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技術 半導体装置、および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 大貫達也加藤清長塚修平松嵜隆徳
出願日 2018年7月23日 (1年4ヶ月経過) 出願番号 2018-137827
公開日 2019年2月21日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-029666
状態 未査定
技術分野 薄膜トランジスタ 半導体の電極 MOSIC,バイポーラ・MOSIC 半導体メモリ
主要キーワード 開口条件 エンベディッド ラウンド状 隠れ線 連続接合 金属マトリックス複合材 黒鉛基板 タブレット型情報端末
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

高集積化が可能な半導体装置を提供する。

解決手段

プラグ、2つの容量素子、および1つの酸化物半導体共有する2つのトランジスタ、を有する半導体装置であり、各トランジスタは、酸化物半導体上のゲート絶縁体ゲート電極からなる積層体と、ゲート電極の側面に接して設けられた絶縁体を有する。プラグは、2つのゲート電極との間の領域に、各ゲート電極側面に接して設けられた絶縁体が露出する開口に設けられる。また、容量素子は、酸化物半導体上に直接設けられており、容量素子の側面積は、当該容量素子の投影面積よりも大きい。

概要

背景

半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)等の電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はIn−Ga−Zn系酸化物活性層とするトランジスタを用いて、表示装置を作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。

さらに近年、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、記憶装置の集積回路を作製する技術が公開されている(特許文献3参照)。また、記憶装置だけでなく、演算装置等も、酸化物半導体を有するトランジスタによって作製されてきている。

概要

高集積化が可能な半導体装置を提供する。プラグ、2つの容量素子、および1つの酸化物半導体を共有する2つのトランジスタ、を有する半導体装置であり、各トランジスタは、酸化物半導体上のゲート絶縁体ゲート電極からなる積層体と、ゲート電極の側面に接して設けられた絶縁体を有する。プラグは、2つのゲート電極との間の領域に、各ゲート電極側面に接して設けられた絶縁体が露出する開口に設けられる。また、容量素子は、酸化物半導体上に直接設けられており、容量素子の側面積は、当該容量素子の投影面積よりも大きい。

目的

本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

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2

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3

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4

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5

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6

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7

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。

技術分野

0001

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の駆動方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハモジュールおよび電子機器に関する。

0002

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。表示装置液晶表示装置発光表示装置など)、投影装置照明装置電気光学装置蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。

0003

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は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、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)に関するものである。

背景技術

0004

半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)等の電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

0005

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はIn−Ga−Zn系酸化物活性層とするトランジスタを用いて、表示装置を作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。

0006

さらに近年、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、記憶装置の集積回路を作製する技術が公開されている(特許文献3参照)。また、記憶装置だけでなく、演算装置等も、酸化物半導体を有するトランジスタによって作製されてきている。

先行技術

0007

特開2007−123861号公報
特開2007−96055号公報
特開2011−119674号公報

発明が解決しようとする課題

0008

ここで、電子機器の高性能化、小型化、軽量化に伴い、集積回路は高集積化され、トランジスタのサイズは微細化している。これに従って、トランジスタ作製のプロセスルールも、45nm、32nm、22nmと年々小さくなっている。これに伴い、酸化物半導体を有するトランジスタも、微細な構造において、設計通り良好な電気特性を有するものが求められている。

0009

本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オフ電流の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、オン電流の大きいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。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一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。

0010

または、本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。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一つとする。

0011

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

課題を解決するための手段

0012

本発明の一態様は、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、第1のトランジスタは、酸化物半導体と、酸化物半導体上の第1の絶縁体と、第1の絶縁体上の第1の導電体と、第1の導電体の側面と接する第2の絶縁体と、を有し、第2のトランジスタは、酸化物半導体と、酸化物半導体上の第3の絶縁体と、第3の絶縁体上の第2の導電体と、第2の導電体の側面と接する第4の絶縁体と、を有し、第1の容量素子は、酸化物半導体上、および第2の絶縁体に接する第3の導電体と、第3の導電体上の第5の絶縁体と、第5の絶縁体上の第4の導電体と、を有し、第2の容量素子は、酸化物半導体上、および第4の絶縁体に接する第5の導電体と、第5の導電体上の第5の絶縁体と、第5の絶縁体上の第6の導電体と、を有し、プラグは、酸化物半導体、第2の絶縁体、および第4の絶縁体に接して設けられ、第1の容量素子の側面積は、第1の容量素子の投影面積よりも大きく、第2の容量素子の側面積は、第2の容量素子の投影面積よりも大きい。

0013

上記記載の半導体装置は、第1のトランジスタ上、および第2のトランジスタ上に設けられた第6の絶縁体と、第1の容量素子上、第2の容量素子上、および第6の絶縁体上に設けられた第7の絶縁体と、を有し、第6の絶縁体は、第1の絶縁体を露出する第1の開口と、第3の絶縁体を露出する第2の開口を有し、第1の開口内に、第1の容量素子は設けられ、第2の開口内に、第2の容量素子は設けられ、第6の絶縁体と、第7の絶縁体は、第1の絶縁体、および第2の絶縁体を露出する第3の開口を有し、第3の開口内に、プラグが設けられている。

0014

上記記載の半導体装置は、第7の絶縁体上、およびプラグ上に、配線として機能する第7の導電体を有する。

0015

上記記載の半導体装置において、第1の導電体と、第2の導電体は、第1のトランジスタのチャネル長辺方向と、概略直交する方向に延伸し、第7の導電体は、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。

0016

上記記載の半導体装置において、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。

発明の効果

0017

本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な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、良好な電気特性を有する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、オフ電流の小さい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、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い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、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、生産性の高い半導体装置を提供することができる。

0018

または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。

0019

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

図面の簡単な説明

0020

本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
酸化物半導体のエネルギーバンド構造を説明する図。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。
本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す回路図および断面図。
本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。
本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。
本発明の一態様に係る記憶装置の消費電力を説明する図。
本発明の一態様に係るAIステムの構成例を示すブロック図。
本発明の一態様に係るAIシステムの応用例を説明するブロック図。
本発明の一態様に係るAIシステムを組み込んだICの構成例を示す斜視模式図。
本発明の一態様に係る電子機器を示す図。

実施例

0021

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

0022

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。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

0023

また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。

0024

また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。

0025

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。

0026

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)の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に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、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。

0027

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場合がある。

0028

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)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレイン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。

0029

チャネル幅とは、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)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さを言う。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。

0030

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。

0031

このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。

0032

そこで、本明細書では、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像などを解析することなどによって、値を決定することができる。

0033

なお、半導体の不純物とは、例えば、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と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のDOS(Density of States)が高くなることや、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である場合、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、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素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、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば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、半導体がシリコンである場合、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。

0034

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。

0035

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。

0036

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。

0037

また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、nチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧(「Vth」ともいう。)は、明示されている場合を除き、0Vよりも大きいものとする。

0038

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。

0039

また、本明細書において、結晶三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

0040

なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。

0041

本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、OSFET(Field Effect Transistor)と記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

0042

(実施の形態1)
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。

0043

<半導体装置の構成例>
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。

0044

図1(A)、および図2(A)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の上面図である。また、図1(B)、および図2(B)は、図1(A)、および図2(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、図1(C)、および図2(C)は、図1(A)、および図2(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図である。図1(A)、および図2(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。また、図2は、図1の各構成要素に符号を付した図面である。

0045

本発明の一態様の半導体装置は、図1、および図2に示すように、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と、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、および絶縁体284を有する。また、トランジスタ200aと電気的に接続し、配線として機能する導電体203aと、トランジスタ200bと電気的に接続し、配線として機能する導電体203bと、プラグとして機能する導電体240、および導電体240と電気的に接続し、配線として機能する導電体246と、を有する。

0046

なお、導電体203a、および導電体203bは、絶縁体212に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体203a、および導電体203bの上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、導電体203a、および導電体203bは、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203a、および導電体203bを2層以上の多層膜構造としてもよい。

0047

ここで、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bは、図1(A)に示す部位において、A1−A2間の一点鎖線と、A5−A6間の一点鎖線が交わる点を中心として、点対称の構成を有している。

0048

同様に、容量素子100a、および容量素子100bは、図1(A)に示す部位において、A1−A2間の一点鎖線と、A5−A6間の一点鎖線が交わる点を中心として、点対称の構成を有している。

0049

上記構成より、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bは、共通のプラグとして機能する導電体240と接続することができる。つまり、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bにおいて、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することができる。従って、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を有する半導体装置の占有面積縮小することができる。

0050

また、半導体装置は、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bを覆う様に絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。

0051

絶縁体280の開口は、トランジスタ200aの絶縁体275a、およびトランジスタ200bの絶縁体275bの側面が露出するように形成される。本構造を形成するには、絶縁体280の開口時に絶縁体275aおよび絶縁体275bのエッチング速度が、絶縁体280のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体275aおよび絶縁体275bのエッチング速度を1とすると、絶縁体280のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。

0052

ここで、絶縁体280の開口の内壁に接するように導電体240が形成される。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231が位置しており、導電体240は、領域231と接する(図5参照)。

0053

なお、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体240を形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体240の酸化を防止することができる。また、導電体240から、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムの形成は、開口にALD法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。

0054

導電体240は、トランジスタ200aのソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有し、並びにトランジスタ200bのソース電極またはドレイン電極の一方としての機能も有する。当該構成とすることで、隣接するトランジスタ200aと、トランジスタ200bと、の間隔を小さくすることができる。従って、トランジスタを高密度に配置することが可能となり半導体装置の高集積化が可能となる。

0055

なお、図4は、図2(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまり、導電体240と、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの酸化物230(酸化物230a、および酸化物230b)と、が接する領域の断面図である。

0056

一例として、図4(A)に示すように、導電体240は、酸化物230の上面と接する。つまり、チャネル幅方向(A5−A6方向)において、導電体240と、酸化物230とが接する面の幅は、酸化物230の幅より小さくてもよい。

0057

また、図4(B)に示すように、導電体240は、酸化物230の上面、および酸化物230の側面と接してもよい。例えば、図4(B)は、導電体240が、酸化物230のA5側の側面と接する領域の一例を示す。なお、導電体240は、酸化物230のA6側の側面と接する領域を有してもよい。当該構成とすることで、導電体240と、酸化物230と、が接する領域の面積を大きくすることができる。従って、導電体240と、酸化物230と、のコンタクト抵抗を低減することができる。

0058

また、図4(C)に示すように、導電体240は、酸化物230の上面および酸化物230のA5側およびA6側の両側面で接してもよい。つまり、導電体240と、酸化物230とが接する領域がのような断面形状を有する(鞍面コンタクトと呼ぶことができる)。当該構成とすることで、導電体240と、酸化物230と、が接する領域の面積を大きくすることができる。従って、導電体240と、酸化物230と、のコンタクト抵抗を、より低減することができる。

0059

また、トランジスタ200aのソースまたはドレインの他方と、容量素子100aとを、重畳して設ける。同様に、トランジスタ200bのソースまたはドレインの他方と、容量素子100bとを、重畳して設ける。特に、容量素子100a、および容量素子100bは、底面積よりも、側面積が大きい構造(なお、以下では、シリンダー型容量素子ともいう。)であることが好ましい。従って、容量素子100a、または容量素子100bは、投影面積当たりの容量値を大きくすることができる。

0060

以上のように、本発明の一態様の半導体装置は、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を同じ層に配置することが可能な構成となっている。当該構成とすることで、半導体装置は、高密度にトランジスタおよび容量素子を配置することができるので、高集積化することができる。

0061

また、トランジスタ200aのソースまたはドレインの他方と接して、容量素子100aの一方の電極を設ける。同様に、トランジスタ200bのソースまたはドレインの他方と接して、容量素子100bの一方の電極を設ける。当該構成により、容量素子100aとトランジスタ200aとの間のコンタクト形成工程、および容量素子100bとトランジスタ200bとの間のコンタクト形成工程を削減することができる。従って、工程数の低減、および生産コストを削減することができる。

0062

本発明の一態様では、複数の容量素子と、複数のトランジスタと、各構造と接続するプラグと、を上述の構成とすることで、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。

0063

[トランジスタ200aおよびトランジスタ200b]
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。

0064

また、図1、および図2に示すように、トランジスタ200b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_2(導電体205_2aおよび導電体205_2b)と、導電体205_2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_2cと、酸化物230_2cの上に配置された絶縁体250bと、絶縁体250bの上に配置された導電体260bと、導電体260bの上に配置された絶縁体270bと、絶縁体270bの上に配置された絶縁体271bと、少なくとも導電体260bの側面に接して配置された絶縁体275bと、を有する。

0065

尚、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bでは、酸化物230aと酸化物230bをまとめて酸化物230という場合がある。なお、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bでは、酸化物230aおよび酸化物230bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230bのみを設ける構成にしてもよい。また、例えば、3層以上の積層構造としてもよい。

0066

また、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bでは、導電体260aおよび導電体260bを単層の構成で示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体260a、および導電体260bを、2層以上の積層構造としてもよい。

0067

ここで、上述したように、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bは、図1(A)に示す部位において、A1−A2間の一点鎖線と、A5−A6間の一点鎖線が交わる点を中心として、点対称の構成を有している。

0068

つまり、トランジスタ200bは、トランジスタ200aが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。従って、図中では、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bにおいて、対応する構成には、基本的に、3桁の同数字を符号として付与する。また、以下では、特にことわりが無い限り、トランジスタ200bについては、トランジスタ200aの説明を参酌することができる。

0069

例として、トランジスタ200aの導電体205_1、酸化物230_1c、絶縁体250a、導電体260a、絶縁体270a、絶縁体271a、絶縁体275aは、それぞれトランジスタ200bの導電体205_2、酸化物230_2c、絶縁体250b、導電体260b、絶縁体270b、絶縁体271b、および絶縁体275bに対応する。

0070

なお、酸化物230は、トランジスタ200aと、トランジスタ200bとで、共通する構造である。従って、酸化物230は、トランジスタ200aのチャネル形成領域として機能する領域と、トランジスタ200aのソースまたはドレインの他方として機能する領域と、トランジスタ200bのチャネル形成領域として機能する領域と、トランジスタ200bのソースまたはドレインの他方として機能する領域と、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有する。

0071

上記構成により、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続するプラグを共通化することができる。特に、トランジスタ200aとトランジスタ200bとが、酸化物230を共有することで、トランジスタ200aの第1のゲートとして機能する導電体260aと、トランジスタ200bの第1のゲートとして機能する導電体260bとの間を、最小加工寸法としてもよい。導電体260aと導電体260bとの間の距離を、最小加工寸法とすることで、2個のトランジスタの占有面積を縮小することができる。

0072

なお、絶縁体275a、および絶縁体275bは、異方性エッチング処理により、自己整合的に形成される。トランジスタ200aに絶縁体275aを設けることで、トランジスタ200aと、容量素子100a、または導電体240との間に形成される寄生容量を低減することができる。同様に、トランジスタ200bに絶縁体275bを設けることで、トランジスタ200bと、容量素子100b、または導電体240との間に形成される寄生容量を低減することができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bを高速に動作することができる。

0073

例えば、酸化物230として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウムガリウムイットリウム、銅、バナジウムベリリウム、ホウ素、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)等の金属酸化物に代表される酸化物半導体を用いるとよい。また、酸化物230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。

0074

チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200a、およびトランジスタ200bは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200a、およびトランジスタ200bに用いることができる。

0075

ここで、図2(B)における、トランジスタ200aのチャネル近傍の領域の拡大図を図5に示す。

0076

図5に示すように、酸化物230は、トランジスタ200aのチャネル形成領域として機能する領域234と、トランジスタ200aのソースまたはドレインとして機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。

0077

ソースまたはドレインとして機能する領域231は、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、ソースまたはドレインとして機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域232は、ソースまたはドレインとして機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い、かつ、チャネル形成領域として機能する領域234よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。

0078

なお、酸化物230の領域231において、少なくとも酸化物230の表面近傍(図中、領域242で示す)のみ低抵抗化されていればよい。つまり、低抵抗化した領域231において、領域242が最も低抵抗化されていることが好ましい。

0079

なお、領域231は、金属元素希ガス、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域232、および領域234よりも高いことが好ましい。さらに、領域231において、領域242は、金属元素、希ガス、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が高いことが好ましい。

0080

例えば、領域231は、酸化物230が有する金属元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。酸化物230に、金属元素が添加されることで、領域231を低抵抗化することができる。なお、領域231は、酸化物230中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した領域を有してもよい。

0081

領域232は、少なくとも、絶縁体275aと重畳する領域を有する。領域232は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域234よりも高いことが好ましい。領域232を形成するためには、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を設ければよい。これにより、当該膜中の金属元素が酸化物半導体に添加され、酸化物半導体中金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物230に含まれる水素を引き寄せる場合がある。これにより、領域231の近傍である領域232の水素の濃度が高くなる場合がある。

0082

なお、領域232a、および領域232bのいずれか一方または双方は、導電体260aと重畳する領域を有する構成としてもよい。

0083

トランジスタ200aにおいて、領域232を設けることで、ソースおよびドレインとして機能する領域231と、チャネルが形成される領域234との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域232を有することで、チャネル長方向において、ソースおよびドレインと、ゲート電極とが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。また、領域232を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。

0084

また、図1、および図2では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は酸化物230a、および酸化物230cにも、形成されていてもよい。また、図1、および図2では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232aが酸化物230bの表面近傍では導電体260a側に張り出し、酸化物230bの下面近傍では、容量素子100a側に後退する形状になる場合がある。

0085

また、酸化物230において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。

0086

なお、酸化物230の各領域は、導電体260aおよび絶縁体275a、並びに導電体260bおよび絶縁体275bをマスクとし、不純物または金属元素を添加することで、自己整合的に低抵抗化する。そのため、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を、複数同時に形成する場合、半導体装置間の電気特性バラつきを小さくすることができる。

0087

また、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bのチャネル長は、導電体260aおよび絶縁体275a、並びに導電体260bおよび絶縁体275bの幅により決定される。つまり、導電体260a、または導電体260bの幅を最小加工寸法とすることで、トランジスタ200a、またはトランジスタ200bの微細化が可能となる。

0088

以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200a、およびトランジスタ200bの詳細な構成について説明する。なお、以下においてもトランジスタ200bの構成については、トランジスタ200aを参酌することができる。

0089

トランジスタ200aの第2のゲート電極として機能する導電体205_1は、酸化物230および導電体260aと重なるように配置する。

0090

ここで、導電体260aは、トランジスタ200aの第1のゲート電極として機能する場合がある。

0091

なお、導電体205_1に印加する電位は、接地電位や、導電体260aに印加する電位と異なる任意の電位としてもよい。例えば、導電体205_1に印加する電位を、導電体260aに印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200aのしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体205_1に負の電位を印加することにより、トランジスタ200aのしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。従って、導電体260aに印加する電圧が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。

0092

導電体203aは、導電体260aと同様にチャネル幅方向に延伸されており、導電体205_1、すなわち第2のゲート電極に電位を印加する配線として機能する。ここで、第2のゲート電極の配線として機能する導電体203aの上に積層して、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれた導電体205_1を設けることにより、導電体203aと導電体260aの間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられ、導電体203aと導電体260aの間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。

0093

導電体203aと導電体260aの間の寄生容量を低減することで、トランジスタのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体203aと導電体260aの間の絶縁耐圧を高めることで、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を大きくすることが好ましい。なお、導電体203aの延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200aのチャネル長方向に延伸されてもよい。

0094

一方、導電体205_1に印加する電位は、導電体260aに印加する電位と同電位としてもよい。導電体205_1に印加する電位は、導電体260aに印加する電位と同電位とする場合、導電体205_1は、酸化物230における領域234よりも、チャネル幅方向の長さが大きくなるように設けてもよい。特に、導電体205_1は、チャネル幅方向において、酸化物230の領域234の端部よりも外側の領域まで延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体205_1と、導電体260aとは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。

0095

上記構成を有することで、導電体260a、および導電体205_1に電位を印加した場合、導電体260aから生じる電界と、導電体205_1から生じる電界と、がつながることで、閉回路を形成し、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。

0096

つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260aの電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205_1の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。

0097

導電体205_1は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して導電体205_1aが形成され、さらに内側に導電体205_1bが形成されている。ここで、導電体205_1bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。また、導電体205_2bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200aでは、導電体205_1aおよび導電体205_1bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205_1aまたは導電体205_1bのどちらか一方のみを設ける構成にしてもよい。

0098

ここで、導電体205_1aは、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する(透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体214より下層から水素、水などの不純物が導電体205_1および導電体205_2を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体205_1aは、水素原子水素分子水分子窒素原子窒素分子酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物または、酸素原子酸素分子などの少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料について記載する場合、該導電性材料は同様の機能を有することが好ましい。導電体205_1aが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体205_1bが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。

0099

また、導電体205_1bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体205_1bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

0100

なお、図3に示すように、導電体203a、導電体203b、導電体205_1および導電体205_2は、必ずしも設ける必要はない。

0101

絶縁体214および絶縁体222は、下層から水または水素などの不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体214および絶縁体222は、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体214として窒化シリコンなどを用い、絶縁体222として酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、シリコンおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムシリケート)、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体214および絶縁体222より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体214および絶縁体222は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。

0102

また、絶縁体214および絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子または酸素分子など)の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体224などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。

0103

また、絶縁体222中の水、水素または窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体222の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)において、絶縁体222の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体222の面積当たりに換算して、2×1015molecules/cm2以下、好ましくは1×1015molecules/cm2以下、より好ましくは5×1014molecules/cm2以下であればよい。また、絶縁体222は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。

0104

絶縁体250aは、トランジスタ200aの第1のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、トランジスタ200aの第2のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ200aでは、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224のうちいずれか2層を積層した構造にしてもよいし、いずれか1層を用いる構造にしてもよい。

0105

酸化物230は、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。金属酸化物としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

0106

酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。

0107

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。

0108

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物である場合を考える。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。

0109

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。

0110

ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素を添加することで、金属化合物となり、低抵抗化する場合がある。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。

0111

上記界面近傍に形成された酸素欠損の周辺は、歪を有している。また、上記膜をスパッタリング法によって成膜する場合、スパッタリングガスに希ガスが含まれると、上記膜の成膜中に、希ガスが酸化物半導体中へ混入する場合がある。酸化物半導体中へ希ガスが混入することで、上記界面近傍、および希ガスの周辺では、歪、または構造の乱れが生じる。なお、上記希ガスとしては、He、Arなどが挙げられる。なお、HeよりもArの方が、原子半径が大きいため好ましい。当該Arが酸化物半導体中に混入することで、好適に歪み、または構造の乱れが生じる。これらの歪、または構造の乱れた領域では、結合した酸素の数が少ない金属原子が増えると考えられる。結合した酸素の数が少ない金属原子が増えることで、上記界面近傍、および希ガスの周辺が低抵抗化する場合がある。

0112

また、酸化物半導体として、結晶性の酸化物半導体を用いる場合、上記の歪、または構造の乱れた領域では、結晶性が崩れ、非晶質のように観察される場合がある。

0113

また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。

0114

また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。

0115

また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。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。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。

0116

従って、酸化物半導体に対し、選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース、またはドレインとして機能する低抵抗化した領域を設けることができる。

0117

なお、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。

0118

以上のような金属酸化物を酸化物230aとして用いて、酸化物230aの伝導帯下端エネルギーが、酸化物230bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物230aの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。

0119

ここで、酸化物230aおよび酸化物230b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。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面において形成される混合層欠陥準位密度を低くするとよい。

0120

具体的には、酸化物230aと酸化物230b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230bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物230aとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

0121

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bに形成されるナローギャップ部分となる。酸化物230aと酸化物230b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。

0122

電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ecは、図21に示すように、真空準位Evacと価電子帯上端のエネルギー準位Evとの差であるイオン化ポテンシャルIpと、エネルギーギャップEgから求めることができる。イオン化ポテンシャルIpは、例えば、紫外線光電子分光分析UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップEgは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。

0123

また、図2(B)に示すように、導電体260a、絶縁体270aおよび絶縁体271aからなる構造体は、その側面が絶縁体222の上面に対し、略垂直であることが好ましい。ただし、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、導電体260a、絶縁体270aおよび絶縁体271aからなる構造体の側面と絶縁体222の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。

0124

絶縁体275aは、少なくとも、導電体260a、および絶縁体270aの側面に接して設けられる。絶縁体275aは、絶縁体275aとなる絶縁体を成膜してから、異方性エッチングを行って形成する。該エッチングによって、絶縁体275aは、導電体260a、および絶縁体270aの側面に接して形成する。

0125

ここで、トランジスタ200aは、導電体260aと、導電体240と、の間に寄生容量が形成される場合がある。同様に、トランジスタ200bは、導電体260bと、導電体240と、の間に寄生容量が形成される場合がある。

0126

従って、トランジスタ200aに絶縁体275aを設け、トランジスタ200bに、絶縁体275bを設けることで、それぞれの寄生容量を低減することができる。絶縁体275aおよび絶縁体275bとしては、例えば、酸化シリコン酸化窒化シリコン窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bを高速に動作することができる。

0127

ここで、図3に示すように、トランジスタ200a、およびトランジスタ200bを覆うように、絶縁体274を設けてもよい。

0128

例えば、絶縁体274として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。

0129

また、酸化アルミニウムは、酸化物230と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物230中の水素を引き抜く場合がある。従って、酸化物230中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体274と、酸化物230とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体274から酸化物230、絶縁体224、絶縁体222、絶縁体250a、絶縁体250b、絶縁体275a、または絶縁体275bに酸素を供給できる場合がある。

0130

[容量素子100aおよび容量素子100b]
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。

0131

なお、容量素子100bは、容量素子100aが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。従って、図中では、容量素子100a、および容量素子100bにおいて、対応する構成には、基本的に、3桁の同数字を符号として付与する。従って、以下では、特にことわりが無い限り容量素子100bについては、容量素子100aの説明を参酌することができる。

0132

容量素子100aは、導電体110a、絶縁体130、絶縁体130上の導電体120aを有する。また、容量素子100bは、導電体110b、絶縁体130、絶縁体130上の導電体120bを有する。

0133

ここで、トランジスタ200a上に容量素子100a、トランジスタ200b上に容量素子100bを設ける。

0134

容量素子100aは、絶縁体280が有する開口において、底面、および側面において、下部電極として機能する導電体110aと、上部電極として機能する導電体120aが、誘電体として機能する絶縁体130を挟んで対向する構成である。従って、単位面積当たり静電容量を大きくすることができる。

0135

特に、絶縁体280が有する開口の深さを深くすることで、投影面積は変わらず、容量素子100aの静電容量を大きくすることができる。従って、容量素子100aは、シリンダー型(底面積よりも、側面積の方が大きい)とすることが好ましい。

0136

上記構成とすることで、容量素子100aの単位面積当たりの静電容量を大きくでき、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。また、絶縁体280の膜厚により、容量素子100aの静電容量の値を、適宜設定することができる。従って、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。

0137

また、絶縁体130は、誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。

0138

また、絶縁体130は、積層構造であってもよい、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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などから、2層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ALD法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、0.5nm以上5nm以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子100aとすることができる。

0139

なお、トランジスタ200aの第1のゲート電極として機能する導電体260aの側面には、絶縁体275aが設けられている。導電体260aと導電体110aの間に、絶縁体275aが設けられることで、導電体260aと導電体110aの間の寄生容量を低減することができる。

0140

なお、導電体110a、または導電体120aは、積層構造であってもよい。例えば、導電体110a、または導電体120aは、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを主成分とする導電性材料と、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料と、の積層構造としてもよい。また、導電体110a、または導電体120aは、単層構造としてもよいし、3層以上の積層構造としてもよい。

0141

<基板>
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。

0142

また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板として、繊維を編みこんだシートフィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、夫な半導体装置を提供することができる。

0143

可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステルポリオレフィンポリアミドナイロンアラミドなど)、ポリイミドポリカーボネートアクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。

0144

<絶縁体>
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。

0145

トランジスタを、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体210、絶縁体214、絶縁体222、絶縁体270a、絶縁体270bとして、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。

0146

水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。

0147

また、例えば、絶縁体210、絶縁体214、絶縁体222、絶縁体270a、絶縁体270bとしては、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、シリコンおよびハフニウムを含む酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物または酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。なお、例えば、絶縁体210、絶縁体214、絶縁体222、絶縁体270a、絶縁体270bは、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムなどを有することが好ましい。

0148

絶縁体271a、絶縁体271b、絶縁体275a、および絶縁体275bとしては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体271a、絶縁体271b、絶縁体275a、および絶縁体275bとしては、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。

0149

絶縁体222、絶縁体224、絶縁体250a、絶縁体250b、絶縁体130は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体250a、絶縁体250b、絶縁体130は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。

0150

または、絶縁体222、絶縁体224、絶縁体250a、絶縁体250b、絶縁体130は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、絶縁体250aおよび絶縁体250bにおいて、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを酸化物230_1cおよび230_2cと接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物230に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体250aおよび絶縁体250bにおいて、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物230_1cおよび230_2cと接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。

0151

絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、絶縁体284、絶縁体275a、および絶縁体275bは、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、絶縁体284、絶縁体275a、および絶縁体275bは、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体212、絶縁体216、絶縁体280、絶縁体284、絶縁体275a、および絶縁体275bは、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。

0152

<導電体>
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。

0153

また、特に、導電体260aおよび導電体260bとして、酸化物230に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、酸化物230に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。

0154

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。

0155

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。

0156

<金属酸化物>
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。

0157

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。

0158

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物である場合を考える。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。

0159

[金属酸化物の構成]
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。

0160

なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCACと記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。

0161

CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。

0162

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子ベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけクラウド状に連結して観察される場合がある。

0163

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。

0164

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。

0165

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。

0166

[金属酸化物の構造]
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。

0167

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。

0168

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。

0169

また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。

0170

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。

0171

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。

0172

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。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。

0173

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。

0174

[酸化物半導体を有するトランジスタ]
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。

0175

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、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。

0176

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。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。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。

0177

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。

0178

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成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。

0179

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。

0180

[不純物]
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。

0181

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。

0182

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。

0183

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。

0184

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。

0185

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形成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。

0186

<半導体装置の作製方法>
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。

0187

まず、基板(図示しない)を準備し、当該基板上に絶縁体210を成膜する。絶縁体210の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積PLD:Pulsed Laser Deposition)法またはALD法などを用いて行うことができる。

0188

なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。

0189

プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。

0190

また、ALD法も、被処理物へのダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ALD法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。

0191

CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。

0192

CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。

0193

例えば、絶縁体210として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜するとよい。また、絶縁体210は、多層構造としてもよい。例えばスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上にALD法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。

0194

次に絶縁体210上に、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜を成膜する。導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。また、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜は、多層膜とすることができる。例えば、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜としてタングステンを成膜するとよい。

0195

次に、リソグラフィー法を用いて、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜を加工し、導電体203aおよび導電体203bを形成する。

0196

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジスト露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultraviolet)光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。

0197

また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。

0198

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極に同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極に周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置などを用いることができる。

0199

次に、絶縁体210上、導電体203a上および導電体203b上に絶縁体212となる絶縁膜を成膜する。絶縁体212となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体212となる絶縁膜として、CVD法によって酸化シリコンを成膜するとよい。

0200

ここで、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚は、導電体203aの膜厚および導電体203bの膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体203aの膜厚および導電体203bの膜厚を1とすると、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚は、1以上3以下とする。

0201

次に、絶縁体212となる絶縁膜にCMP(chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、絶縁体212となる絶縁膜の一部を除去し、導電体203aの表面および導電体203bの表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体203aおよび導電体203bと、絶縁体212を形成することができる(図7参照。)。

0202

ここでは、上記と異なる導電体203aおよび導電体203bの形成方法について以下に説明する。

0203

絶縁体210上に絶縁体212を成膜する。絶縁体212の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。次に、絶縁体212に絶縁体210に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体210は、絶縁体212をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体212に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体210は窒化シリコン膜酸化アルミニウム膜酸化ハフニウム膜を用いるとよい。

0204

開口の形成後に、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。または上記導電体と、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0205

例えば、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜を、多層構造とする場合、スパッタリング法によって、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜するとよい。当該金属窒化物を導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の上層の導電膜として、銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体203aおよび導電体203bから外に拡散するのを防ぐことができる。

0206

次に、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の上層の導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の上層の導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。

0207

次に、CMP処理を行うことで、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の上層、ならびに導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体212を露出する。その結果、開口部のみに、導電体203aおよび導電体203bとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体203aおよび導電体203bを形成することができる。なお、当該CMP処理により、絶縁体212の一部が除去される場合がある。以上が、導電体203aおよび導電体203bの異なる形成方法である。

0208

次に、導電体203a上および導電体203b上に絶縁体214を成膜する。絶縁体214の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体214として、CVD法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体214として、窒化シリコンなどのように銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体203aおよび導電体203bに銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを防ぐことができる。

0209

次に絶縁体214上に絶縁体216を成膜する。絶縁体216の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体216として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。

0210

次に、絶縁体214および絶縁体216に凹部を形成することで、導電体203aおよび導電体203bを露出する。なお、ここで、凹部とは、例えば、穴、溝(スリット)、または開口部なども含まれる。凹部の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。

0211

凹部の形成後に、導電体205_1aおよび導電体205_2aとなる導電膜を成膜する。導電体205_1aおよび導電体205_2aとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。または上記導電体と、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体205_1aおよび導電体205_2aとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0212

次に、導電体205_1aおよび導電体205_2aとなる導電膜上に、導電体205_1bおよび導電体205_2bとなる導電膜を成膜する。導電体205_1bおよび導電体205_2bとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0213

次に、CMP処理を行うことで、絶縁体216上の導電体205_1aおよび導電体205_2aとなる導電膜と、導電体205_1bおよび導電体205_2bとなる導電膜と、を除去する。その結果、凹部のみに、導電体205_1aおよび導電体205_2aとなる導電膜と、導電体205_1bおよび導電体205_2bとなる導電膜と、が残存することで上面が平坦な導電体205_1および導電体205_2を形成することができる(図7参照。)。

0214

次に、絶縁体216上、導電体205_1上および導電体205_2上に絶縁体220を成膜する。絶縁体220の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0215

次に、絶縁体220上に絶縁体222を成膜する。絶縁体222の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0216

次に、絶縁体222上に絶縁体224を成膜する。絶縁体224の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0217

次に、第1の加熱処理を行うと好ましい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。第1の加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。第1の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第1の加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理によって、絶縁体224に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。または、第1の加熱処理において、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にRF(Radio Frequency)を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることにより高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にRFを印加することで高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体224内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。尚、第1の加熱処理は行わなくても良い場合がある。

0218

また、該加熱処理は、絶縁体220成膜後、絶縁体222の成膜後および絶縁体224の成膜後それぞれに行うこともできる。該加熱処理は、上記条件を用いることができるが、絶縁体220成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。

0219

例えば、第1の加熱処理として、絶縁体224成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行なった。

0220

次に、絶縁体224上に酸化膜230Aと酸化膜230Bを順に成膜する(図7参照。)。なお、酸化膜230Aと酸化膜230Bは、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気環境に暴露せずに成膜することで、酸化膜230A上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜230Aと、酸化膜230B、との界面近傍を清浄に保つことができる。

0221

酸化膜230Aと酸化膜230Bの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0222

例えば、酸化膜230Aと酸化膜230Bをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、酸化膜230Aと酸化膜230Bをスパッタリング法によって成膜する場合は、In−M−Zn酸化物ターゲットを用いることができる。

0223

特に、酸化膜230Aの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体224に供給される場合がある。

0224

なお、酸化膜230Aの成膜時にスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。

0225

酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を1%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。

0226

酸化膜230Bに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化膜230Aに過剰酸素を含む酸化膜を用いることが好ましい。また、酸化膜230Aの成膜後に酸素ドープ処理を行ってもよい。

0227

例えば、酸化膜230Aを、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜し、酸化膜230Bを、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。

0228

次に、第2の加熱処理を行ってもよい。第2の加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。第2の加熱処理によって、酸化膜230Aおよび酸化膜230B中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。例えば、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。

0229

次に、酸化膜230Aおよび酸化膜230Bを島状に加工して、酸化物230(酸化物230aおよび酸化物230b)を形成する。この時、酸化物230aおよび酸化物230bと重ならない領域の絶縁体224がエッチングされて、絶縁体222の表面が露出する場合がある(図8参照。)。

0230

ここで、酸化物230は、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、酸化物230の側面は、絶縁体222の上面に対し、略垂直であることが好ましい。酸化物230の側面が、絶縁体222の上面に対し、略垂直であることで、複数のトランジスタ200を設ける際に、小面積化高密度化が可能となる。なお、酸化物230の側面と絶縁体222の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230の側面と絶縁体222の上面のなす角は大きいほど好ましい。

0231

また、酸化物230の側面と、酸化物230の上面との間に、湾曲面を有してもよい。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とすることが好ましい。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。

0232

なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、該加工はドライエッチング法ウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。

0233

また、エッチングマスクとしては、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、酸化膜230B上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。酸化膜230Aおよび酸化膜230Bのエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。酸化膜230Aおよび酸化膜230Bのエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。

0234

これまでのドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物230aおよび酸化物230bなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。

0235

上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理または、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。

0236

ウェット洗浄としては、シュウ酸リン酸またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。

0237

次に、第3の加熱処理を行っても良い。加熱処理の条件は、上述の第1の加熱処理の条件を用いることができる。

0238

次に、絶縁体222、および酸化物230の上に、酸化物230cとなる酸化膜を成膜する(図9参照。)。酸化物230cとなる酸化膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0239

なお、酸化物230cとなる酸化膜は、島状に加工して、酸化物230cを形成してもよい。絶縁体250a、絶縁体250b、導電体260aおよび導電体260b形成前に、酸化物230cとなる酸化膜を加工することで、後工程で形成される絶縁体250a、絶縁体250b、導電体260aおよび導電体260bの下側に位置する酸化物230cとなる酸化膜の一部を除去することができる。これにより、隣り合うセルの酸化物230cとなる酸化膜が分離され、セル間のリークを防ぐことができ、好ましい。本実施の形態では、酸化物230cとなる酸化膜の加工を行い、酸化物230cを形成する。

0240

酸化物230cとなる酸化膜の加工は、ドライエッチングやウェットエッチングを用いることができる。

0241

次に、絶縁体222および酸化物230cの上に、絶縁膜250、導電膜260、絶縁膜270および絶縁膜271を、順に成膜する(図9参照。)。

0242

絶縁膜250の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。ここで、絶縁膜250を積層構造としてもよい。例えば、絶縁膜250を、2層構造とする場合、スパッタリング法を用い、酸素を含む雰囲気下で、絶縁膜250の2層目の成膜することで、絶縁膜250の1層目に酸素を添加することができる。

0243

ここで、第4の加熱処理を行なってもよい。第4の加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。該加熱処理によって、絶縁膜250中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。

0244

導電膜260の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0245

絶縁膜270および絶縁膜271の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができ、特に、絶縁膜270は、ALD法を用いて成膜することが好ましい。絶縁膜270を、ALD法を用いて成膜することで、膜厚を0.5nm以上10nm以下程度、好ましくは0.5nm以上3nm以下程度にすることができる。なお、絶縁膜270の成膜は省略することができる。

0246

また、絶縁膜271は、導電膜260を加工する際のハードマスクとして用いることができる。また、絶縁膜271は、積層構造とすることができる。例えば、酸化窒化シリコンと、該酸化窒化シリコン上に窒化シリコンを配置してもよい。

0247

ここで、第5の加熱処理を行なってもよい。加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。

0248

次に、リソグラフィー法を用いて、絶縁膜271をエッチングして、絶縁体271aおよび絶縁体271bを形成する。次に、絶縁体271aおよび絶縁体271bをハードマスクとして、導電膜260、および絶縁膜270を、エッチングして、導電体260a、および絶縁体270aと、導電体260b、および絶縁体270bと、を形成する(図10参照。)。

0249

ここで、導電体260a、および絶縁体270aの断面形状が、可能な限りテーパー形状を有しないことが好ましい。同様に、導電体260b、および絶縁体270bの断面形状が、可能な限りテーパー形状を有しないことが好ましい。導電体260a、および絶縁体270aの側面と、酸化物230の底面と、のなす角度は、80度以上100度以下が好ましい。同様に、導電体260b、および絶縁体270bの側面と、酸化物230の底面と、のなす角度は、80度以上100度以下が好ましい。これにより、後の工程で、絶縁体275a、絶縁体275bを形成する際、絶縁体275a、絶縁体275bを残存させやすくなる。

0250

また、該エッチングにより、絶縁膜250の導電体260a、および導電体260bと重ならない領域の上部がエッチングされる場合がある。この場合、絶縁膜250の導電体260a、および導電体260bと重なる領域の膜厚が、導電体260a、および導電体260bと重ならない領域の膜厚より厚くなる。

0251

ここで、イオン注入法イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、領域231および領域232を形成してもよい。ここで、酸化物230の導電体260a、および導電体260bと重なる領域には、当該イオンが到達することができないが、導電体260a、および導電体260bと重ならない領域は、当該イオンが達するので、自己整合的に領域231および領域232を形成することができる。また、絶縁膜250、および酸化物230cを介して上記の方法を行うことによって酸化物230への注入ダメージを低減することができる。

0252

イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などで質量分離を行う場合は、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナーアクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。

0253

ドーパントとしては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。このような元素としては、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、希ガス元素等が挙げられる。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。

0254

次に、絶縁膜250と、導電体260a、絶縁体270aおよび絶縁体271aと、導電体260b、絶縁体270bおよび絶縁体271bと、を覆って、絶縁膜275を成膜する。絶縁膜275の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁膜275としては、CVD法によって、酸化シリコンを成膜するとよい(図11参照。)

0255

次に、絶縁膜275に異方性のエッチング処理を行うことで、酸化物230c、絶縁膜250、および絶縁膜275を加工し、酸化物230_1c、絶縁体250a、および絶縁体275aと、酸化物230_2c、絶縁体250bおよび絶縁体275bと、を形成する。絶縁体275aは、少なくとも、導電体260a、および絶縁体271aに接して形成され、絶縁体275bは、少なくとも、導電体260b、および絶縁体271bに接して形成される。異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された、酸化物230c、絶縁膜250および絶縁膜275を除去して、酸化物230_1c、酸化物230_2c、絶縁体250a、絶縁体250b、絶縁体275aおよび絶縁体275bを自己整合的に形成することができる(図12参照。)。

0256

続いて、酸化物230_1c、絶縁体250a、導電体260a、絶縁体270a、絶縁体271a、および絶縁体275aと、酸化物230_2c、絶縁体250b、導電体260b、絶縁体270b、絶縁体271b、および絶縁体275bと、を介して、絶縁体224、および酸化物230上に膜242Aを成膜する(図13参照。)。

0257

膜242Aは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜242Aは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜242Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。

0258

続いて、加熱処理を行う。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜242Aから、膜242Aの成分である金属元素が酸化物230へ、または酸化物230の成分である金属元素が膜242Aへと、拡散し、酸化物230の表層に低抵抗化された領域242を形成することができる。その後、膜242Aを、除去してもよい(図14参照。)。

0259

加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。

0260

また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上、または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。

0261

ここで、膜242Aの金属元素、および酸化物230の金属元素により、金属化合物を形成することで、低抵抗化された領域242が形成される。なお、領域242は、膜242Aの成分と、酸化物230の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、領域242は、酸化物230の金属元素と、膜242Aの金属元素とが、合金化した層を有していてもよい。合金化することで、金属元素は比較的安定な状態となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

0262

また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水、水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。

0263

上記領域242の形成工程、または加熱処理において、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が、領域242に吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、n型となり、低抵抗化される。

0264

上記構成とすることで、酸化物230の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。

0265

したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。

0266

次に、絶縁体280を成膜する。絶縁体280の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法ディップ法液滴吐出法インクジェット法など)、印刷法スクリーン印刷オフセット印刷など)、ドクターナイフ法、ロールコーター法またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体280として、酸化窒化シリコンを用いる。

0267

絶縁体280は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体280は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体280は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、CMP処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、CMP処理を用いる。

0268

また、絶縁体280の膜厚を調整することにより、容量素子100a、および容量素子100bの静電容量を決定することができる。従って、容量素子100a、および容量素子100bに求められる静電容量に合わせて、絶縁体280の膜厚を適宜設定すればよい。

0269

なお、図では、絶縁体280を単層構造にしているが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、基板の反りを抑制するために、圧縮応力を有する層と、引っ張り応力を有する層を積層することで、内部応力を相殺してもよい。

0270

次に、絶縁体280に、酸化物230の領域231に達する開口を形成する(図15参照。)。当該工程は、開口のアスペクト比が大きいため、例えば、ハードマスクを用いて、異方性エッチングを行うことが好ましい。また、アスペクト比が大きい異方性エッチングには、ドライエッチングを用いることが好ましい。

0271

なお、絶縁体280に設けられた開口は、絶縁体275a、または絶縁体275bのいずれか一方、または両方が露出するように設けることが好ましい。従って、導電体110a、または導電体110bのいずれか一方、または両方は、それぞれ絶縁体275a、または絶縁体275bの側面に接して設けられる。

0272

従って、上記開口を形成する条件は、絶縁体275aおよび絶縁体275bをほとんどエッチングしない条件、即ち絶縁体275aおよび絶縁体275bのエッチング速度に比べて絶縁体280のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体275aおよび絶縁体275bのエッチング速度を1とすると、絶縁体280のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域231へ自己整合的に配置することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、リソグラフィー工程において、導電体260aおよび導電体260bと、開口と、のそれぞれの位置ずれに対する許容範囲が大きくなるので歩留まりの向上が期待できる。

0273

ここで、イオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、領域231へイオン注入を行ってもよい。開口以外は、絶縁体280によって酸化物230へイオンが到達することができない。即ち、自己整合的に開口へイオン注入することができる。このイオン注入によって、開口の領域231のキャリア密度をより高くすることができるので、導電体110a、および導電体110bと、領域231と、のコンタクト抵抗を低減することができる場合がある。

0274

イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などで質量分離を行う場合は、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。

0275

ドーパントとしては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。このような元素としては、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、希ガス元素等が挙げられる。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。

0276

次に、絶縁体280に設けられた開口を覆って、導電体110a、および導電体110bとなる導電膜を成膜する。導電体110a、および導電体110bは、当該開口の内壁および底面に接して形成される。従って、導電体110a、および導電体110bとなる導電膜は、ALD法またはCVD法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、本実施の形態では、例えば、ALD法を用いて窒化チタンを成膜する。

0277

次に、絶縁体280に設けられた開口を埋めるように、導電体110a、および導電体110bとなる導電膜を介して、充填剤を成膜する。充填剤は、この後の工程で行うCMP処理ができる程度に、絶縁体280に設けられた開口を埋め込むことができればよい。よって、充填剤は開口を完全にふさがなくてもよい。充填剤は絶縁体を用いてもよいし、導電体を用いてもよい。

0278

次に、CMP処理を行って、絶縁体280より上の層を除去し、導電体110a、および導電体110bを形成する。例えば、絶縁体280を、CMP処理に対するストッパーとして用いてもよい。

0279

次に、エッチング処理を行って、絶縁体280に設けられた開口内の充填剤を除去する(図16参照。)。エッチング処理としては、ウェットエッチング法およびドライエッチング法のいずれを用いてもよい。例えば、ウェットエッチング法により、エッチャントとしてフッ酸系の溶液などを用いることで、容易に充填剤を除去することができる。

0280

次に、導電体110a、導電体110bおよび絶縁体280の上に絶縁体130を成膜する(図17参照。)。絶縁体130は、アスペクト比の大きい絶縁体280に設けられた開口の内側に、導電体110a、および導電体110bを介して形成される。従って、絶縁体130は、ALD法またはCVD法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましい。

0281

また、ALD法などの成膜方法を用いて絶縁体130を成膜し、被覆性良く導電体110を覆うことで、容量素子100の上部電極と下部電極が短絡することを防ぐことができる。

0282

また、絶縁体130として上記のHigh−k材料、特にハフニウムを含む酸化物を用いる場合は、結晶構造を有せしめ、比誘電率を増加させるために、加熱処理を行うこともできる。

0283

また、絶縁体130は、積層構造であってもよい、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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などから、2層以上を選び積層構造としても良い。本実施の形態では、ALD法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜する。

0284

次に、絶縁体130の上に導電体120a、および導電体120bとなる導電膜を成膜する。導電体120a、および導電体120bとなる導電膜は、アスペクト比の大きい絶縁体280に設けられた開口の内側に、導電体110a、または導電体110b、並びに絶縁体130を介して、形成されることが好ましい。このため、導電体120a、および導電体120bとなる導電膜は、ALD法またはCVD法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましい。特に、導電体120a、および導電体120bとなる導電膜は、CVD法などの埋め込み性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、例えば、CVD法を用いてタングステンを成膜するとよい。

0285

なお、図では、導電体120a、および導電体120bとなる導電膜を単層構造として示したが、2層以上の積層構造にしてもよい。

0286

続いて、導電体120a、および導電体120bとなる導電膜を加工し、導電体120a、および導電体120bを形成する(図18参照)。

0287

次に、導電体120a、導電体120b、および絶縁体130の上に絶縁体284を成膜する。続いて、絶縁体280、絶縁体130、および絶縁体284に、酸化物230の領域231に達する開口を形成する(図19参照。)。当該開口はアスペクト比が大きいので、異方性エッチングを行うことが好ましい。なお、絶縁体280、絶縁体130、および絶縁体284に設けられた開口は、絶縁体280に設けられた開口と同様の方法を用いてエッチングすればよい。

0288

ここで、絶縁体280、絶縁体130、および絶縁体284に設けられた開口は、絶縁体275a、または絶縁体275bのいずれか一方、または両方が露出するように設けることが好ましい。従って、導電体240は、絶縁体275a、または絶縁体275bの一方、または両方の側面に接して設けられる。

0289

従って、当該開口条件は、絶縁体275a、または絶縁体275bをほとんどエッチングしない条件、即ち絶縁体275a、または絶縁体275bのエッチング速度に比べて絶縁体280のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体275a、または絶縁体275bのエッチング速度を1とすると、絶縁体280のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域231へ自己整合的に配置することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、リソグラフィー工程において、導電体260aおよび導電体260bと、開口と、のそれぞれの位置ずれに対する許容範囲が大きくなるので歩留まりの向上が期待できる。

0290

ここで、イオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、領域231へイオン注入を行ってもよい。開口以外は、絶縁体280によって酸化物230へイオンが到達することができない。即ち、自己整合的に開口へイオン注入することができる。このイオン注入によって、開口の領域231のキャリア密度をより高くすることができるので、導電体240と、領域231と、のコンタクト抵抗を低減することができる場合がある。

0291

次に、導電体240となる導電膜を成膜する。導電体240となる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体240となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0292

次に、CMP処理を行うことで、絶縁体284上の、導電体240となる導電膜を除去する。その結果、上記開口のみに、該導電膜を残存することで上面が平坦な導電体240を形成することができる(図20参照。)。

0293

また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体240を形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体240の酸化を防止することができる。また、導電体240から、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムの形成は、開口にALD法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。

0294

次に、絶縁体284上、および導電体240上に、導電体246となる導電膜を成膜する。導電体246となる導電膜は、積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、チタン、窒化チタンなどと、アルミニウム、タングステン、モリブデン、銅などとの積層とすることができる。導電体246となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0295

次に、リソグラフィー法を用いて、導電体246となる導電膜を加工し、導電体246を形成する。

0296

以上により、図1に示す、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作製することができる。

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