素濃度評価は、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)により行い、分析装置としてアルバック・ファイ社製ダイナミックSIMS装置PHI ADEPT−1010を用いた。
SIMS分析結果を図44、および図45に示す。図44は、絶縁体5002を定量層とし、図44(A)には、試料1A、試料1B、試料1C、および試料1Gの測定結果、図44(B)には、試料1D、試料1E、試料1F、および試料1Gの測定結果を示す。また、図45は、酸化物5001を定量層とし、図45(A)には、試料1A、試料1B、試料1C、および試料1Gの測定結果、図45(B)には、試料1D、試料1E、試料1F、および試料1Gの測定結果を示す。
図44(A)、および図44(B)より、プラズマ処理を行うことで、絶縁体5002中の水素濃度が低減することがわかった。また、処理時間は長いほうが、水素をより低減できることがわかった。また、処理温度は高いほうが、水素をより低減できることがわかった。
図45(A)、および図45(B)より、絶縁体5002上からプラズマ処理を行うことで、絶縁体5002の下方にある酸化物5001においても、水素濃度が低減することがわかった。また、処理時間は長いほうが、水素をより低減できることがわかった。また、処理温度は高いほうが、水素をより低減できることがわかった。
以上、本実施例に示す構成は、他の実施例または他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
100 容量素子
101 容量素子
102 容量素子
105 容量素子
110 絶縁体
112 導電体
112a 導電体
112b 導電体
116 導電体
124 導電体
130 絶縁体
132 絶縁体
134 絶縁体
150 絶縁体
200 トランジスタ
201 トランジスタ
202 トランジスタ
205 導電体
205a 導電体
205A 導電体
205b 導電体
205B 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
213 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
218a 導電体
218b 導電体
218c 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230A 酸化物
230b 酸化物
230B 酸化物
230c 酸化物
230d 酸化物
240a 導電体
240A 導電膜
240b 導電体
240B 導電層
241a 導電体
241b 導電体
244 導電体
244a 導電体
244A 導電膜
244b 導電体
244B 導電膜
244c 導電体
244d 導電体
244e 導電体
245 バリア層
245a バリア層
245A バリア膜
245b バリア層
245c バリア層
245d バリア層
245e バリア層
250 絶縁体
260 導電体
260a 導電体
260A 導電膜
260b 導電体
260c 導電体
280 絶縁体
282 絶縁体
283 絶縁体
284 絶縁体
285 絶縁体
286 絶縁体
290 レジストマスク
292 レジストマスク
294 レジストマスク
296 レジストマスク
300 トランジスタ
301 トランジスタ
302 トランジスタ
311 基板
312 半導体領域
314 絶縁体
316 導電体
318a 低抵抗領域
318b 低抵抗領域
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
328a 導電体
328b 導電体
328c 導電体
330 導電体
330a 導電体
330b 導電体
330c 導電体
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
356a 導電体
356b 導電体
356c 導電体
358 絶縁体
700 基板
701 絶縁体
702 絶縁体
703 半導体
704 導電体
705 導電体
705a 領域
706 絶縁体
707a 導電体
707b 導電体
708 絶縁体
709 絶縁体
710 絶縁体
714a 導電体
714b 絶縁体
714c 導電体
716 絶縁体
719 発光素子
720 絶縁体
721 絶縁体
731 端子
732 FPC
733a 配線
734 シール材
735 駆動回路
736 駆動回路
737 画素
741 トランジスタ
742 容量素子
743 スイッチ素子
744 信号線
750 基板
751 トランジスタ
752 容量素子
753 液晶素子
754 走査線
755 信号線
781 導電体
782 発光層
783 導電体
784 隔壁
791 導電体
792 絶縁体
793 液晶層
794 絶縁体
795 スペーサ
796 導電体
797 基板
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
5000 基板
5001 酸化物
5002 絶縁体

Claims (8)

  1. 基板上に酸素、及び水素に対してバリア性を有する第1のバリア層と、
    前記第1のバリア層上の第1の絶縁体と、
    前記第1の絶縁体上の第2の絶縁体と、
    前記第2の絶縁体上の第3の絶縁体と、
    前記第3の絶縁体上の酸化物半導体を有するトランジスタと、
    前記トランジスタ上の過剰酸素領域を有する第4の絶縁体と、
    前記第4の絶縁体上の酸素、及び水素に対してバリア性を有する第2のバリア層と、を有し、
    前記トランジスタは、耐酸化性を有する第1の導電体、耐酸化性を有する第2の導電体、および耐酸化性を有する第3の導電体を有し、
    前記第2の絶縁体はhigh−k材料を有し、
    前記トランジスタが設けられた領域の外縁において、前記第1のバリア層と、前記第2のバリア層とが接することにより、前記トランジスタは、前記第1のバリア層、及び前記第2のバリア層とに包囲されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1において、
    前記第1の導電体、前記第2の導電体、および前記第3の導電体は、窒化タンタルであることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1または請求項2において、
    前記第1のバリア層、および前記第2のバリア層は、TDS分析により、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した水素の脱離量が、10×1015atoms/cm下である窒化シリコンであることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項1または請求項2において、
    前記第1のバリア層、および前記第2のバリア層は、酸化アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1または請求項2において、
    前記第1のバリア層は、酸化アルミニウムであり、
    前記第2のバリア層は、TDS分析により、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した水素の脱離量が、10×1015atoms/cm下である窒化シリコンの積層構造であることを特徴とする半導体装置。
  6. 基板上に酸素、及び水素に対してバリア性を有する第1のバリア層を形成し、
    前記第1のバリア層上に、第1の導電体を形成し、
    前記第1の導電体上に、第1の絶縁体を形成し、
    前記第1の絶縁体上に、high−k材料を用いて第2の絶縁体を形成し、
    前記第2の絶縁体上に、第3の絶縁体を形成し、
    前記第3の絶縁体上に、第1の酸化物半導体を形成し、
    前記第1の酸化物半導体上に、耐酸化性を有する第2の導電体を形成し、
    前記第2の導電体を、島状に加工し、
    前記島状の第2の導電体をマスクとして、前記第1の酸化物半導体、前記第3の絶縁体を、島状に加工し、加熱処理を行った後、前記島状の第2の導電体を加工することで、第3の導電体、および第4の導電体を形成し、
    前記第1の酸化物半導体、第3の導電体、および第4の導電体上に、第2の酸化物半導体を形成し、
    前記第2の酸化物半導体上に、第4の絶縁体を形成し、
    前記第4の絶縁体上に、耐酸化性を有する島状の第5の導電体を形成し、
    前記第4の絶縁体、および前記第5の導電体上に、第5の絶縁体を形成し、
    前記第5の絶縁体に、前記第3の導電体、前記第4の導電体、および前記第5の導電体に達する開口を形成し、
    前記開口に第6の導電体を形成し、
    前記第6の導電体上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第2のバリア層を形成し、
    前記第2のバリア層、および前記第5の絶縁体に対して、酸素プラズマ処理を行った後、前記第2のバリア層、および前記第5の絶縁体上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第3のバリア層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  7. 請求項6において、
    前記第1のバリア層、および前記第3のバリア層は、スパッタリング法により形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  8. 請求項6または請求項7において、
    前記第5の導電体は、ALD法により形成された窒化タンタルと、スパッタリング法により形成された窒化タンタルの積層構造であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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