図面 (/)

技術 半導体装置の作製方法

出願人 株式会社半導体エネルギー研究所
発明者 肥塚純一神長正美島行徳保坂泰靖中澤安孝羽持貴士佐藤貴洋山崎舜平
出願日 2016年10月6日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-197917
公開日 2017年4月20日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2017-076787
状態 特許登録済
技術分野 半導体の電極 液晶2(構造一般、スペーサ、注入口及びシール材) 要素組合せによる可変情報用表示装置2 半導体集積回路 エレクトロルミネッセンス光源 MOSIC,バイポーラ・MOSIC 固体撮像素子 要素組合せによる可変情報用表示装置1 薄膜トランジスタ 半導体集積回路装置の内部配線 ICの設計・製造(配線設計等)
主要キーワード FFT像 累積照射量 反跳イオン 光照射環境 酸素原子イオン 概略平坦 不均質構造 連続接合
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年4月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (20)

課題

酸化物半導体を有する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。

解決手段

基板上に酸化物半導体を形成し、酸化物半導体上に絶縁体を形成し、絶縁体上に金属酸化物を形成し、金属酸化物上導電体を形成し、酸化物半導体上の導電体、金属酸化物、絶縁体を除去することで、酸化物半導体の一部を露出し、露出した酸化物半導体の表面にプラズマ処理を行い、露出した酸化物半導体、及び導電体上に窒化物絶縁体を形成し、プラズマ処理は、アルゴンガス及び窒素ガス混合雰囲気下で行う。

概要

背景

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電界効果トランジスタFET)、または薄膜トランジスタ(TFT)ともいう)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)や画像表示装置表示装置)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を代表とする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、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。また、自己整列トップゲート構造を有する酸化物薄膜のトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献2参照)。

また、チャネルを形成する酸化物半導体層下地絶縁体に、加熱により酸素を放出する絶縁体を用い、該酸化物半導体層の酸素欠損を低減する半導体装置が開示されている(特許文献3参照)。

概要

酸化物半導体を有する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。基板上に酸化物半導体を形成し、酸化物半導体上に絶縁体を形成し、絶縁体上に金属酸化物を形成し、金属酸化物上導電体を形成し、酸化物半導体上の導電体、金属酸化物、絶縁体を除去することで、酸化物半導体の一部を露出し、露出した酸化物半導体の表面にプラズマ処理を行い、露出した酸化物半導体、及び導電体上に窒化物絶縁体を形成し、プラズマ処理は、アルゴンガス及び窒素ガス混合雰囲気下で行う。

目的

本発明の一態様は、酸化物半導体を有する微細なトランジスタを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

基板上に酸化物半導体を形成し、前記酸化物半導体上に絶縁体を形成し、前記絶縁体上に金属酸化物を形成し、前記金属酸化物上導電体を形成し、前記酸化物半導体上の前記導電体、前記金属酸化物、前記絶縁体の一部を除去することで、前記酸化物半導体の一部を露出し、前記露出した酸化物半導体の表面にプラズマ処理を行い、前記露出した酸化物半導体、及び前記導電体上に窒化物絶縁体を形成し、前記プラズマ処理は、アルゴンガス及び窒素ガス混合雰囲気下で行うことを特徴とする半導体装置作製方法

請求項2

請求項1において、前記プラズマ処理は、150℃以上300℃未満の温度で実施されることを特徴とする半導体装置の作製方法。

請求項3

請求項1または請求項2において、前記窒化物絶縁体の形成は、150℃以上300℃未満の温度で実施されることを特徴とする半導体装置の作製方法。

請求項4

請求項1乃至請求項3のいずれか一において、前記プラズマ処理と、前記窒化物絶縁体の形成は、プラズマCVD装置を用いて連続的に処理されることを特徴とする半導体装置の作製方法。

請求項5

請求項1乃至請求項4のいずれか一において、前記金属酸化物は、ゲート絶縁体として機能することを特徴とする半導体装置の作製方法。

請求項6

請求項1乃至請求項4のいずれか一において、前記金属酸化物は、ゲート電極として機能することを特徴とする半導体装置の作製方法。

請求項7

電子機器の作製方法であって、前記電子機器は、半導体装置と、アンテナバッテリ操作キー、または、筐体と、を有し、前記半導体装置は、請求項1乃至請求項6のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法を用いて作製されていることを特徴とする電子機器の作製方法。

請求項8

基板上の酸化物半導体と、前記酸化物半導体上の絶縁体と、前記絶縁体上の金属酸化物と、前記酸化物半導体、前記絶縁体、及び前記金属酸化物上の窒化物絶縁体と、を有するトランジスタであって、トランジスタのチャネル長は0.2μm以上1.5μm未満であり、前記絶縁体の膜厚は10nm以上200nm未満であり、トランジスタの耐圧特性が8.0×106V/cm以上であることを特徴とするトランジスタ。

請求項9

請求項8において、前記チャネル長は、0.5μm以上1.0μm未満であることを特徴とするトランジスタ。

請求項10

請求項8または請求項9において、前記絶縁体の膜厚は、20nm以上150nm未満であることを特徴とするトランジスタ。

技術分野

0001

本発明の一態様は、酸化物半導体を有する半導体装置作製方法に関する。

0002

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、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。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置発光装置蓄電装置記憶装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。

0003

なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し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)、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。

背景技術

0004

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(電界効果トランジスタFET)、または薄膜トランジスタ(TFT)ともいう)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(表示装置)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を代表とする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。

0005

また、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。また、自己整列トップゲート構造を有する酸化物薄膜のトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献2参照)。

0006

また、チャネルを形成する酸化物半導体層下地絶縁体に、加熱により酸素を放出する絶縁体を用い、該酸化物半導体層の酸素欠損を低減する半導体装置が開示されている(特許文献3参照)。

先行技術

0007

特開2007−96055号公報
特開2009−278115号公報
特開2012−009836号公報

発明が解決しようとする課題

0008

酸化物半導体をチャネル領域に用いてトランジスタを作製する場合、酸化物半導体のチャネル領域中に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体のチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に起因してキャリアが生成される。酸化物半導体のチャネル領域中にキャリアが生成されると、酸化物半導体をチャネル領域に有するトランジスタの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧シフトが生じる。また、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。したがって、酸化物半導体のチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。一方で、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタにおいて、ソース電極及びドレイン電極と接する酸化物半導体としては、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減するために酸素欠損が多く、抵抗が低い方が好ましい。

0009

本発明の一態様は、酸化物半導体を有する微細なトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、寄生容量の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を課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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を課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するオン電流が大きいトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するオフ電流が小さいトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、配線に銅などの抵抗が小さな導電体を用いた半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の1つとする。

0010

なお、上記の課題の記載は、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、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。

課題を解決するための手段

0011

本発明の一態様は、基板上の酸化物半導体と、酸化物半導体上の絶縁体と、絶縁体上の金属酸化物と、酸化物半導体、絶縁体、及び金属酸化物上の窒化物絶縁体と、を有し、トランジスタのチャネル長は0.2μm以上1.5μm未満であり、絶縁体の膜厚は10nm以上200nm以下である半導体装置である。

0012

また、上記態様において、チャネル長は、0.5μm以上1.0μm以下である。

0013

また、上記態様において、絶縁体の膜厚は、20nm以上150nm以下である。また、上記態様において、トランジスタの耐圧特性が8.0×106V/cm以上であると好ましい。

0014

本発明の一態様は、基板上に酸化物半導体を形成し、酸化物半導体上に絶縁体を形成し、絶縁体上に金属酸化物を形成し、金属酸化物上に導電体を形成し、酸化物半導体上の導電体、金属酸化物、絶縁体を除去することで、酸化物半導体の一部を露出し、露出した酸化物半導体の表面にプラズマ処理を行い、露出した酸化物半導体、及び導電体上に窒化物絶縁体を形成し、プラズマ処理は、アルゴンガス及び窒素ガス混合雰囲気下で行う半導体装置の作製方法である。

0015

また、上記態様において、プラズマ処理は、150℃以上300℃未満の温度で実施される。

0016

また、上記態様において、窒化物絶縁体の形成は、150℃以上300℃未満の温度で実施される。

0017

また、上記態様において、プラズマ処理と、窒化物絶縁体の形成は、プラズマCVD装置を用いて連続的に処理される。

0018

また、上記態様において、金属酸化物は、ゲート絶縁体として機能することを特徴とする。

0019

また、上記態様において、金属酸化物は、ゲート電極として機能することを特徴とする。

0020

本発明の一態様は、電子機器の作製方法であって、電子機器は、半導体装置と、アンテナバッテリ操作キー、または、筐体と、を有し、半導体装置は、上記態様の半導体装置の作製方法を用いて作製されている。

発明の効果

0021

本発明の一態様により、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するオン電流が大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するオフ電流が小さいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。

0022

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、必ずしも、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。

図面の簡単な説明

0023

半導体装置の作製方法を説明する工程フロー図
半導体装置の作製方法を説明する工程フロー図。
半導体装置を説明する上面図及び断面図。
半導体装置を説明する上面図及び断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置を説明する上面図及び断面図。
半導体装置を説明する上面図及び断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
本発明の一態様に係る酸化物半導体の原子数比の範囲を説明する図。
InMZnO4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酸化物電子照射による結晶部の変化を示す図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
表示装置の一態様を示す上面図。
表示装置の一態様を示す断面図。
表示装置の一態様を示す断面図。
表示装置の一態様を示す断面図。
実施の形態に係る表示パネルの構成を説明する図。
実施の形態に係る表示パネルの構成を説明する図。
実施の形態に係る画素回路を説明する回路図。
実施の形態に係る表示パネルの構成を説明する図。
半導体装置の回路構成を説明する図。
画素回路の構成を説明する図、及び画素回路の動作を説明するタイミングチャート
表示装置を説明するブロック図及び回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート。
本発明の一態様を説明するためのグラフ及び回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート。
本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート。
本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図及び波形図。
本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
入出力装置の一例を示す断面図。
表示モジュールを説明する図。
電子機器を説明する図。
表示装置を説明する斜視図。
情報処理装置の構成を説明する図。
実施例における、試料断面構造を説明する図。
実施例における、TDS測定結果を説明する図。
実施例における、シート抵抗の測定結果を説明する図。
実施例における、試料の断面構造を説明する図。
実施例における、試料の断面写真を説明する図。
実施例における、エミッション顕微鏡観察結果を説明する図。
実施例における、トランジスタのId−Vg特性を説明する図。
実施例における、トランジスタのGBT試験結果を説明する図。
実施例における、トランジスタの耐圧評価を説明する図。
実施例における、トランジスタのId−Vg特性及び断面写真を説明する図。
実施例における、試料の断面構造及び表面粗さの測定結果を説明する図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
半導体装置の作製方法を説明する断面図。
表示装置の一例を示す斜視図。
表示装置の一例を示す断面図。

0024

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。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。

0025

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。

0026

また、本明細書にて用いる「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子抵抗素子インダクタキャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。

0031

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、「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。

0032

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。

0033

また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態非導通状態遮断状態、ともいう)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。

0034

トランジスタのオフ電流は、Vgsに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、トランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のVgsにおけるオフ状態、所定の範囲内のVgsにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるVgsにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。

0035

一例として、しきい値電圧Vthが0.5Vであり、Vgsが0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−9Aであり、Vgsが0.1Vにおけるドレイン電流が1×10−13Aであり、Vgsが−0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−19Aであり、Vgsが−0.8Vにおけるドレイン電流が1×10−22Aであるようなnチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Vgsが−0.5Vにおいて、または、Vgsが−0.5V乃至−0.8Vの範囲において、1×10−19A以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は1×10−19A以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が1×10−22A以下となるVgsが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は1×10−22A以下である、と言う場合がある。

0036

また、本明細書等では、チャネル幅Wを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Wあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅(例えば1μm)あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流/長さの次元を持つ単位(例えば、A/μm)で表される場合がある。

0037

トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、60℃、85℃、95℃、または125℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、室温、60℃、85℃、95℃、125℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを指す場合がある。

0038

トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Vdsに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V、2.5V、3V、3.3V、10V、12V、16V、または20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVdsにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V、2.5V、3V、3.3V、10V、12V、16V、20V、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVds、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを指す場合がある。

0039

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。

0040

また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。

0041

また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に低い場合は、「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」は、「絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「絶縁体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。または、本明細書等に記載の「絶縁体」を「半絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。

0042

また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に高い場合は、「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」は、「導電体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「導電体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。

0043

また、本明細書等において、半導体の不純物とは、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、半導体にDOS(Density of States)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体を有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、水素(水にも含まれる)、リチウムナトリウム、シリコン、ホウ素、リン炭素窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンを有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。

0044

(実施の形態1)
本実施の形態では、トランジスタを有する半導体装置、及び当該半導体装置の作製方法の一例について、図1乃至図20を用いて説明する。

0045

<1−1.半導体装置の構成例1>
図3(A)、図3(B)、及び図3(C)に、半導体装置が有するトランジスタの一例を示す。

0046

図3(A)は、トランジスタ100の上面図であり、図3(B)は図3(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図3(C)は図3(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。なお、図3(A)では、明瞭化のため、絶縁体110などの構成要素を省略して図示している。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図3(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長(L)方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅(W)方向と呼称する場合がある。

0047

図3(A)、図3(B)、及び図3(C)に示すトランジスタ100は、基板102上の絶縁体104と、絶縁体104上の酸化物半導体108と、酸化物半導体108上の絶縁体110と、絶縁体110上の金属酸化物111と、金属酸化物111上の導電体112と、絶縁体104、酸化物半導体108、及び導電体112上の絶縁体116と、を有する。なお、酸化物半導体108は、導電体112と重なる領域108iと、絶縁体116と接する領域108sと、絶縁体116と接する領域108dと、を有する。

0048

また、絶縁体116は、窒素または水素を有する。絶縁体116と、領域108s及び領域108dと、が接することで、絶縁体116中の窒素または水素が領域108s及び領域108d中に添加される。領域108s及び領域108dは、窒素または水素が添加されることで、キャリア密度が高くなる。また、領域108iは、チャネル領域としての機能を有し、領域108sは、ソース領域としての機能を有し、領域108dは、ドレイン領域としての機能を有する。

0049

また、トランジスタ100は、絶縁体116上の絶縁体118と、絶縁体116、及び絶縁体118に設けられた開口部141aを介して、領域108sに電気的に接続される導電体120a、及び121aと、絶縁体116、及び絶縁体118に設けられた開口部141bを介して、領域108dに電気的に接続される導電体120b、及び121bと、を有していてもよい。

0050

なお、本明細書等において、絶縁体104を第1の絶縁体と、絶縁体110を第2の絶縁体と、絶縁体116を第3の絶縁体と、絶縁体118を第4の絶縁体と、それぞれ呼称する場合がある。また、導電体112は、ゲート電極としての機能を有し、導電体120a、及び121aは、ソース電極としての機能を有し、導電体120b、及び121bは、ドレイン電極としての機能を有する。

0051

また、絶縁体110及び金属酸化物111は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、絶縁体110は、過剰酸素領域を有する。また、絶縁体110は膜中を酸素が移動可能な絶縁体である。即ち、絶縁体110は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、絶縁体110は、酸化物半導体108及び金属酸化物111よりも酸素透過性の高い絶縁体とすればよい。

0052

絶縁体110から放出される過剰酸素は、導電体112側への拡散が抑制され、効率的に酸化物半導体108が有する領域108iへと供給される。よって、領域108iに形成されうる酸素欠損を過剰酸素により補填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

0053

なお、酸化物半導体108中に過剰酸素を供給させるためには、酸化物半導体108の下方に形成される絶縁体104に過剰酸素を供給してもよい。ただし、この場合、絶縁体104中に含まれる過剰酸素は、酸化物半導体108が有する領域108s、及び領域108dにも供給されうる。領域108s、及び領域108d中に過剰酸素が供給されると、領域108s、及び領域108dの抵抗が高くなる場合がある。

0054

一方で、酸化物半導体108の上方に形成される絶縁体110に過剰酸素を有する構成とすることで、領域108iにのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能となる。

0055

また、酸化物半導体108が有する領域108s及び領域108dは、それぞれ、酸素欠損を有する。酸素欠損は、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄塩素チタン希ガス等を添加すると形成される場合がある。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウムネオンアルゴンクリプトン、及びキセノン等がある。そのため、領域108s及び領域108dには該元素が検出される場合ある。なお、上記酸素欠損を形成する元素が、絶縁体116中に含まれる場合、絶縁体116の構成元素が領域108s、及び領域108dに拡散する。または、上記酸素欠損を形成する元素は、不純物添加処理により領域108s、及び領域108d中に添加される。

0056

不純物元素が酸化物半導体に添加されると、酸化物半導体中金属元素と酸素の結合が切断され、酸素が脱離することで酸素欠損が形成される。または、不純物元素が酸化物半導体に添加されると、不純物元素と酸化物半導体中の酸素が結合する。不純物元素と結合した酸素が酸化物半導体中から脱離することで、酸素欠損が形成される。これらの結果、酸化物半導体においてキャリアが増加し、導電性が高くなる。

0057

領域108s、及び領域108dは、絶縁体116と接する。領域108s、及び領域108dが絶縁体116と接することで、絶縁体116から領域108s、及び領域108dに窒素または水素が添加されるため、キャリア密度が高くなる。

0058

また、絶縁体110が過剰酸素を有する構成とする場合、絶縁体110を形成した後の工程が重要となる。特に、絶縁体116の形成条件が重要である。例えば、絶縁体116を高温(具体的には300℃以上450℃以下)で形成した場合、絶縁体110の側面から過剰酸素が外部に放出される場合がある。したがって、本発明の一態様の半導体装置の作製方法においては、絶縁体116の形成温度を150℃以上300℃未満、好ましくは160℃以上270℃以下、さらに好ましくは180℃以上250℃以下とする。

0059

ここで、図3(A)、図3(B)、及び図3(C)に示すトランジスタ100の作製方法について、図1を用いて説明する。なお、図1は、半導体装置の作製方法を説明する工程フロー図である。

0060

図3(A)、図3(B)、及び図3(C)に示すトランジスタ100は、少なくとも図1に示す第1乃至第8の工程を経て作製される。

0061

[第1の工程:酸化物半導体の形成]
第1の工程は、酸化物半導体を形成する工程を有する(図1、ステップS01参照)。トランジスタ100においては、絶縁体104上に酸化物半導体を形成し、その後、当該酸化物半導体を島状に加工することで酸化物半導体108を形成する工程が第1の工程に相当する。

0062

[第2の工程:絶縁体の形成]
第2の工程は、絶縁体を形成する工程を有する(図1、ステップS02参照)。トランジスタ100においては、酸化物半導体108上に絶縁体110を形成する工程が第2の工程に相当する。なお、絶縁体110は、過剰酸素を有することが好ましい。

0063

[第3の工程:金属酸化物の形成]
第3の工程は、金属酸化物を形成する工程を有する(図1、ステップS03参照)。トランジスタ100においては、絶縁体110上に金属酸化物111を形成する工程が第3の工程に相当する。なお、金属酸化物111に、絶縁性を有する材料を用いることで、ゲート絶縁体として機能する。

0064

また、金属酸化物111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、容易に金属酸化物111の下層である絶縁体110に酸素過剰領域を形成することができる。

0065

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。

0066

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することにより金属酸化物111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、反跳イオンとして金属酸化物111を介して、形成された膜の下部にある絶縁体110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、成膜表面に衝突する。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110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110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110に酸素過剰領域が形成される。

0067

[第4の工程:導電体の形成]
第4の工程は、導電体を形成する工程を有する(図1、ステップS04参照)。トランジスタ100においては、金属酸化物111上に導電体112を形成する工程が第4の工程に相当する。

0068

[第5の工程:窒化物絶縁体の形成]
第5の工程は、酸化物半導体、ゲート電極上に窒化物絶縁体を形成する工程を有する(図1、ステップS05参照)。また、第5の工程において、窒化物絶縁体は、少なくともプラズマ処理と、成膜処理との2つのステップにより形成され、当該2つのステップは、150℃以上300℃未満の温度で実施される。

0069

トランジスタ100においては、酸化物半導体108、導電体112上に絶縁体116を形成する工程が第5の工程に相当する。

0070

なお、先に記載のように、絶縁体116の形成温度を150℃以上300℃未満、好ましくは160℃以上270℃以下、さらに好ましくは180℃以上250℃以下とする。絶縁体116の形成温度を上記の範囲とすることで、絶縁体110の側面から放出される酸素を抑制することができる。また、絶縁体116の形成温度を上記の範囲とすることで、絶縁体116中に含まれる窒素または水素が絶縁体110に拡散するのを抑制することができる。

0071

また、絶縁体116の形成は、プラズマ処理と、成膜処理との2つのステップにより行われる。プラズマ処理は、アルゴンガス及び窒素ガスの混合雰囲気下で行われると好適である。また、成膜処理としては、シランガスと、窒素ガスと、アンモニアガスと、を用いて行われると好適である。

0072

プラズマ処理は、プラズマダメージにより、酸化物半導体108が有する領域108s、及び領域108dに酸素欠損を形成し、該領域の抵抗を低下させる効果を有する。また、熱を加えることにより、酸化物半導体108が有する領域108i中の水素が、領域108s、及び領域108dに拡散する。ここで、米国特許出願公開第2015/155169号明細書に記載されているように、水素は酸素欠損のサイトに入るとエネルギー的に安定となる。従って、領域108iから拡散した水素は、領域108s、及び領域108dで安定して存在するため、領域108iの水素を低減することができる。また、領域108s、及び領域108dは、水素が供給されることで、キャリア密度を高めることができる。

0073

また、成膜処理にアンモニアガスを用いることで、絶縁体110中に形成されうる窒素酸化物(NOx、xは0を超えて2以下、好ましくは1以上2以下、代表的にはNOまたはNO2)を低減することができる。なお、上述のプラズマ処理と、成膜処理とは、プラズマ化学気相堆積装置PECVD装置、または単にプラズマCVD装置という)を用いて真空中で連続して行うと、製造コストを低減することができるため好適である。

0074

[第6の工程:絶縁体の形成]
第6の工程は、窒化物絶縁体上に絶縁体を形成する工程を有する(図1、ステップS06参照)。トランジスタ100においては、絶縁体116上に絶縁体118を形成する工程が第6の工程に相当する。

0075

[第7の工程:開口部の形成]
第7の工程は、窒化物絶縁体及び絶縁体に開口部を形成する工程を有する(図1、ステップS07参照)。トランジスタ100においては、絶縁体116及び絶縁体118に、酸化物半導体108に達する開口部141a、141bを形成する工程が第7の工程に相当する。

0076

[第8の工程:SD電極の形成]
第8の工程は、開口部を覆うように、絶縁体上にソース電極及びドレイン電極(SD電極ともいう)を形成する工程を有する(図1、ステップS08参照)。トランジスタ100においては、絶縁体118上に導電体を形成し、当該導電体を島状に加工することで導電体120a、120b、121a、121bを形成する工程が第8の工程に相当する。

0077

なお、トランジスタ100の作製方法の詳細については、後述する。

0078

このように、本発明の一態様の半導体装置の作製方法においては、第3の工程、すなわち、金属酸化物を形成する工程で、絶縁体110に過剰酸素領域を形成することができる。また、第5の工程、すなわち、窒化物絶縁体を形成する工程を150℃以上300℃未満の温度とすることで、過剰酸素を有する絶縁体の側面より外部に放出される酸素を抑制することができる。さらに、絶縁体110よりも金属酸化物111の密度が高いことで、領域108i及び絶縁体110から、導電体112側へ酸素が拡散することを抑制することができる。したがって、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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。

0079

次に、図3(A)、図3(B)、及び図3(C)に示す半導体装置の構成要素の詳細について説明する。

0080

[基板]
基板102としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはない。基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板またはシリコン基板)、SOI基板ガラス基板石英基板プラスチック基板金属基板ステンレススチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラスアルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレンポリエステルポリフッ化ビニルポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミドポリイミドアラミドエポキシ無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。

0081

また、基板102として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。または、基板102とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板102より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタを耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成、または基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。

0082

トランジスタが転載される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板石材基板、木材基板、布基板(天然繊維、綿、)、合成繊維ナイロンポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維アセテートキュプラレーヨン再生ポリエステル)などを含む)、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。

0083

[第1の絶縁体]
絶縁体104は、スパッタリング法、化学気相堆積CVD)法、蒸着法、パルスレーザー堆積PLD)法、印刷法塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁体104としては、例えば、絶縁体または窒化物絶縁体を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体108との界面特性を向上させるため、絶縁体104において少なくとも酸化物半導体108と接する領域は絶縁体で形成することが好ましい。また、絶縁体104として加熱により酸素を放出する絶縁体を用いることで、加熱処理により絶縁体104に含まれる酸素を、酸化物半導体108に移動させることが可能である。

0084

絶縁体104の厚さは、50nm以上、または100nm以上3000nm以下、または200nm以上1000nm以下とすることができる。絶縁体104を厚くすることで、絶縁体104の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁体104と酸化物半導体108との界面における界面準位、並びに酸化物半導体108の領域108iに含まれる酸素欠損を低減することが可能である。

0085

絶縁体104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ハフニウム酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁体104として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように、絶縁体104を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シリコン膜を用いることで、酸化物半導体108中に効率よく酸素を導入することができる。

0086

[酸化物半導体]
酸化物半導体108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、酸化物半導体108として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。

0087

以下に、本発明に係る酸化物半導体について説明する。

0088

酸化物半導体は、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。

0089

ここで、酸化物半導体が、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。

0090

まず、図39(A)、図39(B)、および図39(C)を用いて、本発明に係る酸化物半導体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39には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体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。

0091

図39(A)、図39(B)、および図39(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。

0092

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。

0093

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39に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比またはその近傍値の酸化物半導体は、スピネル型結晶構造をとりやすい。

0094

図39(A)および図39(B)では、本発明の一態様の酸化物半導体が有する、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。

0095

一例として、図40に、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1である、InMZnO4の結晶構造を示す。また、図40は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZnO4の結晶構造である。なお、図40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。

0096

InMZnO4は、層状の結晶構造(層状構造ともいう)をとり、図40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。

0097

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。

0098

[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。

0099

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。

0100

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。

0101

また、酸化物半導体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。酸化物半導体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。

0102

また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物半導体のキャリア移動度(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半導体では、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半導体はインジウムの含有率が低い酸化物半導体と比較してキャリア移動度が高くなるためである。

0103

一方、酸化物半導体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39(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くなる。

0104

従って、本発明の一態様の酸化物半導体は、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39(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。

0105

また、図39(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半導体は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体である。

0106

なお、酸化物半導体が、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、酸化物半導体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。

0107

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。

0108

なお、上記酸化物半導体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。

0109

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が8×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上とすればよい。

0110

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半導体は、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半導体は、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。

0111

また、酸化物半導体のトラップ準位捕獲された電荷は、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半導体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。

0112

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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。

0113

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。

0114

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体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/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。

0115

また、酸化物半導体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。このため、酸化物半導体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半導体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/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。

0116

また、酸化物半導体において、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半導体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、該酸化物半導体において、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、酸化物半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。

0117

また、酸化物半導体に含まれる水素は、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。このため、酸化物半導体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、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。

0118

不純物が十分に低減された酸化物半導体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。

0119

続いて、該酸化物半導体を2層構造、または3層構造とした場合について述べる。酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、および酸化物半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体S1および酸化物半導体S2の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体S2および酸化物半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図41を用いて説明する。

0120

図41(A)は、絶縁体I1、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体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41(B)は、絶縁体I1、酸化物半導体S2、酸化物半導体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41(C)は、絶縁体I1、酸化物半導体S1、酸化物半導体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、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3、及び絶縁体I2の伝導帯下端エネルギー準位(Ec)を示す。

0121

酸化物半導体S1、酸化物半導体S3は、酸化物半導体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、酸化物半導体S2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体S1、酸化物半導体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、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の電子親和力よりも、酸化物半導体S2の電子親和力が大きく、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の電子親和力と、酸化物半導体S2の電子親和力との差は、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。

0122

図41(A)、図41(B)、および図41(C)に示すように、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体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、酸化物半導体S1と酸化物半導体S2との界面、または酸化物半導体S2と酸化物半導体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。

0123

具体的には、酸化物半導体S1と酸化物半導体S2、酸化物半導体S2と酸化物半導体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、酸化物半導体S2がIn−Ga−Zn酸化物半導体の場合、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3として、In−Ga−Zn酸化物半導体、Ga−Zn酸化物半導体、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

0124

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物半導体S2となる。酸化物半導体S1と酸化物半導体S2との界面、および酸化物半導体S2と酸化物半導体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。

0125

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。酸化物半導体S1、酸化物半導体S3を設けることにより、トラップ準位を酸化物半導体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。

0126

酸化物半導体S1、酸化物半導体S3は、酸化物半導体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、酸化物半導体S2、酸化物半導体S2と酸化物半導体S1との界面、および酸化物半導体S2と酸化物半導体S3との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3には、図39(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半導体を用いればよい。なお、図39(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。

0127

特に、酸化物半導体S2に領域Aで示される原子数比の酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体S1および酸化物半導体S3には、[M]/[In]が1以上、好ましくは2以上である酸化物半導体を用いることが好ましい。また、酸化物半導体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以上である酸化物半導体を用いることが好適である。

0128

また、酸化物半導体108は、非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半導体、後述する微結晶酸化物半導体、または非晶質酸化物半導体を含む。非単結晶酸化物半導体において、非晶質酸化物半導体は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。

0129

なお、酸化物半導体108が、非晶質酸化物半導体の領域、微結晶酸化物半導体の領域、多結晶酸化物半導体の領域、CAAC−OSの領域、及び単結晶酸化物半導体の領域の二種以上を有する単層膜、あるいはこの膜が積層された構造であってもよい。

0130

なお、酸化物半導体108において、領域108iと、領域108s及び領域108dとの結晶性が異なる場合がある。具体的には、酸化物半導体108において、領域108iよりも領域108s及び領域108dの方が、結晶性が低い場合がある。これは、領域108s及び領域108dに不純物元素が添加された際に、領域108s及び領域108dにダメージが入ってしまい、結晶性が低下するためである。

0131

酸化物半導体108の厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上60nm以下である。

0132

[第2の絶縁体]
絶縁体110は、トランジスタ100のゲート絶縁体として機能する。例えば、絶縁体110としては、酸化物絶縁体または窒化物絶縁体を単層または積層して形成することができる。

0133

また、絶縁体110は、酸化物半導体108、特に領域108iに酸素を供給する機能を有する。従って、絶縁体110は過剰酸素を含む絶縁体であると好ましい。なお、過剰酸素を含む絶縁体は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有する絶縁体である。例えば、過剰酸素を含む酸化シリコンは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化シリコンである。

0134

なお、絶縁体110は膜中を酸素が移動可能な絶縁体である。即ち、絶縁体110は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、絶縁体110は、酸化物半導体108及び金属酸化物111よりも酸素透過性の高い絶縁体とすればよい。

0135

過剰酸素を含む絶縁体は、領域108i中の酸素欠損を低減させる機能を有する場合がある。領域108i中で酸素欠損は、欠陥準位を形成する。酸素欠損のサイトに水素が入ることによって、キャリアである電子を生成することがある。したがって、領域108i中の酸素欠損を低減することで、トランジスタ100に安定した電気特性を付与することができる。

0136

また、絶縁体110の厚さは、10nm以上200nm以下、または20nm以上150nm以下とすることができる。

0137

また、絶縁体110は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法ESR:Electron Spin Resonance)で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、酸化シリコンの場合、上述のシグナルとしては、g値が2.001に観察されるE’センターに起因するシグナルが挙げられる。なお、E’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。絶縁体110としては、E’センターに起因するシグナルのスピン密度が、3×1017spins/cm3以下、好ましくは5×1016spins/cm3以下である酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いればよい。

0138

また、酸化シリコンの場合、上述のシグナル以外に二酸化窒素(NO2)に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Nの核スピンにより3つのシグナルに分裂しており、それぞれのg値が2.037以上2.039以下(第1のシグナルとする)、g値が2.001以上2.003以下(第2のシグナルとする)、及びg値が1.964以上1.966以下(第3のシグナルとする)に観察される。

0139

例えば、絶縁体110として、二酸化窒素(NO2)に起因するシグナルのスピン密度が、1×1017spins/cm3以上1×1018spins/cm3未満である絶縁体を用いると好適である。

0140

なお、二酸化窒素(NO2)などの窒素酸化物(NOx)は、絶縁体110中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体108のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物(NOx)が、絶縁体110及び酸化物半導体108の界面に拡散すると、当該準位が絶縁体110側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁体110及び酸化物半導体108界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。したがって、絶縁体110としては、窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。

0141

窒素酸化物(NOx)の放出量が少ない絶縁体としては、例えば、酸化窒化シリコン膜を用いることができる。当該酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)において、窒素酸化物(NOx)の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、TDSにおける加熱処理の温度が50℃以上650℃以下、または50℃以上550℃以下の範囲での総量である。

0142

窒素酸化物(NOx)は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁体を用いることで窒素酸化物(NOx)が低減される。

0143

なお、絶縁体110をSIMSで分析した場合、膜中の窒素濃度が6×1020atoms/cm3以下であると好ましい。

0144

[金属酸化物]
金属酸化物111として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム酸化イットリウム酸化ジルコニウム酸化ランタン酸化ネオジム、酸化ハフニウム及び酸化タンタルなどの酸化物絶縁体、またはこれらの混合材料を用いることができる。また、上記材料の積層であってもよい。従って、本実施の形態においては、金属酸化物111は、絶縁体とも言い換えることが可能であり、ゲート絶縁体として機能する場合がある。

0145

特に、金属酸化物111として、酸化アルミニウム(AlOx)、ハフニウムシリケート(HfSiOx)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSixOyNz)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxOyNz)、酸化ハフニウムなどのhigh−k材料を用いるとよい。当該high−k材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。

0146

なお、絶縁体110の密度と比較して、金属酸化物111の密度が高いほど、絶縁体110に拡散する酸素の量が増加する蓋然性は高くなる。例えば、絶縁体110として密度が2.2g/cm3の酸化シリコンを用い、金属酸化物111として密度が4.0g/cm3の酸化アルミニウムを用いた場合、過剰酸素は金属酸化物111から絶縁体110へと拡散する蓋然性が高い。

0147

従って、絶縁体110の密度よりも、金属酸化物の密度を、0.5g/cm3以上、好ましくは1.0g/cm3以上、さらに好ましくは1.5g/cm3以上高くすることで、絶縁体110側に拡散される酸素の量を増加させることができる。

0148

また、金属酸化物111は、金属酸化物111上に形成される構造体に含まれる要素からの不純物の拡散を防止する役割を有していてもよい。特に、酸化アルミニウムは、水素、水分などの不純物、及び酸素に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分などの不純物の酸化物半導体108への混入防止、酸素の酸化物半導体108からの放出防止、絶縁体110からの酸素の放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。

0149

[第3の絶縁体]
絶縁体116は、窒素または水素を有する。また、絶縁体116は、フッ素を有していてもよい。絶縁体116としては、例えば、窒化物絶縁体が挙げられる。該窒化物絶縁体としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化フッ化シリコン、フッ化窒化シリコン等を用いて形成することができる。絶縁体116に含まれる水素濃度は、1×1022atoms/cm3以上であると好ましい。また、絶縁体116は、酸化物半導体108の領域108s、及び領域108dと接する。したがって、絶縁体116と接する領域108s、及び領域108d中の不純物(窒素または水素)濃度が高くなり、領域108s、及び領域108dのキャリア密度を高めることができる。

0150

[第4の絶縁体]
絶縁体118としては、酸化物絶縁体を用いることができる。また、絶縁体118としては、酸化物絶縁体と、窒化物絶縁体との積層膜を用いることができる。絶縁体118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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればいい。

0151

また、絶縁体118としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜であることが好ましい。

0152

絶縁体118の厚さは、30nm以上500nm以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。

0153

[導電体]
導電体112、120a、120b、121a、及び121bとしては、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、熱CVD法等を用いて形成することができる。また、導電体112、120a、120b、121a、及び121bとしては、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、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。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元素を用いてもよい。

0154

また、導電体112は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。また、図では導電体120a、及び121aの2層構造と、導電体120b、及び121bとの2層構造を示したが、単層構造でも、3層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造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、マンガンを含む銅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、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、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅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を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。

0155

なお、導電体112として、遮光性を有する金属膜を用いる場合、導電体112の下方に形成される領域108iを遮光することができるため、好適である。

0156

また、導電体121a、及び121bとしては、銅を含む材料を用いると好適である。導電体121a、及び121bに銅を含む材料を用いると、抵抗を低くすることができる。例えば、基板102として大面積の基板を用いた場合においても信号の遅延等を抑制することができる。

0157

特に、導電体120a、及び120bとしては、酸化物半導体108と、導電体121a、及び121bと、双方の密着性が良い材料を用いるとよい。例えば、導電体121a、及び121bに銅を含む材料を用いた場合、導電体120a、及び120bにタングステン、タンタル、チタン、またはそれらの窒化物などを用いると好ましい。

0158

<1−2.半導体装置の構成例2>
次に、図3(A)、図3(B)、及び図3(C)に示す半導体装置が有するトランジスタと異なる構成について、図4(A)、図4(B)、及び図4(C)を用いて説明する。

0159

図4(A)は、トランジスタ100Aの上面図であり、図4(B)は図4(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図4(C)は図4(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。

0160

図4(A)、図4(B)、及び図4(C)に示すトランジスタ100Aは、基板102上の導電体106と、導電体106上の絶縁体104と、絶縁体104上の酸化物半導体108と、酸化物半導体108上の絶縁体110と、絶縁体110上の金属酸化物111と、金属酸化物111上の導電体112と、絶縁体104、酸化物半導体108、及び導電体112上の絶縁体116と、を有する。なお、酸化物半導体108は、導電体112と重なる領域108iと、絶縁体116と接する領域108sと、絶縁体116と接する領域108dと、を有する。

0161

トランジスタ100Aは、先に示すトランジスタ100の構成に加え、導電体106と、開口部143と、を有する。

0162

なお、開口部143は、絶縁体104、絶縁体110、及び金属酸化物111に設けられる。また、導電体106は、開口部143を介して、導電体112と、電気的に接続される。よって、導電体106と導電体112には、同じ電位が与えられる。なお、開口部143を設けずに、導電体106と、導電体112と、に異なる電位を与えてもよい。または、開口部143を設けずに、導電体106を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電体106を遮光性の材料により形成することで、領域108iに照射される下方からの光を抑制することができる。

0163

また、トランジスタ100Aの構成とする場合、導電体106は、第1のゲート電極(ボトムゲート電極ともいう)としての機能を有し、導電体112は、第2のゲート電極(トップゲート電極ともいう)としての機能を有する。また、絶縁体104は、第1のゲート絶縁体としての機能を有し、絶縁体110は、第2のゲート絶縁体としての機能を有する。

0164

導電体106としては、先に記載の導電体112、120a、120b、121a、及び121bと同様の材料を用いることができる。特に導電体106として、銅を含む材料により形成することで抵抗を低くすることができるため好適である。例えば、導電体106を銅膜上に窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜を設ける積層構造とする。また、導電体120a、及び120bを窒化チタン膜、窒化タンタル膜、またはタングステン膜とし、導電体121a、及び121bは銅膜を設ける積層構造とすると好適である。この場合、トランジスタ100Aを表示装置の画素トランジスタ及び駆動トランジスタのいずれか一方または双方に用いることで、導電体106と導電体120a、及び121aとの間に生じる寄生容量、及び導電体106と導電体120b、及び121bとの間に生じる寄生容量を低くすることができる。したがって、導電体106、導電体120a、導電体120b、導電体121a、及び導電体121bを、トランジスタ100Aの第1のゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極として用いるのみならず、表示装置の電源供給用の配線、信号供給用の配線、または接続用の配線等に用いる事も可能となる。

0165

このように、図4(A)、図4(B)、及び図4(C)に示すトランジスタ100Aは、先に説明したトランジスタ100と異なり、酸化物半導体108の上下にゲート電極として機能する導電体を有する構造である。トランジスタ100Aに示すように、本発明の一態様の半導体装置には、複数のゲート電極を設けてもよい。

0166

ここで、図4(A)、図4(B)、及び図4(C)に示すトランジスタ100Aの作製方法について、図2を用いて説明する。なお、図2は、半導体装置の作製方法を説明する工程フロー図である。

0167

図4(A)、図4(B)、及び図4(C)に示すトランジスタ100Aは、少なくとも図2に示す第1乃至第10の工程を経て作製される。

0168

[第9の工程:第1のゲート電極の形成]
第9の工程は、第1のゲート電極を形成する工程を有する(図2、ステップS09参照)。トランジスタ100Aにおいては、基板102上に導電体106を形成する工程が第9の工程に相当する。

0169

[第10の工程:第1のゲート絶縁体の形成]
第10の工程は、第1のゲート電極上に第1のゲート絶縁体を形成する工程を有する(図2、ステップS10参照)。トランジスタ100Aにおいては、基板102及び導電体106上に絶縁体104を形成する工程が第10の工程に相当する。

0170

第10工程に続いて、<1−1.半導体装置の構成例1>で示した第1の工程乃至第8の工程を経ることで、トランジスタ100Aを作製することができる。

0171

なお、トランジスタ100Aの作製方法の詳細については、後述する。

0172

このように、本発明の一態様の半導体装置の作製方法においては、第3の工程、すなわち、金属酸化物を形成する工程で、絶縁体110に過剰酸素領域を形成することができる。また、第5の工程、すなわち、窒化物絶縁体を形成する工程を150℃以上300℃未満の温度とすることで、過剰酸素を有する絶縁体の側面より外部に放出される酸素を抑制することができる。さらに、絶縁体110よりも金属酸化物111の密度が高いことで、領域108i及び絶縁体110から、導電体112側へ酸素が拡散することを抑制することができる。したがって、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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。

0173

また、図4(C)に示すように、酸化物半導体108は、第1のゲート電極として機能する導電体106と、第2のゲート電極として機能する導電体112のそれぞれと対向するように位置し、2つのゲート電極として機能する導電体に挟まれている。

0174

また、導電体112のチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体108のチャネル幅方向の長さよりも長く、酸化物半導体108のチャネル幅方向全体は、絶縁体110及び金属酸化物111を介して導電体112に覆われている。また、導電体112と導電体106とは、絶縁体104、絶縁体110、及び金属酸化物111に設けられる開口部143において接続されるため、酸化物半導体108のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁体110及び金属酸化物111を介して導電体112と対向している。

0175

別言すると、トランジスタ100Aのチャネル幅方向において、導電体106及び導電体112は、絶縁体104、絶縁体110、及び金属酸化物111に設けられる開口部143において接続すると共に、絶縁体104、絶縁体110、及び金属酸化物111を介して酸化物半導体108を取り囲む構成である。

0176

このような構成を有することで、トランジスタ100Aに含まれる酸化物半導体108を、第1のゲート電極として機能する導電体106及び第2のゲート電極として機能する導電体112の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ100Aのように、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体108を電気的に取り囲むトランジスタのデバイス構造をSurrounded channel(S−channel)構造と呼ぶことができる。

0177

トランジスタ100Aは、S−channel構造を有するため、導電体106または導電体112によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体108に印加することができるため、トランジスタ100Aの電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ100Aを微細化することが可能となる。また、トランジスタ100Aは、酸化物半導体108が導電体106、及び導電体112によって取り囲まれた構造を有するため、トランジスタ100Aの機械的強度を高めることができる。

0178

なお、トランジスタ100Aのチャネル幅方向において、酸化物半導体108の開口部143が形成されていない側に、開口部143と異なる開口部を形成してもよい。

0179

また、トランジスタ100Aに示すように、トランジスタが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には信号Bが与えられてもよい。また、一方のゲート電極には固定電位Vaが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。

0180

信号Aは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Aは、電位V1、または電位V2(V1>V2とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V1を高電源電位とし、電位V2を低電源電位とすることができる。信号Aは、アナログ信号であってもよい。

0181

固定電位Vbは、例えば、トランジスタのしきい値電圧VthAを制御するための電位である。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2であってもよい。この場合、固定電位Vbを生成するための電位発生回路を、別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2と異なる電位であってもよい。固定電位Vbを低くすることで、しきい値電圧VthAを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Vgsが0Vのときのドレイン電流を低減し、トランジスタを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも低くしてもよい。一方で、固定電位Vbを高くすることで、しきい値電圧VthAを低くできる場合がある。その結果、ゲート−ソース間電圧Vgsが高電源電位のときのドレイン電流を向上させ、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも高くしてもよい。

0182

信号Bは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Bは、電位V3、または電位V4(V3>V4とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V3を高電源電位とし、電位V4を低電源電位とすることができる。信号Bは、アナログ信号であってもよい。

0183

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流を向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Aにおける電位V1及び電位V2は、信号Bにおける電位V3及び電位V4と、異なっていても良い。例えば、信号Bが入力されるゲートに対応するゲート絶縁体が、信号Aが入力されるゲートに対応するゲート絶縁体よりも厚い場合、信号Bの電位振幅(V3−V4)を、信号Aの電位振幅(V1−V2)より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタの導通状態または非導通状態に対して、信号Aが与える影響と、信号Bが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。

0184

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、信号Aが電位V1であり、かつ、信号Bが電位V3である場合のみ導通状態となる場合や、信号Aが電位V2であり、かつ、信号Bが電位V4である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでNAND回路NOR回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Bは、しきい値電圧VthAを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Bは、トランジスタを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Bは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Bは信号Aほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。

0185

信号Aと信号Bが共にアナログ信号である場合、信号Bは、信号Aと同じ電位のアナログ信号、信号Aの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Aの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流が向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Bは、信号Aと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。

0186

信号Aがデジタル信号であり、信号Bがアナログ信号であってもよい。または信号Aがアナログ信号であり、信号Bがデジタル信号であってもよい。

0187

トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、固定電位Vaまたは固定電位Vbを高く(低く)することで、トランジスタの実効抵抗を低く(高く)することができる場合がある。固定電位Va及び固定電位Vbを共に高く(低く)することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い(高い)実効抵抗が得られる場合がある。

0188

なお、トランジスタ100Aのその他の構成は、先に示すトランジスタ100と同様であり、同様の効果を奏する。

0189

<1−3.半導体装置の構成例3>
次に、図4(A)、図4(B)、及び図4(C)に示す半導体装置が有するトランジスタと異なる構成について、図5乃至図9を用いて説明する。

0190

図5(A)、及び図5(B)は、トランジスタ100Bの断面図であり、図6(A)、及び図6(B)は、トランジスタ100Cの断面図であり、図7(A)、及び図7(B)は、トランジスタ100Dの断面図であり、図8(A)、及び図8(B)は、トランジスタ100Eの断面図であり、図9(A)、及び図9(B)は、トランジスタ100Fの断面図である。なお、トランジスタ100B、トランジスタ100C、トランジスタ100D、トランジスタ100E、及びトランジスタ100Fの上面図としては、図4(A)に示すトランジスタ100Aと同様であるため、ここでの説明は省略する。

0191

図5(A)、及び図5(B)に示すトランジスタ100Bは、先に示すトランジスタ100Aと絶縁体110、金属酸化物111、及び導電体112の形状が異なる。具体的には、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、トランジスタ100Aは、絶縁体110、金属酸化物111、及び導電体112の形状が矩形状であるのに対し、トランジスタ100Bは、絶縁体110、金属酸化物111、及び導電体112の形状がテーパー形状である。より詳しくは、トランジスタ100Aは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電体112の上端部と、絶縁体110の下端部とが概略同じ位置に形成される。一方で、トランジスタ100Bは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電体112の上端部が絶縁体110の下端部よりも内側に形成される。別言すると、絶縁体110の側端部は、導電体112の側端部よりも外側に位置する。

0192

トランジスタ100Aとしては、導電体112と、金属酸化物111と、絶縁体110と、を同じマスクで加工し、ドライエッチング法を用いて、一括して加工することで形成できる。トランジスタ100Bとしては、導電体112と、金属酸化物111と、絶縁体110と、を同じマスクで加工し、ウエットエッチング法及びドライエッチング法を組み合わせて加工することで形成できる。

0193

トランジスタ100Aのような構成とすることで、領域108s、及び領域108dと、導電体112との端部が概略同じ位置に形成されるため好ましい。一方で、トランジスタ100Bのような構成とすることで、絶縁体116の被覆性が向上するため好ましい。

0194

図6(A)、図6(B)に示すトランジスタ100Cは、先に示すトランジスタ100Aと比較し、導電体112、金属酸化物111、及び絶縁体110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Cは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電体112の下端部と、金属酸化物111の上端部との位置が異なる。導電体112の下端部は、金属酸化物111の上端部よりも内側に形成される。

0195

例えば、導電体112と、金属酸化物111、及び絶縁体110と、を同じマスクで加工し、導電体112をウエットエッチング法で、金属酸化物111、及び絶縁体110をドライエッチング法で、それぞれ加工することで、トランジスタ100Cの構造とすることができる。

0196

また、トランジスタ100Cの構造とすることで、酸化物半導体108中に、領域108fが形成される場合がある。領域108fは、領域108iと領域108sとの間、及び領域108iと領域108dとの間に形成される。

0197

領域108fは、高抵抗領域あるいは低抵抗領域のいずれか一方として機能する。高抵抗領域とは、領域108iと同等の抵抗を有し、ゲート電極として機能する導電体112が重畳しない領域である。領域108fが高抵抗領域の場合、領域108fは、所謂オフセット領域として機能する。領域108fがオフセット領域として機能する場合においては、トランジスタ100Cのオン電流の低下を抑制するために、チャネル長(L)方向の断面において、領域108fを1μm以下とすればよい。

0198

また、低抵抗領域とは、領域108iよりも抵抗が低く、且つ領域108s及び領域108dよりも抵抗が高い領域である。領域108fが低抵抗領域の場合、領域108fは、所謂、LDD(Lightly Doped Drain)領域として機能する。領域108fがLDD領域として機能する場合においては、ドレイン領域の電界緩和が可能となるため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動を低減することができる。

0199

なお、領域108fをLDD領域とする場合には、例えば、絶縁体116から領域108fに窒素または水素を供給する、あるいは、導電体112及び絶縁体110をマスクとして、導電体112及び絶縁体110の上方から不純物元素を添加することで、当該不純物元素が絶縁体110を介し、酸化物半導体108に添加されることで領域108fが形成される。

0200

図7(A)、及び図7(B)に示すトランジスタ100Dは、先に示すトランジスタ100Aと比較し、導電体112、金属酸化物111及び絶縁体110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Dは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、金属酸化物111の下端部と、絶縁体110の上端部との位置が異なる。具体的には、金属酸化物111の下端部は、絶縁体110の上端部よりも内側に形成される。

0201

例えば、導電体112と、金属酸化物111及び絶縁体110と、を同じマスクで加工し、導電体112、及び金属酸化物111をドライエッチング法で、絶縁体110をウエットエッチング法で、それぞれ加工することで、トランジスタ100Dの構造とすることができる。

0202

また、トランジスタ100Dの構造とすることで、酸化物半導体108中に、領域108fが形成される場合がある。領域108fは、領域108iと領域108sとの間、及び領域108iと領域108dとの間に形成される。

0203

図8(A)、図8(B)に示すトランジスタ100Eは、先に示すトランジスタ100Aと比較し、導電体112、金属酸化物111及び絶縁体110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Eは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、金属酸化物111の下端部と、絶縁体110の上端部との位置が異なる。具体的には、金属酸化物111の下端部は、絶縁体110の上端部よりも内側に形成される。また、金属酸化物111の上端部と、導電体112の下端部との位置が異なる。具体的には、金属酸化物111の上端部は、導電体112の下端部よりも外側に形成される。

0204

例えば、金属酸化物にエッチングが困難な材料(難エッチング材料とも呼ぶ)である場合、導電体112と、金属酸化物111及び絶縁体110と、を同じマスクで加工し、導電体112、及び金属酸化物111をドライエッチング法で、絶縁体110をウエットエッチング法で、それぞれ加工することで、トランジスタ100Eの構造とすることができる。

0205

また、トランジスタ100Eの構造とすることで、酸化物半導体108中に、領域108fが形成される場合がある。領域108fは、領域108iと領域108sとの間、及び領域108iと領域108dとの間に形成される。

0206

図9(A)、及び図9(B)に示すトランジスタ100Fは、先に示すトランジスタ100Aと比較し、絶縁体118上に平坦化膜として機能する絶縁体122が設けられている点が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ100Aと同様の構成であり、同様の効果を奏する。

0207

絶縁体122は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁体122としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該無機材料としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。

0208

なお、図9(A)、及び図9(B)においては、絶縁体122が有する開口部の形状は、開口部141a、及び141bよりも大きい形状としたが、これに限定されず、例えば、開口部141a、及び141bと同じ形状、または開口部141a、及び141bよりも小さい形状としてもよい。

0209

また、図9(A)、及び図9(B)においては、絶縁体122上に導電体120a、120b、121a、及び121bを設ける構成について例示したがこれに限定されず、例えば、絶縁体118上に導電体120a、120b、121a、及び121bを設け、導電体120a、120b、121a、及び121b上に絶縁体122を設ける構成としてもよい。

0210

<1−4.半導体装置の構成例4>
次に、図4(A)、図4(B)、及び図4(C)に示す半導体装置が有するトランジスタと異なる構成について、図10乃至図14を用いて説明する。

0211

図10(A)、及び図10(B)は、トランジスタ100Gの断面図であり、図11(A)、及び図11(B)は、トランジスタ100Hの断面図であり、図12(A)、及び図12(B)は、トランジスタ100Jの断面図であり、図13(A)、及び図13(B)は、トランジスタ100Kの断面図であり、図14(A)、及び図14(B)は、トランジスタ100Lの断面図である。なお、トランジスタ100G、トランジスタ100H、トランジスタ100J、トランジスタ100K、及びトランジスタ100Lの上面図としては、図4(A)に示すトランジスタ100Aと同様であるため、ここでの説明は省略する。

0212

トランジスタ100G、トランジスタ100H、トランジスタ100J、トランジスタ100K、及びトランジスタ100Lは、先に示すトランジスタ100Aと酸化物半導体108の構造が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ100Aと同様の構成であり、同様の効果を奏する。

0213

図10(A)、及び図10(B)に示すトランジスタ100Gが有する酸化物半導体108は、絶縁体104上の酸化物半導体108_1と、酸化物半導体108_1上の酸化物半導体108_2と、酸化物半導体108_2上の酸化物半導体108_3と、を有する。また、領域108i、領域108s、及び領域108dは、それぞれ、酸化物半導体108_1、酸化物半導体108_2、及び酸化物半導体108_3の3層の積層構造である。

0214

図11(A)、及び図11(B)に示すトランジスタ100Hが有する酸化物半導体108は、絶縁体104上の酸化物半導体108_2と、酸化物半導体108_2上の酸化物半導体108_3と、を有する。また、領域108i、領域108s、及び領域108dは、それぞれ、酸化物半導体108_2、及び酸化物半導体108_3の2層の積層構造である。

0215

図12(A)、及び図12(B)に示すトランジスタ100Jが有する酸化物半導体108は、絶縁体104上の酸化物半導体108_1と、酸化物半導体108_1上の酸化物半導体108_2と、を有する。また、領域108i、領域108s、及び領域108dは、それぞれ、酸化物半導体108_1、及び酸化物半導体108_2の2層の積層構造である。

0216

図13(A)、及び図13(B)に示すトランジスタ100Kが有する酸化物半導体108は、絶縁体104上の酸化物半導体108_1と、酸化物半導体108_1上の酸化物半導体108_2と、酸化物半導体108_2上の酸化物半導体108_3と、を有する。また、領域108iは、酸化物半導体108_1、酸化物半導体108_2、及び酸化物半導体108_3の3層の積層構造であり、領域108s、及び領域108dは、それぞれ、酸化物半導体108_1、及び酸化物半導体108_2の2層の積層構造である。なお、トランジスタ100Kのチャネル幅(W)方向の断面において、酸化物半導体108_3が、酸化物半導体108_1及び酸化物半導体108_2の側面を覆う。

0217

図14(A)、及び図14(B)に示すトランジスタ100Lが有する酸化物半導体108は、絶縁体104上の酸化物半導体108_2と、酸化物半導体108_2上の酸化物半導体108_3と、を有する。また、領域108iは、酸化物半導体108_2、及び酸化物半導体108_3の2層の積層構造であり、領域108s、及び領域108dは、それぞれ、酸化物半導体108_2の単層構造である。なお、トランジスタ100Lのチャネル幅(W)方向の断面において、酸化物半導体108_3が、酸化物半導体108_2の側面を覆う。

0218

領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍においては、加工におけるダメージにより欠陥(例えば、酸素欠損)が形成されやすい、あるいは不純物の付着により汚染されやすい。そのため、領域108iが実質的に真性であっても、電界などのストレスが印加されることによって、領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍が活性化され、低抵抗(n型)領域となりやすい。また、領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍がn型領域の場合、当該n型領域がキャリアのパスとなるため、寄生チャネルが形成される場合がある。

0219

そこで、トランジスタ100K、及びトランジスタ100Lにおいては、領域108iを積層構造とし、領域108iのチャネル幅(W)方向の側面を、積層構造の一方の層で覆う構成とする。当該構成とすることで、領域108iの側面またはその近傍の欠陥を抑制する、あるいは領域108iの側面またはその近傍への不純物の付着を低減することが可能となる。

0220

<1−5.半導体装置の作製方法1>
次に、図1に示すトランジスタ100の作製方法の一例について、図15乃至図17を用いて説明する。なお、図15乃至図17は、トランジスタ100の作製方法を説明するチャネル長(L)方向及びチャネル幅(W)方向の断面図である。

0221

まず、基板102上に絶縁体104を形成する。続いて、絶縁体104上に酸化物半導体を形成する。その後、当該酸化物半導体を島状に加工することで、酸化物半導体107を形成する(図15(A)参照)。

0222

絶縁体104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。本実施の形態においては、絶縁体104として、プラズマCVD装置を用い、厚さ400nmの窒化シリコン膜と、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜とを形成する。なお、絶縁体104を形成せずに、基板102上に酸化物半導体107を形成してもよい。

0223

また、絶縁体104を形成した後、絶縁体104に酸素を添加してもよい。絶縁体104に添加する酸素としては、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がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁体104上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁体104に酸素を添加してもよい。

0224

上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングステンの1以上を有する導電体あるいは半導体を用いて形成することができる。

0225

また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁体104への酸素添加量を増加させることができる。

0226

酸化物半導体107としては、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法レーザーアブレーション法、熱CVD法等により形成することができる。なお、酸化物半導体107への加工には、酸化物半導体上にリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体の一部をエッチングすることにより形成することができる。また、印刷法を用いて、素子分離された酸化物半導体107を直接形成してもよい。

0227

スパッタリング法で酸化物半導体を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体を形成する場合のスパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。

0228

なお、酸化物半導体を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を150℃以上750℃以下、または150℃以上450℃以下、または200℃以上350℃以下として、酸化物半導体を成膜することで、結晶性を高めることができるため好ましい。

0229

なお、本実施の形態においては、酸化物半導体107として、スパッタリング装置を用い、スパッタリングターゲットとしてIn−Ga−Zn金属酸化物(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])を用いて、膜厚35nmの酸化物半導体を成膜する。

0230

また、酸化物半導体107を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体107の脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、または250℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下である。

0231

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性雰囲気で行うことができる。または、不活性雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は3分間以上24時間以下とすればよい。

0232

該加熱処理は、電気炉RTA装置等を用いることができる。RTA装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。

0233

酸化物半導体を加熱しながら成膜する、または酸化物半導体を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を5×1019atoms/cm3以下、または1×1019atoms/cm3以下、5×1018atoms/cm3以下、または1×1018atoms/cm3以下、または5×1017atoms/cm3以下、または1×1016atoms/cm3以下とすることができる。

0234

次に、絶縁体104及び酸化物半導体107上に絶縁体110_0を形成する(図15(B)参照)。

0235

絶縁体110_0としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、プラズマCVD装置を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シランジシラントリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。

0236

また、絶縁体110_0として、堆積性気体の流量に対して酸化性気体の流量を20倍より大きく100倍未満、好ましくは40倍以上80倍以下とし、処理室内の圧力を100Pa未満、または50Pa以下とするプラズマCVD装置を用いることで、欠陥量の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

0237

また、絶縁体110_0として、プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を280℃以上400℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を20Pa以上350Pa以下、さらに好ましくは100Pa以上300Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、絶縁体110_0として、緻密である酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。

0238

また、絶縁体110_0を、マイクロ波を用いたプラズマCVD法を用いて形成してもよい。マイクロ波とは300MHzから300GHzの周波数域を指す。マイクロ波は、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子解離及び電離に用いられることが可能であり、密度の高いプラズマ(高密度プラズマ)を励起することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁体110_0を形成することができる。

0239

また、絶縁体110_0を、有機シランガスを用いたCVD法を用いて形成することができる。有機シランガスとしては、珪酸エチル(TEOS:化学式Si(OC2H5)4)、テトラメチルシランTMS:化学式Si(CH3)4)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH(OC2H5)3)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3)2)3)などのシリコン含有化合物を用いることができる。有機シランガスを用いたCVD法を用いることで、被覆性の高い絶縁体110_0を形成することができる。

0240

本実施の形態では絶縁体110_0として、プラズマCVD装置を用い、厚さ20nmの酸化シリコン膜を形成する。

0241

次に、絶縁体110_0上に金属酸化物111_0を形成する(図15(C)参照)。なお、図15(C)において、絶縁体110_0中に添加される酸素を矢印で模式的に表している。

0242

金属酸化物111_0としては、酸化アルミニウムを、スパッタリング装置を用いて形成することができる。この場合、成膜ガスとしては、酸素及び希ガスを含むことが好ましい。なお、成膜ガス全体に占める希ガスの割合を、1体積%以上、好ましくは3体積%以上、さらに好ましくは10体積%以上、より好ましくは20体積%以上とすればよい。

0243

スパッタリング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、ACスパッタリング法等を用いることができる。特に、金属酸化物111が絶縁性を有する場合、RFスパッタリング法を用いることが好ましい。DCスパッタリング法と比較して、RFスパッタリング法は、プラズマ密度が高くなるため、酸素イオンの持つエネルギーが大きくなり、過剰酸素が絶縁体110_0に供給されやすい。

0244

なお、金属酸化物111_0として酸化アルミニウム膜を用いた場合、4nm以上成膜することで、絶縁体110_0に過剰酸素領域を形成することができる。一方、絶縁体110_0上に形成された酸化アルミニウム膜が20nm以上になると、絶縁体110_0に対する成膜ガス中の酸素イオンの供給が抑制され始める。従って、金属酸化物111_0は4nm以上20nm以下とすることが好ましい。

0245

また、酸化アルミニウムは、絶縁体110_0に用いた酸化シリコンよりも比誘電率が高いため、金属酸化物111_0を形成することで、ゲート絶縁体の総膜厚を比較的薄く形成することができる。

0246

本実施の形態では金属酸化物111_0として、RFスパッタリング装置を用い、厚さ20nmの酸化アルミニウム膜を形成する。

0247

次に、金属酸化物111_0上に導電体112_0を形成する。導電体112_0としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、スパッタリング装置を用い、導電体112_0として、厚さ15nmのタングステンと、厚さ100nmのチタンとの積層膜を形成する。

0248

なお、導電体112となる導電体112_0の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ドライエッチング法にてチタン膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電体112_0を加工し、導電体112を形成する。

0249

次に、導電体112_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図15(D)参照)。

0250

次に、マスク140上からエッチングを行い、導電体112_0と、金属酸化物111_0と、絶縁体110_0と、を加工する。その後、マスク140を除去することで、島状の導電体112と、島状の金属酸化物111と、島状の絶縁体110とを形成する(図16(A)参照)。

0251

導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0の加工としては、ドライエッチング法を用いて行う。

0252

なお、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0の加工の際に、導電体112が重畳しない領域の酸化物半導体107の膜厚が薄くなる場合がある。または、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0の加工の際に、酸化物半導体107が重畳しない領域の絶縁体104の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0の加工の際に、エッチャントまたはエッチングガス(例えば、塩素など)が酸化物半導体107中に添加される、あるいは導電体112_0、金属酸化物111_0、または絶縁体110_0の構成元素が酸化物半導体107中に添加される場合がある。

0253

次に、酸化物半導体107に、プラズマ処理を施し、酸化物半導体108を形成する。当該プラズマ処理は、基板温度を220℃とし、流量100sccmのアルゴンガス、及び流量1000sccmの窒素ガスをチャンバー内に導入し、圧力を40Paとし、プラズマCVD装置内に設置された平行平板電極間に1000WのRF電源を供給することで行った。

0254

プラズマに曝された酸化物半導体107は、領域108s及び領域108dとなる。また、導電体112と重畳する酸化物半導体107の領域は、領域108iとなる。これにより、領域108i、領域108s、及び領域108dを有する酸化物半導体108が形成される(図16(B)参照)。

0255

ここで、チャネル長(L)方向の断面において、領域108iは、0.2μm以上1.5μm未満、好ましくは0.5μm以上1.0μm以下とすればよい。

0256

なお、図16(B)において、プラズマ処理を矢印で模式的に表している。

0257

次に、絶縁体104、酸化物半導体108、及び導電体112上に絶縁体116を形成する(図16(C)参照)。なお、絶縁体116を形成することで、絶縁体116と接する、領域108s及び領域108dは、絶縁体116からの不純物が拡散し、より抵抗が低くなる場合がある。

0258

絶縁体116としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁体116として、プラズマCVD装置を用い、厚さ100nmの窒化酸化シリコン膜を形成する。

0259

成膜処理としては、流量50sccmのシランガスと、流量5000sccmの窒素ガスと、流量100sccmのアンモニアガスとを、チャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を100Paとし、RF電源(27.12MHz)に1000Wの電力を供給する。

0260

また、上述したプラズマ処理と、窒化酸化シリコン膜の成膜処理との2つのステップを220℃の温度で、連続して行う。

0261

絶縁体116として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁体116に接する領域108s、及び領域108dに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁体116の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁体110に含まれる過剰酸素が外部に放出されるのを抑制することができる。

0262

次に、絶縁体116上に絶縁体118を形成する(図16(D)参照)。

0263

絶縁体118としては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、絶縁体118として、プラズマCVD装置を用い、厚さ300nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。

0264

次に、絶縁体118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁体118及び絶縁体116の一部をエッチングすることで、領域108sに達する開口部141aと、領域108dに達する開口部141bと、を形成する(図17(A)参照)。

0265

絶縁体118及び絶縁体116をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、絶縁体118、及び絶縁体116を加工する。

0266

次に、開口部141a、及び141bを覆うように、領域108s、領域108d、及び絶縁体118上に導電体を形成し、当該導電体を所望の形状に加工することで、導電体120a、120b、121a、及び121bを形成する(図17(B)参照)。

0267

導電体120a、120b、121a、及び121bとしては、先に記載の材料を選択することで形成できる。本実施の形態においては、スパッタリング装置を用い、導電体120a、及び120bとして、厚さ50nmのタングステン膜と、導電体121a、及び121bとして、厚さ400nmの銅膜との積層膜を形成する。

0268

なお、導電体120a、120b、121a、及び121bとなる導電体の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態では、ウエットエッチング法にて銅膜をエッチングしたのち、ドライエッチング法にてタングステン膜をエッチングすることで導電体を加工し、導電体120a、120b、121a、及び121bを形成する。

0269

以上の工程により、図3に示すトランジスタ100を作製することができる。

0270

なお、トランジスタ100を構成する膜(絶縁体、金属酸化物、酸化物半導体、導電体等)としては、上述の形成方法の他、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、ALD法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、有機金属化学気相堆積(MOCVD)法が挙げられる。

0271

熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。このように、熱CVD法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、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。

0272

MOCVD法などの熱CVD法は、上記記載の導電体、絶縁体、酸化物半導体、金属酸化物などの膜を形成することができ、例えば、In−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム(In(CH3)3)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)、及びジメチル亜鉛(Zn(CH3)2)を用いる。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(Ga(C2H5)3)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)を用いることもできる。

0273

また、ALDを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒ハフニウム前駆体を含む液体ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH、Hf[N(CH3)2]4)やテトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O3)の2種類のガスを用いる。

0274

また、ALDを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体を含む液体(トリメチルアルミニウム(TMA、Al(CH3)3)など)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの2種類のガスを用いる。他の材料としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウムアルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)などがある。

0275

また、ALDを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。

0276

また、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WF6ガスとB2H6ガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WF6ガスとH2ガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、B2H6ガスに代えてSiH4ガスを用いてもよい。

0277

また、ALDを利用する成膜装置により酸化物半導体、例えばIn−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを用いてIn−O層を形成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスとを用いてGaO層を形成し、更にその後Zn(CH3)2ガスとO3ガスとを用いてZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてIn−Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスで水をバブリングして得られたH2Oガスを用いても良いが、Hを含まないO3ガスを用いる方が好ましい。

0278

<1−6.半導体装置の作製方法2>
次に、図4に示すトランジスタ100Aの作製方法の一例について、図18乃至図20を用いて説明する。なお、図18乃至図20は、トランジスタ100Aの作製方法を説明するチャネル長(L)方向、及びチャネル幅(W)方向の断面図である。

0279

まず、基板102上に導電体106を形成する。次に、基板102、及び導電体106上に絶縁体104を形成し、絶縁体104上に酸化物半導体を形成する。その後、当該酸化物半導体を島状に加工することで、酸化物半導体107を形成する(図18(A)参照)。

0280

導電体106としては、導電体120a、120b、121a、及び121bと同様の材料、及び同様の手法により形成することができる。本実施の形態においては、導電体106として、厚さ50nmの窒化タンタル膜と、厚さ100nmの銅膜との積層膜をスパッタリング法により形成する。

0281

次に、絶縁体104及び酸化物半導体107上に絶縁体110_0、及び金属酸化物111_0を形成する。また、金属酸化物111_0の形成時に、絶縁体110_0中に酸素が添加される場合がある(図18(B)参照)。

0282

次に、金属酸化物111_0上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁体110_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体104の一部をエッチングすることで、導電体106に達する開口部143を形成する(図18(C)参照)。

0283

開口部143の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、開口部143を形成する。

0284

次に、開口部143を覆うように、導電体106、絶縁体110_0、及び金属酸化物111_0上に導電体112_0を形成する(図18(D)参照)。また、開口部143を覆うように、導電体112_0を形成することで、導電体106と、導電体112_0とが電気的に接続される。

0285

次に、導電体112_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図19(A)参照)。

0286

次に、マスク140上から、エッチングを行い、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0を加工する。また、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0の加工後に、マスク140を除去する。導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0を加工することで、島状の導電体112、島状の金属酸化物111、及び島状の絶縁体110が形成される(図19(B)参照)。

0287

本実施の形態においては、ドライエッチング法を用い、導電体112_0、金属酸化物111_0、及び絶縁体110_0を加工する。

0288

次に、酸化物半導体107に、プラズマ処理を施し、酸化物半導体108を形成する。プラズマに曝された酸化物半導体107は、領域108s及び領域108dとなる。また、導電体112と重畳する酸化物半導体107の領域は、領域108iとなる。これにより、領域108i、領域108s、及び領域108dを有する酸化物半導体108が形成される(図19(C)参照)。

0289

ここで、チャネル長(L)方向の断面において、領域108iは、0.5μm以上2.0μm以下、好ましくは1.5μm以下とすればよい。

0290

なお、図19(C)において、プラズマ処理を矢印で模式的に表している。

0291

次に、絶縁体104、酸化物半導体108、及び導電体112上に絶縁体116を形成する。なお、絶縁体116を形成することで、絶縁体116と接する、領域108s及び領域108dは、絶縁体116からの不純物が拡散し、より抵抗が低くなる場合がある(図19(D)参照)。

0292

また、上述したプラズマ処理と、窒化酸化シリコン膜の成膜処理との2つのステップを220℃の温度で、連続して行う。

0293

絶縁体116として、窒化酸化シリコン膜を用いることで、絶縁体116に接する領域108s、及び領域108dに窒化酸化シリコン膜中の窒素または水素を供給することができる。また、絶縁体116の形成時の温度を上述の温度とすることで、絶縁体110に含まれる過剰酸素が外部に放出されるのを抑制することができる。

0294

次に、絶縁体116上に絶縁体118を形成する(図20(A)参照)。

0295

次に、絶縁体118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁体118及び絶縁体116の一部をエッチングすることで、領域108sに達する開口部141aと、領域108dに達する開口部141bと、を形成する(図20(B)参照)。

0296

次に、開口部141a、141bを覆うように、領域108s、領域108d、及び絶縁体118上に導電体を形成し、当該導電体を所望の形状に加工することで導電体120a、120b、121a、及び121bを形成する(図20(C)参照)。

0297

以上の工程により、図4に示すトランジスタ100Aを作製することができる。

0298

また、本実施の形態において、トランジスタ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、本発明の一態様では、トランジスタが酸化物半導体を有さなくてもよい。一例としては、トランジスタのチャネル領域、チャネル領域の近傍、ソース領域、またはドレイン領域において、Si(シリコン)、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)、などを有する材料で形成してもよい。

0299

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態または実施例で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。

0300

(実施の形態2)
本実施の形態では、トランジスタを有する半導体装置、及び当該半導体装置の作製方法の一例について、図21乃至図38を用いて説明する。

0301

なお、実施の形態1は、絶縁体110と導電体112との間に形成される金属酸化物に絶縁体を用いたが、本実施の形態に示す半導体装置は、金属酸化物に導電体を用いる場合について説明する。つまり、トランジスタ100、およびトランジスタ100A乃至トランジスタ100Lは、金属酸化物111が絶縁性を有することに対し、トランジスタ100M乃至トランジスタ100Yは、金属酸化物113が導電性を有することが異なる。従って、トランジスタ100M乃至トランジスタ100Yにおいて、トランジスタ100で説明した構成と同等の機能を有する構成には、トランジスタ100と同符号を付した。

0302

<2−1.半導体装置の構成例5>
図21(A)、図21(B)、図21(C)に、半導体装置が有するトランジスタの一例を示す。

0303

図21(A)は、トランジスタ100Mの上面図であり、図21(B)は図21(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図21(C)は図21(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。なお、図21(A)では、明瞭化のため、絶縁体110などの構成要素を省略して図示している。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図21(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長(L)方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅(W)方向と呼称する場合がある。

0304

図21(A)、図21(B)、図21(C)に示すトランジスタ100Mは、基板102上の絶縁体104と、絶縁体104上の酸化物半導体108と、酸化物半導体108上の絶縁体110と、絶縁体110上の金属酸化物113と、金属酸化物113上の導電体112と、絶縁体104、酸化物半導体108、及び導電体112上の絶縁体116と、を有する。なお、酸化物半導体108は、導電体112と重なる領域108iと、絶縁体116と接する領域108sと、絶縁体116と接する領域108dと、を有する。

0305

また、トランジスタ100Mは、絶縁体116上の絶縁体118と、絶縁体116、絶縁体118に設けられた開口部141aを介して、領域108sに電気的に接続される導電体120a、及び121aと、絶縁体116、絶縁体118に設けられた開口部141bを介して、領域108dに電気的に接続される導電体120b、及び121bと、を有していてもよい。

0306

なお、金属酸化物113は、ゲート電極の一部としての機能を有する。

0307

ここで、図21(A)、図21(B)、及び図21(C)に示すトランジスタ100Mの作製方法について、図1を用いて説明する。なお、図1は、半導体装置の作製方法を説明する工程フロー図である。

0308

図21(A)、図21(B)、及び図21(C)に示すトランジスタ100Mは、少なくとも図1に示す第1乃至第8の工程を経て作製される。なお、<1−1.半導体装置の構成例1>で示した工程において、第3の工程では、絶縁性を有する金属酸化物を形成したが、本実施の形態では、第3の工程では、導電性を有する金属酸化物を形成する点が異なる。

0309

[第3の工程:金属酸化物の形成]
第3の工程は、金属酸化物を形成する工程を有する(図1、ステップS03参照)。トランジスタ100Mにおいては、絶縁体110上に金属酸化物113を形成する工程が第3の工程に相当する。金属酸化物113には、導電性を有する材料を用いることで、ゲート電極として機能する。

0310

また、上述したように、金属酸化物113は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。

0311

[第4の工程:導電体の形成]
第4の工程は、導電体を形成する工程を有する(図1、ステップS04参照)。トランジスタ100Mにおいては、金属酸化物113上に導電体112を形成する工程が第4の工程に相当する。

0312

なお、導電体112は、光透過性を有する導電体でも、遮光性を有する導電体を用いてもよい。遮光性を有する導電体を用いることで、トランジスタにおいて、光による誤作動を抑制することができる。また、金属酸化物113が十分に導電性を有する場合は、当該工程は省略してもよい。

0313

第4の工程に続いて、<1−1.半導体装置の構成例1>で示した第5の工程乃至第8の工程を経ることで、トランジスタ100Mを作製することができる。

0314

なお、トランジスタ100Mの作製方法の詳細については、後述する。

0315

このように、本発明の一態様の半導体装置の作製方法においては、第3の工程、すなわち、金属酸化物を形成する工程で、絶縁体110に過剰酸素領域を形成することができる。また、第5の工程、すなわち、窒化物絶縁体を形成する工程を150℃以上300℃未満の温度とすることで、過剰酸素を有する絶縁体の側面より外部に放出される酸素を抑制することができる。さらに、絶縁体110よりも金属酸化物113の密度が高いことで、領域108i及び絶縁体110から、導電体112側へ酸素が拡散することを抑制することができる。したがって、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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。

0316

次に、図21(A)、図21(B)、及び図21(C)に示す半導体装置の構成要素の詳細について説明する。

0317

[金属酸化物]
金属酸化物113として、In−Ga−Zn酸化物に代表される酸化物半導体を用いる場合、絶縁体116から窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。別言すると、酸化物半導体は、酸化物導電体(OC:Oxide Conductor)として機能する。従って、本実施の形態においては、金属酸化物113は、導電体とも言い換えることが可能であり、ゲート電極として機能する場合がある。

0318

また、金属酸化物113として、インジウム錫酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを含むインジウム錫酸化物(In−Sn−Si酸化物:ITSOともいう)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。

0319

また、金属酸化物113は、金属酸化物113上に形成される構造体に含まれる要素からの不純物の拡散を防止する役割を有していてもよい。

0320

なお、導電体112として、遮光性を有する金属膜を用いる場合、導電体112の下方に形成される領域108iを遮光することができるため、好適である。また、導電体112として、金属膜を用いることで、金属膜中の構成元素が金属酸化物113側に拡散し低抵抗化する、金属膜の成膜時のダメージ(例えば、スパッタリングダメージなど)により低抵抗化する、あるいは金属膜中に金属酸化物113中の酸素が拡散することで、酸素欠損が形成され低抵抗化することができる。なお、金属酸化物113がゲート電極としての機能を有するため、導電体112の形成は省略してもよい。

0321

<2−2.半導体装置の構成例6>
次に、図21(A)、図21(B)、及び図21(C)に示す半導体装置が有するトランジスタと異なる構成について、図22(A)と、図22(B)と、図22(C)または図22(D)とを用いて説明する。

0322

図22(A)は、トランジスタ100Nの上面図であり、図22(B)は図22(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図22(C)または図22(D)は図22(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。なお、トランジスタ100Aは、金属酸化物111が絶縁性を有することに対し、トランジスタ100Nは、金属酸化物113が導電性を有することが異なる。従って、トランジスタ100Nにおいて、トランジスタ100Aで説明した構成と同等の機能を有する構成には、トランジスタ100Aと同符号を付した。

0323

図22(A)と、図22(B)と、図22(C)または図22(D)とに示すトランジスタ100Nは、基板102上の導電体106と、導電体106上の絶縁体104と、絶縁体104上の酸化物半導体108と、酸化物半導体108上の絶縁体110と、絶縁体110上の金属酸化物113と、金属酸化物113上の導電体112と、絶縁体104、酸化物半導体108、及び導電体112上の絶縁体116と、を有する。なお、酸化物半導体108は、導電体112と重なる領域108iと、絶縁体116と接する領域108sと、絶縁体116と接する領域108dと、を有する。

0324

トランジスタ100Nは、先に示すトランジスタ100Mの構成に加え、導電体106と、開口部143と、を有する。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ