JP6917486B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
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。
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
以下では、本明細書等における各語句の定義について説明する。
本明細書において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置と、その製造方法について図面を用いて説明する。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮小するとオン電流が低下する。
以下に本実施の形態のトランジスタの構成について示す。
基板100には、例えば、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からなる化合物半導体基板、SOI(Semiconductor On Insulator)基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい
基板100は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート電極層160、ソース電極層130、およびドレイン電極層140の一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
絶縁層110は、基板100からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層120に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層110は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、TDS法にて、酸素原子に換算しての酸素放出量が1.0×1019atoms/cm3以上である膜とする。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。また、上述のように基板100が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層110は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
酸化物半導体層122は、In若しくはZnを含む酸化物半導体膜であり、代表的には、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−Mg酸化物、Zn−Mg酸化物、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、またはNd)がある。
酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、および酸化物半導体層123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と共に、酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が含まれている酸化物半導体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。
また、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびそれぞれの界面において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、および酸化物半導体層123において酸素欠損が増加し、n型領域が形成されてしまう。このため、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびそれぞれの界面におけるシリコン、および炭素濃度は、低減することが望ましい。例えば、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、酸化物半導体層124、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られるシリコンや炭素の濃度は、1×1016atoms/cm3以上1×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3以上2×1018atoms/cm3以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびそれぞれの界面における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。たとえば、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびそれぞれの界面において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下とすることが望ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有することができる。
また、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびそれぞれの界面に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型領域が形成されてしまう。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体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。従って、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123およびそれぞれの界面において、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、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られる窒素濃度は、1×1015atoms/cm3以上5×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1015atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1015atoms/cm3以上1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下にすることが好ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有することができる。
酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、および酸化物半導体層123の不純物を低減することで、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、および酸化物半導体層123のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、および酸化物半導体層123は、キャリア密度が1×1015個/cm3以下、好ましくは1×1013個/cm3以下、さらに好ましくは8×1011個/cm3未満、より好ましくは1×1011個/cm3未満、最も好ましくは1×1010個/cm3未満であり、1×10−9個/cm3以上とする。
ここで、バンド図について説明する。バンド図は、理解を容易にするため絶縁層110、酸化物半導体層121、酸化物半導体層122、酸化物半導体層123、およびゲート絶縁層150の伝導帯下端のエネルギー(Ec)を示す。
ソース電極層130、ドレイン電極層140には、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする酸素、窒素、フッ素、シリコン、などの化合物を含む導電層の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、積層する場合に、酸化物半導体層122と接触する下側の導電層(例えば、図15で示すソース電極層131、ドレイン電極層141)は酸素と結合しやすい材料を有し、上側の導電層(例えば、図15で示すソース電極層132、ドレイン電極層142)には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、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い。また、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。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
ゲート絶縁層150には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、ゲート絶縁層150は上記材料の積層であってもよい。なお、ゲート絶縁層150に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。
ゲート電極層160には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)およびタングステン(W)などの導電膜を用いることができる。また、当該ゲート電極層160は、積層とすることができる。例えば、図15で示すようにゲート電極層162は上記材料を用いてもよいし、ゲート電極層161、ゲート電極層163には、上記材料の窒化物など、窒素を含んだ導電膜を用いてもよい。
絶縁層170には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層170は上記材料の積層であってもよい。
絶縁層175には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層175は上記材料の積層であってもよい。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について図5乃至図13を用いて説明する。なお、上記トランジスタの構成において説明した部分と重複する部分については、省略する。また、図7乃至図13に示すA1−A2方向は図1(A)、図1(B)に示すチャネル長方向と呼称する場合がある。また、図7乃至図13示すA3−A4方向は、図1(A)および図1(C)に示すチャネル幅方向と呼称する場合がある。
熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
従来のCVD法を利用した成膜装置は、成膜の際、反応のための原料ガス(プリカーサ)の1種または複数種がチャンバーに同時に供給される。ALD法を利用した成膜装置は、反応のためのプリカーサが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切り替えて2種類以上のプリカーサを順番にチャンバーに供給し、複数種のプリカーサが混ざらないように第1のプリカーサの後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第2のプリカーサを導入する。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1のプリカーサを排出した後、第2のプリカーサを導入することができる。
また、プラズマALD法により成膜することで、熱を用いたALD法(熱ALD法)に比べてさらに低温での成膜が可能となる。プラズマALD法は、例えば、100℃以下でも成膜速度を低下させずに成膜することができる。また、プラズマALD法では、N2をプラズマによりラジカル化することができるため、酸化物のみならず窒化物を成膜することができる。
図6(A)にALD法を利用する成膜装置の一例を示す。ALD法を利用する成膜装置は、成膜室(チャンバー1701)と、原料供給部1711a、原料供給部1711bと、流量制御器である高速バルブ1712a、高速バルブ1712bと、原料導入口1713a、原料導入口1713bと、原料排出口1714と、排気装置1715を有する。チャンバー1701内に設置される原料導入口1713a、1713bは供給管やバルブを介して原料供給部1711a、1711bとそれぞれ接続されており、原料排出口1714は、排出管やバルブや圧力調整器を介して排気装置1715と接続されている。
また、図6(A)に示す成膜装置を少なくとも一つ有するマルチチャンバーの製造装置の一例を図6(B)に示す。
まず、基板100上に絶縁層110を成膜する。絶縁層110は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタ法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよく、少なくとも後に酸化物半導体層121となる第1の酸化物半導体膜と接する積層の上層は酸化物半導体層122への酸素の供給源となりえる過剰な酸素を含む材料で形成することが好ましい。
続いて、絶縁層110上に後に酸化物半導体層121となる第1の酸化物半導体膜、後に酸化物半導体層122となる第2の酸化物半導体膜を成膜する。第1の酸化物半導体膜、第2の酸化物半導体膜は、スパッタ法、MOCVD法、PLD法などにより形成することができ、スパッタ法を用いて形成することがより好ましい。スパッタ法としては、RFスパッタ法、DCスパッタ法、ACスパッタ法等を用いることができる。また、スパッタ法において、対向ターゲット方式(対向電極方式、気相スパッタ方式、VDSP(Vapor Deposition Spattering)方式ともいう)により形成することにより、成膜時のプラズマダメージを低減することができる。
次に、酸化物半導体層123上にソース電極層130、ドレイン電極層140となる第1の導電膜を形成する。第1の導電膜は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む。)、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法等を用いて形成することができる。
次に、リソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて、第1の導電膜を選択的にエッチングし、導電層130bを形成する。続いて、導電層130b上のレジストを除去後、導電層130bをハードマスクとして、第2の酸化物半導体膜、第1の酸化物半導体膜をそれぞれ選択的にエッチングし、酸化物半導体層122、酸化物半導体層121を島状に形成することができる(図7参照)。なお、エッチング方法としては、ドライエッチング法を用いることができる。なお、導電層130bをハードマスクとして用いて酸化物半導体層をエッチングすることで、レジストマスクと比べてエッチングした後の酸化物半導体層のエッジラフネスを低減することができる。
次に、絶縁層110、導電層130b上に第2の絶縁膜を成膜する。
また、トランジスタ10を作製する上で、上記方法に限定されず、酸素を添加する処理を別途行ってもよい。当該酸素を添加する処理は、絶縁層110に行ってもよいし、第1の酸化物半導体膜、後述する第3の酸化物半導体膜123aに対して行ってもよい。添加する酸素として、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等のいずれか一以上を用いる。また、酸素を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法等がある。
次に、第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を成膜する。第3の絶縁膜は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、スパッタ法、またはスピンコーティング法等により、例えば、酸化アルミニウム(SiOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン(SiNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化アルミニウム(AlNx)、窒化酸化アルミニウム(AlNxOy)などの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよい。
次に、第3の絶縁膜の平坦化処理を行い、絶縁層175bを形成する。平坦化処理は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法、ドライエッチング法、リフロー法などを用いて行うことができる。また、CMP法を用いて平坦化する場合には、第3の絶縁膜上に第3の絶縁膜と組成の異なる膜を導入することにより、CMP処理後の基板面内の絶縁層175の膜厚を均一にすることができる。
次に、絶縁層175b上にリソグラフィ工程によりレジストマスク176を形成する(図10参照)。なお、絶縁層175b上に有機膜を塗布してから、あるいは、レジスト上に有機膜を塗布してからリソグラフィ工程を行ってもよい。当該有機膜は、プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチルなど、を有しており、露光時の反射防止膜(BARC、Bottom Anti Reflective Coating)としての機能を有するほか、レジストと膜との密着性の向上、解像性の向上などの効果を有することができる。
次に、酸化物半導体層122、絶縁層175上に酸化物半導体層123として用いられる第3の酸化物半導体膜123aを成膜する。第3の酸化物半導体膜123aは、第1の酸化物半導体膜と同様の方法で成膜することができ、第3の酸化物半導体膜123aは、第2の酸化物半導体膜よりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。
次に、酸化物半導体膜123a上にゲート絶縁層150となる第4の絶縁膜150aを形成する。第4の絶縁膜150aには、例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。なお、第4の絶縁膜150aは、上記材料の積層であってもよい。第4の絶縁膜150aは、スパッタ法、CVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、などを用いて形成することができる。また、第4の絶縁膜150aは、絶縁層110と同様の方法を適宜用いて絶縁膜を形成することができる。
次に、第4の絶縁膜150a上にゲート電極層160となる第2の導電膜160aを成膜する。(図12参照)。第2の導電膜160aとしては、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。第2の導電膜160aは、スパッタ法やCVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、蒸着法、めっき法などにより形成することができる。また、第2の導電膜160aとしては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記導電膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。また、第2の導電膜160aは、単層でもよいし、積層でもよい。
次に、平坦化処理を行う。平坦化処理は、CMP法、ドライエッチング法などを用いて行うことができる。平坦化処理は、第3の絶縁膜150aが露出した時点で終了してもよいし、第3の酸化物半導体膜123aが露出した時点で終了してもよいし、絶縁層175が露出した時点で終了してもよい。これにより、ゲート電極層160、ゲート絶縁層150、酸化物半導体層123を形成することができる(図13参照)。
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ11について、図14を用いて説明する。
導電層135には、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする酸素、窒素、フッ素、シリコン、などの化合物を含む導電層の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、積層する場合に、酸化物半導体層122と接触する下側の導電層は酸素と結合しやすい材料を有し、上側の導電層には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、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い。また、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。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ12について、図15及び図16を用いて説明する。
導電層165は、ボトムゲートとしての機能を有することができる。導電層165は、ゲート電極層160と同電位を与えることができるし、異なる電位を与えることができる。導電層165には、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする酸素、窒素、フッ素、シリコン、などの化合物を含む導電層の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、導電層166には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、導電層167には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い。また、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。
絶縁層177には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層177は上記材料の積層であってもよい。
本実施の形態では、実施の形態1で説明したトランジスタ10とは構造の異なるトランジスタ14、およびトランジスタ14の作製方法について説明する。
図19(A)、図19(B)、図19(C)は、本発明の一態様のトランジスタ14の上面図および断面図である。図19(A)は上面図であり、図19(B)は図19(A)の一点鎖線A1−A2間、図19(C)は図19(A)の一点鎖線A3−A4間の断面図である。また、図19(A)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線A1−A2方向をチャネル長方向、一点鎖線A3−A4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
絶縁層185には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層185は上記材料の積層であってもよい。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。
トランジスタ14の作製方法を以下に説明する。なお、実施の形態1において説明したトランジスタ10と同様の工程については、当該説明を援用する。
<酸化物半導体の構造>
本実施の形態では、酸化物半導体の構造について説明する。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
次に、nc−OSについて説明する。
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。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
図29(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図29(A)において、X1−X2方向はチャネル長方向、Y1−Y2方向はチャネル幅方向を示す。図29(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。図29(A)では、第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100として、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極を適宜接続することにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
図29(B)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOSインバータの構成を示している。
また、図29(C)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。図29(A)において、X1−X2方向はチャネル長方向、Y1−Y2方向はチャネル幅方向を示す。このような構成とすることで、いわゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図30に示す。
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
撮像装置200が有する1つの画素211を複数の副画素212で構成し、それぞれの副画素212に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ(カラーフィルタ)を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
<RFタグ>
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むRFタグについて、図35を参照して説明する。
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
図36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36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36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。
図37は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子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良い。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した表示装置の構成例について説明する。
図38(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図38(B)は、本発明の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図38(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
また、画素の回路構成の一例を図38(B)に示す。ここでは、一例としてVA型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
画素の回路構成の他の一例を図38(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、図29を用いて説明を行う。
図39に示す表示モジュール6000は、上部カバー6001と下部カバー6002との間に、FPC6003に接続されたタッチパネル6004、FPC6005に接続された表示パネル6006、バックライトユニット6007、フレーム6009、プリント基板6010、バッテリー6011を有する。なお、バックライトユニット6007、バッテリー6011、タッチパネル6004などは、設けられない場合もある。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の使用例について説明する。
図40(A)に、リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図を示す。図40(A)に示すパッケージは、本発明の一態様に係る半導体装置に相当するチップ1751が、ワイヤボンディング法により、インターポーザ1750上の端子1752と接続されている。端子1752は、インターポーザ1750のチップ1751がマウントされている面上に配置されている。そしてチップ1751はモールド樹脂1753によって封止されていてもよいが、各端子1752の一部が露出した状態で封止されるようにする。
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器及び照明装置について、図面を用いて説明する。
本発明の一態様の半導体装置を用いて、電子機器や照明装置を作製できる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いて、信頼性の高い電子機器や照明装置を作製できる。また本発明の一態様の半導体装置を用いて、タッチセンサの検出感度が向上した電子機器や照明装置を作製できる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いたRFタグの使用例について図44を用いながら説明する。
RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図44(A)参照)、乗り物類(自転車等、図44(B)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図44(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等身の回り品(鞄や眼鏡等、図44(D)参照)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図44(E)、図44(F)参照)等に設けて使用することができる。
11 トランジスタ
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 トランジスタ
63 半導体層
64 半導体層
65 半導体層
100 基板
110 絶縁層
120 酸化物半導体層
121 酸化物半導体層
122 酸化物半導体層
123 酸化物半導体層
123a 酸化物半導体膜
124 酸化物半導体層
130 ソース電極層
130b 導電層
131 ソース電極層
132 ソース電極層
135 導電層
140 ドレイン電極層
141 ドレイン電極層
142 ドレイン電極層
150 ゲート絶縁層
150a 絶縁膜
160 ゲート電極層
160a 導電膜
161 ゲート電極層
162 ゲート電極層
163 ゲート電極層
165 導電層
166 導電層
167 導電層
170 絶縁層
171 混合層
172 酸素
174 溝部
175 絶縁層
175b 絶縁層
176 レジストマスク
177 絶縁層
180 絶縁層
185 絶縁層
190 導電層
191 導電層
192 導電層
200 撮像装置
201 スイッチ
202 スイッチ
203 スイッチ
210 画素部
211 画素
212 副画素
212B 副画素
212G 副画素
212R 副画素
220 光電変換素子
230 画素回路
231 配線
247 配線
248 配線
249 配線
250 配線
253 配線
254 フィルタ
254B フィルタ
254G フィルタ
254R フィルタ
255 レンズ
256 光
257 配線
260 周辺回路
270 周辺回路
280 周辺回路
290 周辺回路
291 光源
300 シリコン基板
310 層
320 層
330 層
340 層
351 トランジスタ
352 トランジスタ
353 トランジスタ
360 フォトダイオード
361 アノード
362 カソード
363 低抵抗領域
365 フォトダイオード
366 半導体層
367 半導体層
368 半導体層
370 プラグ
371 配線
372 配線
373 配線
374 配線
601 プリカーサ
602 プリカーサ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 走査線
713 走査線
714 信号線
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
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
1223 酸化物半導体層
1700 被成膜基板
1701 チャンバー
1702 ロード室
1703 前処理室
1704 チャンバー
1705 チャンバー
1706 アンロード室
1711a 原料供給部
1711b 原料供給部
1712a 高速バルブ
1712b 高速バルブ
1713a 原料導入口
1713b 原料導入口
1714 原料排出口
1715 排気装置
1716 基板ホルダ
1720 搬送室
1750 インターポーザ
1751 チップ
1752 端子
1753 モールド樹脂
1800 パネル
1801 プリント配線基板
1802 パッケージ
1803 FPC
1804 バッテリー
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁体
2202 配線
2203 プラグ
2204 絶縁体
2205 配線
2207 絶縁体
2210 中間層
2211 半導体基板
2212 絶縁体
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁体
2215 ドレイン領域
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFタグ
5100 ペレット
5120 基板
5161 領域
6000 表示モジュール
6001 上部カバー
6002 下部カバー
6003 FPC
6004 タッチパネル
6005 FPC
6006 表示パネル
6007 バックライトユニット
6008 光源
6009 フレーム
6010 プリント基板
6011 バッテリー
7101 筐体
7102 筐体
7103 表示部
7104 表示部
7105 マイク
7106 スピーカー
7107 操作キー
7108 スタイラス
7302 筐体
7304 表示部
7311 操作ボタン
7312 操作ボタン
7313 接続端子
7321 バンド
7322 金
7501 筐体
7502 表示部
7503 操作ボタン
7504 外部接続ポート
7505 スピーカー
7506 マイク
7701 筐体
7702 筐体
7703 表示部
7704 操作キー
7705 レンズ
7706 接続部
7901 電柱
7902 表示部
8000 カメラ
8001 筐体
8002 表示部
8003 操作ボタン
8004 シャッターボタン
8005 結合部
8006 レンズ
8100 ファインダー
8101 筐体
8102 表示部
8103 ボタン
8121 筐体
8122 表示部
8123 キーボード
8124 ポインティングデバイス
8200 ヘッドマウントディスプレイ
8201 装着部
8202 レンズ
8203 本体
8204 表示部
8205 ケーブル
8206 バッテリ
9700 自動車
9701 車体
9702 車輪
9703 ダッシュボード
9704 ライト
9710 表示部
9711 表示部
9712 表示部
9713 表示部
9714 表示部
9715 表示部
9721 表示部
9722 表示部
9723 表示部
Claims (2)
- 酸化物層と、
前記酸化物層上の第1の導電層及び第2の導電層と、
前記第1の導電層の上面、前記第2の導電層の上面及び前記酸化物層の側面と接する絶縁層と、
前記絶縁層上に位置し、前記第1の導電層の側面及び前記第2の導電層の側面と接する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を介して前記酸化物層上に位置するゲート電極層と、
前記酸化物半導体層と前記ゲート電極層との間のゲート絶縁層と、を有し、
前記酸化物層は、前記第1の導電層と接する第1の領域と、前記第2の導電層と接する第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間に位置し、前記酸化物半導体層と接する第3の領域を有し、
前記第3の領域の膜厚は、前記第1の領域の膜厚及び前記第2の領域の膜厚より小さい半導体装置。 - 酸化物層と、
前記酸化物層上の第1の導電層及び第2の導電層と、
前記第1の導電層の上面、前記第2の導電層の上面及び前記酸化物層の側面と接する第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上に位置し、溝部を有する第2の絶縁層と、
前記溝部の内側と接し、且つ前記第1の導電層の側面及び前記第2の導電層の側面と接する酸化物半導体層と、
前記溝部の内側に位置し、前記酸化物半導体層を介して前記酸化物層上に位置するゲート電極層と、
前記酸化物半導体層と前記ゲート電極層との間のゲート絶縁層と、を有し、
前記酸化物層は、前記第1の導電層と接する第1の領域と、前記第2の導電層と接する第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間に位置し、前記酸化物半導体層と接する第3の領域を有し、
前記第3の領域の膜厚は、前記第1の領域の膜厚及び前記第2の領域の膜厚より小さい半導体装置。
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