JP6894726B2 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成および作製方法の一例について図1乃至図23を用いて説明する。
図1(A)、図1(B)、図1(C)、および図1(D)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200の上面図、および断面図である。ここで、図1(B)は、図1(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向に対応する。また、図1(C)は、図1(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向に対応する。また、図1(D)は、図1(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向に対応する。図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
上記においては、トランジスタ200の構成として、領域234がチャネル長方向側から領域232aと領域232bに挟まれる構成を挙げたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図4および図5に示すように、領域232が領域234を囲むように設けられる構成としてもよい。図4および図5に示すトランジスタ200は、領域234および領域232の形状以外は、図1に示すトランジスタ200と同様の構成を有する。
上記においては、半導体装置の構成例としてトランジスタ200を挙げたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図8に示すようにトランジスタ200と容量素子100を有する半導体装置としてもよい。なお、本明細書では、1つの容量素子、および少なくとも1つのトランジスタを有する半導体装置をセルと称する。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200と、容量素子100、層間膜として機能する絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体252(導電体252a、導電体252b、導電体252c、および導電体252d)とを有する。なお、トランジスタ200の構成については、上述のトランジスタ200に係る記載を参酌することができる。
図8に示すように、容量素子100は、トランジスタ200と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ200の酸化物230に設けられた領域231bの一部が、容量素子100の電極の一方として機能する容量素子100の例について示す。
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図9および図10に示す。例えば、図8に示すトランジスタ200、および容量素子100を有するセル600を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
酸化物230として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
次に、本発明の一態様に係るトランジスタ200の作製方法を図11乃至図23を用いて説明する。また、図11乃至図23において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は(A)に示すA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(C)は、(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(D)は、(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図24を用いて説明する。
図24に示す記憶装置は、トランジスタ200、および容量素子100を有するセル600と、トランジスタ300と、を有している。
本発明の一態様の半導体装置は、図24に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
本実施の形態では、図25および図26を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ。)、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、NOSRAMについて説明する。NOSRAM(登録商標)とは「Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、ゲインセル型(2T型、3T型)のメモリセルを有するRAMを指す。なお、以下において、NOSRAMのようにOSトランジスタを用いたメモリ装置を、OSメモリと呼ぶ場合がある。
図25にNOSRAMの構成例を示す。図25に示すNOSRAM1600は、メモリセルアレイ1610、コントローラ1640、行ドライバ1650、列ドライバ1660、出力ドライバ1670を有する。なお、NOSRAM1600は、1のメモリセルで多値データを記憶する多値NOSRAMである。
図26(A)はメモリセル1611の構成例を示す回路図である。メモリセル1611は2T型のゲインセルであり、メモリセル161はワード線WWL、RWL、ビット線BL、ソース線SL、配線BGLに電気的に接続されている。メモリセル1611は、ノードSN、OSトランジスタMO61、トランジスタMP61、容量素子C61を有する。OSトランジスタMO61は書き込みトランジスタである。トランジスタMP61は読み出しトランジスタであり、例えばpチャネル型Siトランジスタで構成される。容量素子C61はノードSNの電圧を保持するための保持容量である。ノードSNはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタMP61のゲートに相当する。
本実施の形態では、図27および図28を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、DOSRAMについて説明する。DOSRAM(登録商標)とは、「Dynamic Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、1T(トランジスタ)1C(容量)型のメモリセルを有するRAMを指す。DOSRAMも、NOSRAMと同様に、OSメモリが適用されている。
図27にDOSRAMの構成例を示す。図27に示すように、DOSRAM1400は、コントローラ1405、行回路1410、列回路1415、メモリセルおよびセンスアンプアレイ1420(以下、「MC−SAアレイ1420」と呼ぶ。)を有する。
MC−SAアレイ1420は、メモリセルアレイ1422をセンスアンプアレイ1423上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線GBLL、GBLRはメモリセルアレイ1422上に積層されている。DOSRAM1400では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
コントローラ1405は、DOSRAM1400の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ1405は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路1410、列回路1415の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
行回路1410は、MC−SAアレイ1420を駆動する機能を有する。デコーダ1411はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路1412は、アクセス対象行のワード線WLを選択する選択信号を生成する。
列回路1415は、データ信号WDA[31:0]の入力を制御する機能、データ信号RDA[31:0]の出力を制御する機能を有する。データ信号WDA[31:0]は書き込みデータ信号であり、データ信号RDA[31:0]は読み出しデータ信号である。
本実施の形態では、図29から図32を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、FPGA(フィールドブログラマブルブゲートアレイ)について説明する。本実施の形態のFPGAは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにOSメモリが適用されている。ここでは、このようなFPGAを「OS−FPGA」と呼ぶ。
図29(A)にOS−FPGAの構成例を示す。図29(A)に示すOS−FPGA3110は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替え、細粒度パワーゲーティング、NOFF(ノーマリオフ)コンピューティングが可能である。OS−FPGA3110は、コントローラ3111、ワードドライバ3112、データドライバ3113、プログラマブルエリア3115を有する。
“H”の信号storeがOS−FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はFF3141のデータをバックアップする。ノードN36は、ノードQのデータが書き込まれることで、“L”となり、ノードNB36は、ノードQBのデータが書き込まれることで、“H”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ3127をオフにする。FF3141のノードQ、QBのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ3142はバックアップしたデータを保持する。
パワースイッチ3127をオンにし、PLE3121に電源を供給する。しかる後、“H”の信号loadがOS−FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はバックアップしているデータをFF3141に書き戻す。ノードN36は“L”であるので、ノードN37は“L”が維持され、ノードNB36は“H”であるので、ノードNB37は“H”となる。よって、ノードQは“H”になり、ノードQBは“L”になる。つまり、OS−FF3140はバックアップ動作時の状態に復帰する。
本実施の形態では、図33を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、AIシステムについて説明を行う。
<AIシステムの応用例>
本実施の形態では、上記実施の形態に示すAIシステムの応用例について図34を用いて説明を行う。
本実施の形態は、上記実施の形態に示すAIシステムが組み込まれたICの一例を示す。
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図36に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
100a 容量素子
100b 容量素子
120 導電体
130 絶縁体
161 メモリセル
200 トランジスタ
200a トランジスタ
200b トランジスタ
205 導電体
205a 導電体
205b 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230A 酸化膜
230b 酸化物
230B 酸化膜
230c 酸化物
230C 酸化膜
231 領域
231a 領域
231b 領域
232 領域
232a 領域
232b 領域
234 領域
239 領域
240 領域
242 マスク
244 ドーパント
250 絶縁体
250A 絶縁膜
252 導電体
252a 導電体
252b 導電体
252c 導電体
252d 導電体
260 導電体
260a 導電体
260A 導電膜
260b 導電体
260B 導電膜
260c 導電体
260C 導電膜
270 絶縁体
270A 絶縁膜
271 絶縁体
271A 絶縁膜
272 絶縁体
272A 絶縁膜
274 絶縁体
280 絶縁体
300 トランジスタ
311 基板
313 半導体領域
314a 低抵抗領域
314b 低抵抗領域
315 絶縁体
316 導電体
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
330 導電体
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
360 絶縁体
362 絶縁体
364 絶縁体
366 導電体
370 絶縁体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
380 絶縁体
382 絶縁体
384 絶縁体
386 導電体
600 セル
600a セル
600b セル
610 回路
620 回路
830 モニタ
831 表示部
832 筐体
833 スピーカ
834 リモコン操作機
860 ナビゲーション装置
861 表示部
862 操作ボタン
863 外部入力端子
1400 DOSRAM
1405 コントローラ
1410 行回路
1411 デコーダ
1412 ワード線ドライバ回路
1413 列セレクタ
1414 センスアンプドライバ回路
1415 列回路
1416 グローバルセンスアンプアレイ
1417 入出力回路
1420 MC−SAアレイ
1422 メモリセルアレイ
1423 センスアンプアレイ
1425 ローカルメモリセルアレイ
1426 ローカルセンスアンプアレイ
1444 スイッチアレイ
1445 メモリセル
1446 センスアンプ
1447 グローバルセンスアンプ
1600 NOSRAM
1610 メモリセルアレイ
1611 メモリセル
1611−1614 メモリセル
1612 メモリセル
1613 メモリセル
1614 メモリセル
1640 コントローラ
1650 行ドライバ
1651 行デコーダ
1652 ワード線ドライバ
1660 列ドライバ
1661 列デコーダ
1662 ドライバ
1663 DAC
1670 出力ドライバ
1671 セレクタ
1672 ADC
1673 出力バッファ
2000 CDMA
2910 情報端末
2911 筐体
2912 表示部
2913 カメラ
2914 スピーカ部
2915 操作スイッチ
2916 外部接続部
2917 マイク
2920 ラップトップ型パーソナルコンピュータ
2921 筐体
2922 表示部
2923 キーボード
2924 ポインティングデバイス
2940 ビデオカメラ
2941 筐体
2942 筐体
2943 表示部
2944 操作スイッチ
2945 レンズ
2946 接続部
2980 自動車
2981 車体
2982 車輪
2983 ダッシュボード
2984 ライト
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3006 配線
3110 OS−FPGA
3111 コントローラ
3112 ワードドライバ
3113 データドライバ
3115 プログラマブルエリア
3117 IOB
3119 コア
3120 LAB
3121 PLE
3123 LUTブロック
3124 レジスタブロック
3125 セレクタ
3126 CM
3127 パワースイッチ
3128 CM
3130 SAB
3131 SB
3133 PRS
3135 CM
3137 メモリ回路
3137B メモリ回路
3140 OS−FF
3141 FF
3142 シャドウレジスタ
3143 メモリ回路
3143B メモリ回路
3188 インバータ回路
3189 インバータ回路
4010 演算部
4011 アナログ演算回路
4012 DOSRAM
4013 NOSRAM
4014 FPGA
4020 制御部
4021 CPU
4022 GPU
4023 PLL
4025 PROM
4026 メモリコントローラ
4027 電源回路
4028 PMU
4030 入出力部
4031 外部記憶制御回路
4032 音声コーデック
4033 映像コーデック
4034 汎用入出力モジュール
4035 通信モジュール
4041 AIシステム
4041_n AIシステム
4041_1 AIシステム
4041A AIシステム
4041B AIシステム
4098 バス線
4099 ネットワーク
7000 AIシステムIC
7001 リード
7003 回路部
7031 Siトランジスタ層
7032 配線層
7033 OSトランジスタ層
Claims (10)
- 第1の領域と、前記第1の領域を挟むように設けられた第2の領域および第3の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域に挟まれるように設けられた第4の領域と、前記第1の領域と前記第3の領域に挟まれるように設けられた第5の領域と、を有する第1の酸化物と、
前記第1の領域上の第2の酸化物と、
前記第2の酸化物上の第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体上の第1の導電体と、
前記第2の酸化物上、かつ前記第1の絶縁体および前記第1の導電体の側面に設けられた第2の絶縁体と、
前記第1の酸化物、前記第2の酸化物、前記第1の絶縁体、前記第1の導電体、および前記第2の絶縁体を覆い、前記第2の領域乃至前記第5の領域に接する第3の絶縁体と、を有し、
前記第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を含み、
前記第4の領域および前記第5の領域に含まれる元素Mの濃度は、前記第1の領域乃至前記第3の領域に含まれる元素Mの濃度より大きく、
前記第1の領域は、チャネル形成領域として機能し、
前記第2の領域は、ソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、
前記第3の領域は、ソース領域またはドレイン領域の他方として機能し、
前記第1の領域乃至前記第3の領域において、前記Inの原子数比が前記元素Mの原子数比より大きく、
前記第4の領域および前記第5の領域において、前記元素Mの原子数比が前記Inの原子数比より大きい、半導体装置。 - 請求項1において、
前記第3の絶縁体は、水素および窒素のいずれか一方または両方を有する、半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第2の絶縁体は、前記第4の領域および前記第5の領域上に設けられる、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第2の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を含む、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第2の領域および前記第3の領域は、前記第4の領域および前記第5の領域より、水素の濃度が大きく、
前記第4の領域および前記第5の領域は、前記第1の領域より、水素の濃度が大きい、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記第1の領域のチャネル長方向の長さは、5nm以上300nm以下であり、
前記第4の領域および前記第5の領域のチャネル方向の長さは、1nm以上10nm以下である、半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
上面視において、前記第4の領域と前記第5の領域は前記第1の領域を囲むように設けられる、半導体装置。 - Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、且つ第1乃至第5の領域を有する第1の酸化物を含む半導体装置の作製方法であって、
前記作製方法は、
前記第1の酸化物を形成する工程と、
前記第1の酸化物を覆って、第2の酸化物を成膜する工程と、
前記第2の酸化物を介して、前記第1の酸化物の一部に前記元素Mを添加して前記第4の領域及び前記第5の領域を形成する工程と、
前記第2の酸化物の上に、前記第4の領域と前記第5の領域の間の領域と重なるように、第1の絶縁体、第1の導電体を形成する工程と、
前記第1の絶縁体および前記第1の導電体の側面に接するように第2の絶縁体を形成する工程と、
前記第2の酸化物を島状に加工して、前記第2の酸化物の側面が、前記第2の絶縁体の側面と重なるように形成する工程と、
前記第1の酸化物、前記第2の酸化物、前記第1の絶縁体、前記第1の導電体、および前記第2の絶縁体を覆うように第3の絶縁体を形成し、前記第2の領域及び前記第3の領域を形成する工程と、を有し、
前記第1の酸化物には、前記第1の絶縁体と重なる前記第1の領域が形成され、
前記第1の領域は、チャネル形成領域として機能し、
前記第2の領域は、ソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、
前記第3の領域は、ソース領域またはドレイン領域の他方として機能し、
前記第1の領域と前記第2の領域との間に、前記第4の領域または前記第5の領域の一方を有し、
前記第1の領域と前記第3の領域との間に、前記第4の領域または前記第5の領域の他方を有する、半導体装置の作製方法。 - 請求項8において、
前記元素Mの添加は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行う、半導体装置の作製方法。 - 請求項8または請求項9のいずれかにおいて、
前記元素Mを添加する工程の後に、前記第3の絶縁体の形成後に熱処理を行う、半導体装置の作製方法。
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