JP7120837B2 - 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
本発明の一態様の半導体装置は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置である。本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図1乃至図23を用いて説明する。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bを有する半導体装置の一例について説明する。以下では、半導体装置の一形態を、図1乃至図20を用いて説明する。
図1、および図2に示すように、トランジスタ200aは、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205_1(導電体205_1aおよび導電体205_1b)と、導電体205_1の上および絶縁体216の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230aおよび酸化物230b)と、酸化物230の上に配置された酸化物230_1cと、酸化物230_1cの上に配置された絶縁体250aと、絶縁体250aの上に配置された導電体260aと、導電体260aの上に配置された絶縁体270aと、絶縁体270aの上に配置された絶縁体271aと、少なくとも導電体260aの側面に接して配置された絶縁体275aと、を有する。
図1、および図2に示すように、容量素子100aは、トランジスタ200aと重畳する領域に設ける。同様に、容量素子100bは、トランジスタ200bと重畳する領域に設ける。また、図6(A)にW5-W6の一点鎖線で示す部分の断面図を図6(B)に示す。
トランジスタを形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
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203a、導電体203b、導電体205_1、導電体205_2、導電体260a、導電体260b、導電体240、導電体110a、導電体110b、導電体120aおよび導電体120b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を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る半導体層および酸化物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200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bを有する半導体装置の作製方法を図7乃至図20を用いて説明する。また、図7乃至図20において、各図の(A)は、上面図である。各図の(B)は各図の(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、各図の(C)は、各図の(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図である。
図22、および図23には、容量素子100a、容量素子100b、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bを有する半導体装置の一例を示す。各図(A)は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、各図(A)において一部の膜は省略されている。また、図22(B)は、図22(A)に示す一点鎖線A1-A2に対応する断面図である。また、図23(B)は、図23(A)に示す一点鎖線A3-A4に対応する断面図である。
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200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100b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24に示すようにセル600と、セル600と同様の構成を有するセル601が容量部を介して接続されている構成としてもよい。なお、本明細書では、トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100a、および容量素子100bを有する半導体装置をセルと称する。トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bの構成については、上述のトランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bに係る記載を参酌することができる。
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図25に示す。例えば、図24に示すセルの構成を、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。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図28を用いて説明する。
図28に示す記憶装置は、トランジスタ200a、容量素子100a、トランジスタ200b、容量素子100b、およびトランジスタ300と、を有している。図28は、トランジスタ200a、トランジスタ200b、およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。図29は、図28にW1-W2の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまり、トランジスタ300近傍のトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
本発明の一態様の半導体装置は、図28に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200a、およびトランジスタ200b、容量素子100a、および容量素子100bを有する。トランジスタ200a、およびトランジスタ200bはトランジスタ300の上方に設けられ、トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bは同じ層に配置される。なお、トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bの構成については、先の実施の形態を参酌することができる。
図30に示す半導体装置は、トランジスタ400と、トランジスタ200a、トランジスタ200b、容量素子100aおよび容量素子100bを有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図30を用いて説明する。
図30(B)は、容量素子100a、容量素子100b、トランジスタ200a、トランジスタ200bおよびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図30に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
本実施の形態では、図31および図32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、DOSRAM(登録商標)について説明する。DOSRAM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。
図31にDOSRAMの構成例を示す。図31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34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35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37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
110 導電体
110a 導電体
110b 導電体
120a 導電体
120b 導電体
130 絶縁体
200 トランジスタ
200a トランジスタ
200b トランジスタ
203a 導電体
203b 導電体
205 導電体
205_1 導電体
205_1a 導電体
205_1b 導電体
205_2 導電体
205_2a 導電体
205_2b 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
230_1c 酸化物
230_2c 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
240 導電体
240a 導電体
240b 導電体
240c 導電体
242 領域
242A 膜
246 導電体
248 導電体
250 絶縁膜
250a 絶縁体
250b 絶縁体
253 導電体
260 導電膜
260a 導電体
260b 導電体
270 絶縁膜
270a 絶縁体
270b 絶縁体
271 絶縁膜
271a 絶縁体
271b 絶縁体
274 絶縁体
275 絶縁膜
275a 絶縁体
275b 絶縁体
280 絶縁体
284 絶縁体
286 絶縁体
288 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
366 導電体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
400 トランジスタ
403 導電体
405 導電体
405a 導電体
405b 導電体
424 絶縁体
430c 酸化物
431a 酸化物
431b 酸化物
432a 酸化物
432b 酸化物
450 絶縁体
452 絶縁体
460 導電体
460a 導電体
460b 導電体
470 絶縁体
471 絶縁体
472 絶縁体
474 絶縁体
475 絶縁体
600 セル
601 セル
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
1003 配線
1004a 配線
1004b 配線
1005a 配線
1005b 配線
1006a 配線
1006b 配線
1007 配線
1008 配線
1009 配線
1010 配線
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
1445a メモリセル
1445b メモリセル
1446 センスアンプ
1447 グローバルセンスアンプ
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
3004a 配線
3004b 配線
3005a 配線
3005b 配線
3006a 配線
3006b 配線
3007 配線
3564 導電体
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 (7)
- 第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第1の容量素子、第2の容量素子、およびプラグを有する半導体装置であって、
前記第1のトランジスタは、
酸化物半導体と、
前記酸化物半導体上の第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1の導電体の側面と接する第2の絶縁体と、を有し、
前記第2のトランジスタは、
前記酸化物半導体と、
前記酸化物半導体上の第3の絶縁体と、
前記第3の絶縁体上の第2の導電体と、
前記第2の導電体の側面と接する第4の絶縁体と、を有し、
前記第1の容量素子は、
前記酸化物半導体上、および前記第2の絶縁体に接する第3の導電体と、
前記第3の導電体上の第5の絶縁体と、
前記第5の絶縁体上の第4の導電体と、を有し、
前記第2の容量素子は、
前記酸化物半導体上、および前記第4の絶縁体に接する第5の導電体と、
前記第5の導電体上の前記第5の絶縁体と、
前記第5の絶縁体上の第6の導電体と、を有し、
前記プラグは、前記酸化物半導体、前記第2の絶縁体、および前記第4の絶縁体に接して設けられ、
前記第1の容量素子の側面積は、前記第1の容量素子の投影面積よりも大きく、
前記第2の容量素子の側面積は、前記第2の容量素子の投影面積よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置は、
前記酸化物半導体は第1のチャネル形成領域と、第2のチャネル形成領域と、を有し、
前記第1の導電体は前記第1のチャネル形成領域と重なり、
前記第2の導電体は前記第2のチャネル形成領域と重なる、ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2の記載の半導体装置は、
前記酸化物半導体は第1の領域と、第2の領域と、を有し、
前記プラグは前記第1の領域と重なり、
前記第2の領域は前記第1の領域と前記第1のチャネル形成領域の間にあり、
前記第1の領域は前記第2の領域より高いキャリア密度を有し、
前記第2の領域は前記第1のチャネル形成領域より高いキャリア密度を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置は、
前記第1のトランジスタ上、および前記第2のトランジスタ上に設けられた第6の絶縁体と、
前記第1の容量素子上、前記第2の容量素子上、および前記第6の絶縁体上に設けられた第7の絶縁体と、を有し、
前記第6の絶縁体は、前記第1の絶縁体を露出する第1の開口と、前記第3の絶縁体を露出する第2の開口を有し、
前記第1の開口内に、前記第1の容量素子は設けられ、
前記第2の開口内に、前記第2の容量素子は設けられ、
前記第6の絶縁体と、前記第7の絶縁体は、前記第1の絶縁体、および前記第2の絶縁体を露出する第3の開口を有し、
前記第3の開口内に、前記プラグが設けられていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項4に記載の半導体装置は、
前記第7の絶縁体上、および前記プラグ上に、配線として機能する第7の導電体を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項5において、
前記第1の導電体と、前記第2の導電体は、前記第1のトランジスタのチャネル長方向と、概略直交する方向に延伸し、
前記第7の導電体は、前記第1のトランジスタのチャネル長方向と、概略平行となる方向に延伸する特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、
前記酸化物半導体は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を含む、ことを特徴とする半導体装置。
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