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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 山崎舜平栃林克明本多大章加藤清畑勇気長塚修平
出願日 2017年12月13日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2017-238402
公開日 2019年6月6日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-087713
状態 未査定
技術分野 半導体メモリ 不揮発性半導体メモリ 薄膜トランジスタ MOSIC,バイポーラ・MOSIC
主要キーワード 絶縁性バリア 本加熱処理 ラウンド状 隠れ線 耐酸化性材料 自己制御性 連続接合 GPUコア
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (18)

課題

高集積化が可能で電気的特性信頼性が良好な半導体装置を提供する。

解決手段

トランジスタ200は、水素に対してバリア性を有する絶縁体273及び274によって、絶縁体224、250、230が覆われている。絶縁体280は、絶縁体273または絶縁体274によって、絶縁体224、230、250と離隔されているため、トランジスタの外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できる。

概要

背景

近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタおよびメモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子集合体である。

LSIやCPUやメモリなどの半導体回路ICチップ)は、回路基板、例えばプリント配線板実装され、様々な電子機器部品の一つとして用いられる。

また、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を構成する技術が注目されている。当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。)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。

また、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ことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。

また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。

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。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOとも呼ぶ。)に関する研究が盛んに行われている。

IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、CAAC(c−axis aligned crystalline)構造およびnc(nanocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3参照。)。非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4および非特許文献5に示されている。

さらに、IGZOを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち(非特許文献6参照。)、その特性を利用したLSIおよびディスプレイ報告されている(非特許文献7および非特許文献8参照。)。

概要

高集積化が可能で電気的特性信頼性が良好な半導体装置を提供する。トランジスタ200は、水素に対してバリア性を有する絶縁体273及び274によって、絶縁体224、250、230が覆われている。絶縁体280は、絶縁体273または絶縁体274によって、絶縁体224、230、250と離隔されているため、トランジスタの外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できる。

目的

本発明の一態様は、信頼性が良好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の絶縁体と、前記第1の絶縁体の上に配置された、第2の絶縁体と、前記第2の絶縁体の上に配置された、第1の酸化物と、前記第1の酸化物の上に、互いに離隔して配置された、第2の酸化物、および第3の酸化物と、前記第2の酸化物の上に配置された第1の導電体と、前記第3の酸化物の上に配置された第2の導電体と、前記第2の絶縁体、前記第1の導電体、および前記第2の導電体を覆って配置された、第3の絶縁体と、前記第1の酸化物の上、および前記第3の絶縁体の上に配置された、第4の絶縁体と、前記第4の絶縁体の上に配置され、少なくとも一部が前記第1の導電体と前記第2の導電体の間に重なるように配置された、第3の導電体と、前記第3の絶縁体、前記第4の絶縁体、および前記第3の導電体、を覆って配置された、第5の絶縁体と、前記第5の絶縁体の上に配置された、第6の絶縁体と、を有し、前記第3の絶縁体は、前記第1の導電体と前記第2の導電体の間の領域に重畳して開口が形成されており、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、前記第2の絶縁体と接する領域を有し、前記第1の絶縁体、前記第3の絶縁体、および前記第5の絶縁体は、前記第2の絶縁体より水素透過性が低い、ことを特徴とする半導体装置

請求項2

請求項1において、前記第3の絶縁体は、前記第1の導電体の上面と側面、前記第2の導電体の上面と側面に接し、前記第5の絶縁体は、前記第3の導電体の上面と側面、前記第4の絶縁体の側面、および第3の絶縁体の上面に接し、前記第6の絶縁体は、前記第3の絶縁体または前記第5の絶縁体によって、前記第2の絶縁体、前記第1の酸化物、および前記第4の絶縁体と離隔される、ことを特徴とする半導体装置。

請求項3

請求項1または請求項2において、前記第1の酸化物は、前記第1の導電体および前記第2の導電体と重ならない領域の膜厚が、当該領域以外の膜厚より薄くなる、ことを特徴とする半導体装置。

請求項4

請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、前記第3の絶縁体の前記開口の縁が、前記第1の酸化物の前記第1の導電体および前記第2の導電体と重ならない領域の側面と離隔される、ことを特徴とする半導体装置。

請求項5

請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、前記第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有する、ことを特徴とする半導体装置。

請求項6

請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、前記第1の酸化物よりも導電性が高い、ことを特徴とする半導体装置。

請求項7

請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、In、Al、Ga、W、Zn、Ti、Sn、及びSiの中から選ばれるいずれか一または複数と、窒素と、を有する、ことを特徴とする半導体装置。

請求項8

請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、In、Ga、及びZnと、窒素と、を有する、ことを特徴とする半導体装置。

請求項9

第1の絶縁体と、前記第1の絶縁体の上に配置された、第2の絶縁体と、前記第2の絶縁体の上に配置された、第1の酸化物と、前記第1の酸化物の上に、互いに離隔して配置された、第2の酸化物、および第3の酸化物と、前記第2の酸化物の上に配置された第1の導電体と、前記第3の酸化物の上に配置された第2の導電体と、前記第2の絶縁体、前記第1の導電体、および前記第2の導電体を覆って配置された、第3の絶縁体と、前記第1の酸化物の上、および前記第3の絶縁体の上に配置された、第4の酸化物と、前記第4の酸化物の上に配置された第4の絶縁体と、前記第4の絶縁体の上に配置され、少なくとも一部が前記第1の導電体と前記第2の導電体の間に重なるように配置された、第3の導電体と、前記第3の絶縁体、前記第4の絶縁体、および前記第3の導電体、を覆って配置された、第5の絶縁体と、前記第5の絶縁体の上に配置された、第6の絶縁体と、を有し、前記第3の絶縁体は、前記第1の導電体と前記第2の導電体の間の領域に重畳して開口が形成されており、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、前記第2の絶縁体と接する領域を有し、前記第1の絶縁体、前記第3の絶縁体、および前記第5の絶縁体は、前記第2の絶縁体より水素透過性が低く、前記第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、前記第4の酸化物における元素Mに対するInの原子数比は、前記第1の酸化物おける元素Mに対するInの原子数比より大きい、ことを特徴とする半導体装置。

請求項10

請求項9において、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、前記第1の酸化物よりも導電性が高い、ことを特徴とする半導体装置。

請求項11

請求項9または請求項10において、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、In、Al、Ga、W、Zn、Ti、Sn、及びSiの中から選ばれるいずれか一または複数と、窒素と、を有する、ことを特徴とする半導体装置。

請求項12

請求項9乃至請求項11のいずれか一項において、前記第2の酸化物および前記第3の酸化物は、In、Ga、及びZnと、窒素と、を有する、ことを特徴とする半導体装置。

請求項13

基板上に第1の絶縁体、第2の絶縁体を形成し、第2の絶縁体上に第1の酸化膜成膜し、前記第1の酸化膜の一部を選択的に除去して、前記第2の絶縁体上に、第1の酸化物を形成し、前記第2の絶縁体、前記第1の酸化物を覆って、第2の酸化膜、第1の導電膜を成膜し、前記第2の酸化膜および前記第1の導電膜の一部を選択的に除去して、第2の酸化物および第1の導電体を形成し、前記第2の絶縁体および前記第1の導電体を覆って、スパッタリング法を用いて第1の絶縁膜を成膜し、前記第1の絶縁膜の一部を選択的に除去して、前記第1の絶縁膜に開口を形成し前記第2の酸化物、および前記第1の導電体の、前記第1の絶縁膜の開口と重畳する領域を選択的に除去して、第3の酸化物、第4の酸化物、第2の導電体および第3の導電体を形成し、加熱処理を行い、前記第2の絶縁体、前記第1の酸化物、および前記第1の絶縁膜の上に、第2の絶縁膜および第2の導電膜の順に成膜し、前記第2の絶縁膜および前記第2の導電膜の一部を選択的に除去して、第3の絶縁体および第4の導電体を形成し、前記第2の絶縁体、前記第1の絶縁膜、前記第3の絶縁体、および前記第4の導電体を覆って、スパッタリング法を用いて第3の絶縁膜を成膜し、前記第3の絶縁膜の上に、第4の絶縁膜を成膜する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法

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作製方法に関する。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

近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタおよびメモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。

0005

LSIやCPUやメモリなどの半導体回路(ICチップ)は、回路基板、例えばプリント配線板実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。

0006

また、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を構成する技術が注目されている。当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。)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。

0007

また、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ことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。

0008

また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。

0009

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。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOとも呼ぶ。)に関する研究が盛んに行われている。

0010

IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、CAAC(c−axis aligned crystalline)構造およびnc(nanocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3参照。)。非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4および非特許文献5に示されている。

0011

さらに、IGZOを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち(非特許文献6参照。)、その特性を利用したLSIおよびディスプレイ報告されている(非特許文献7および非特許文献8参照。)。

0012

特開2012−257187号公報

先行技術

0013

S. Yamazaki et al., “SID Symposium Digest of Technical Papers”, 2012, volume 43, issue 1, p.183−186
S. Yamazaki et al., “Japanese Journal of Applied Physics”, 2014, volume 53, Number 4S, p.04ED18−1−04ED18−10
S. Ito et al., “The Proceedings of AM−FPD’13 Digest of Technical Papers”, 2013, p.151−154
S. Yamazaki et al., “ECS Journal of Solid State Science and Technology”, 2014, volume 3, issue 9, p.Q3012−Q3022
S. Yamazaki, “ECS Transactions”,2014, volume 64, issue 10, p.155−164
K. Kato et al., “Japanese Journal of Applied Physics”, 2012, volume 51, p.021201−1−021201−7
S. Matsuda et al., “2015 Symposium onVLSITechnology Digest of Technical Papers”, 2015, p.T216−T217
S. Amano et al., “SID Symposium Digest of Technical Papers”, 2010, volume 41, issue 1, p.626−629

発明が解決しようとする課題

0014

本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。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。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。本発明の一態様は、高い周波数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。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。

0015

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、本発明の一態様には、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。

0016

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

0017

本発明の一態様は、第1の絶縁体と、第1の絶縁体の上に配置された、第2の絶縁体と、第2の絶縁体の上に配置された、第1の酸化物と、第1の酸化物の上に、互いに離隔して配置された、第2の酸化物、および第3の酸化物と、第2の酸化物の上に配置された第1の導電体と、第3の酸化物の上に配置された第2の導電体と、第2の絶縁体、第1の導電体、および第2の導電体を覆って配置された、第3の絶縁体と、第1の酸化物の上、および第3の絶縁体の上に配置された、第4の絶縁体と、第4の絶縁体の上に配置され、少なくとも一部が第1の導電体と第2の導電体の間に重なるように配置された、第3の導電体と、第3の絶縁体、第4の絶縁体、および第3の導電体、を覆って配置された、第5の絶縁体と、第5の絶縁体の上に配置された、第6の絶縁体と、を有し、第3の絶縁体は、第1の導電体と第2の導電体の間の領域に重畳して開口が形成されており、第2の酸化物および第3の酸化物は、第2の絶縁体と接する領域を有し、第1の絶縁体、第3の絶縁体、および第5の絶縁体は、第2の絶縁体より水素透過性が低い、半導体装置である。

0018

また、第3の絶縁体は、第1の導電体の上面と側面、第2の導電体の上面と側面に接し、第5の絶縁体は、第3の導電体の上面と側面、第4の絶縁体の側面、および第3の絶縁体の上面に接し、第6の絶縁体は、第3の絶縁体または第5の絶縁体によって、第2の絶縁体、第1の酸化物、および第4の絶縁体と離隔されることが好ましい。

0019

また、第1の酸化物は、第1の導電体および第2の導電体と重ならない領域の膜厚が、当該領域以外の膜厚より薄くなってもよい。

0020

また、第3の絶縁体の開口の縁が、第1の酸化物の第1の導電体および第2の導電体と重ならない領域の側面と離隔されることが好ましい。

0021

また、第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有してもよい。

0022

また、第2の酸化物および第3の酸化物は、第1の酸化物よりも導電性が高いことが好ましい。

0023

また、第2の酸化物および第3の酸化物は、In、Al、Ga、W、Zn、Ti、Sn、及びSiの中から選ばれるいずれか一または複数と、窒素と、を有してもよい。

0024

また、第2の酸化物および第3の酸化物は、In、Ga、及びZnと、窒素と、を有してもよい。

0025

また、本発明の一態様は、第1の絶縁体と、第1の絶縁体の上に配置された、第2の絶縁体と、第2の絶縁体の上に配置された、第1の酸化物と、第1の酸化物の上に、互いに離隔して配置された、第2の酸化物、および第3の酸化物と、第2の酸化物の上に配置された第1の導電体と、第3の酸化物の上に配置された第2の導電体と、第2の絶縁体、第1の導電体、および第2の導電体を覆って配置された、第3の絶縁体と、第1の酸化物の上、および第3の絶縁体の上に配置された、第4の酸化物と、第4の酸化物の上に配置された第4の絶縁体と、第4の絶縁体の上に配置され、少なくとも一部が第1の導電体と第2の導電体の間に重なるように配置された、第3の導電体と、第3の絶縁体、第4の絶縁体、および第3の導電体、を覆って配置された、第5の絶縁体と、第5の絶縁体の上に配置された、第6の絶縁体と、を有し、第3の絶縁体は、第1の導電体と第2の導電体の間の領域に重畳して開口が形成されており、第2の酸化物および第3の酸化物は、第2の絶縁体と接する領域を有し、第1の絶縁体、第3の絶縁体、および第5の絶縁体は、第2の絶縁体より水素透過性が低く、第1の酸化物は、Inと、元素M(MはAl、Ga、Y、またはSn)と、Znと、を有し、第4の酸化物における元素Mに対するInの原子数比は、第1の酸化物おける元素Mに対するInの原子数比より大きい、半導体装置である。

0026

第2の酸化物および第3の酸化物は、第1の酸化物よりも導電性が高い、ことが好ましい。

0027

また、第2の酸化物および第3の酸化物は、In、Al、Ga、W、Zn、Ti、Sn、及びSiの中から選ばれるいずれか一または複数と、窒素と、を有してもよい。

0028

また、第2の酸化物および第3の酸化物は、In、Ga、及びZnと、窒素と、を有してもよい。

0029

また、本発明の一態様は、基板上に第1の絶縁体、第2の絶縁体を形成し、第2の絶縁体上に第1の酸化膜成膜し、第1の酸化膜の一部を選択的に除去して、第2の絶縁体上に、第1の酸化物を形成し、第2の絶縁体、第1の酸化物を覆って、第2の酸化膜、第1の導電膜を成膜し、第2の酸化膜および第1の導電膜の一部を選択的に除去して、第2の酸化物および第1の導電体を形成し、第2の絶縁体および第1の導電体を覆って、スパッタリング法を用いて第1の絶縁膜を成膜し、第1の絶縁膜の一部を選択的に除去して、第1の絶縁膜に開口を形成し第2の酸化物、および第1の導電体の、第1の絶縁膜の開口と重畳する領域を選択的に除去して、第3の酸化物、第4の酸化物、第2の導電体および第3の導電体を形成し、加熱処理を行い、第2の絶縁体、第1の酸化物、および第1の絶縁膜の上に、第2の絶縁膜および第2の導電膜の順に成膜し、第2の絶縁膜および第2の導電膜の一部を選択的に除去して、第3の絶縁体および第4の導電体を形成し、第2の絶縁体、第1の絶縁膜、第3の絶縁体、および第4の導電体を覆って、スパッタリング法を用いて第3の絶縁膜を成膜し、第3の絶縁膜の上に、第4の絶縁膜を成膜する、半導体装置の作製方法である。

発明の効果

0030

本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。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。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。本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。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。

0031

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、データ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。

0032

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

0033

本発明の一態様に係る半導体装置の上面、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上面、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、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、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、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、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、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、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、および断面図。
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回路図。
本発明の一態様に係る半導体装置の模式図。
本発明の一態様に係る記憶装置の模式図。
本発明の一態様に係る電子機器を示す図。

実施例

0034

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。したがって、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。

0035

また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、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、図面に示す形状また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省略して示すことがある。また、図面において、同一部分また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。

0036

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。

0037

また、本明細書等において、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、工程順また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」または「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。

0038

また、本明細書等において、「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。したがって、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。

0039

例えば、本明細書等において、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。

0040

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。

0041

また、ソースドレインの機能は、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。

0042

なお、本明細書などにおいて、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。

0043

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。

0044

また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、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、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。

0045

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。

0046

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、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。また、窒化酸化シリコンとは、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。

0047

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

0048

なお、本明細書において、バリア膜とは、水、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、当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。

0049

本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現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、トランジスタの半導体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あるいはOSトランジスタ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。

0050

また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲート電位印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅1μmあたりの電流が、室温において1×10−20A以下、85℃において1×10−18A以下、または125℃において1×10−16A以下であることをいう。

0051

(実施の形態1)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。

0052

<半導体装置の構成例>
図1は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。

0053

図1(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図1(B)、図1(C)および図1(D)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図1(B)は、図1(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図1(C)は、図1(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図1(D)は、図1(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

0054

本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200と、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280、絶縁体282を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、配線として機能する導電体203を有する。

0055

なお、導電体203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203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203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203を2層以上の多層膜構造としてもよい。また、構造体積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。

0056

[トランジスタ200]
図1に示すように、トランジスタ200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(導電体205aおよび導電体205b)と、絶縁体216の上および導電体205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と、絶縁体224の上および酸化物230の上に、互いに離して配置された酸化物232aおよび酸化物232bと、酸化物232aの上に配置された導電体242aと、酸化物232bの上に配置された導電体242bと、絶縁体224、導電体242a、および導電体242bを覆って配置された絶縁体273と、酸化物230の上および絶縁体273の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置され、少なくとも一部が導電体242aと導電体242bの間に重なるように配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、絶縁体273、絶縁体250、および導電体260、を覆って配置された絶縁体273と、を有する。ここで、絶縁体273は、導電体242aと導電体242bの間の領域に重畳して開口255が形成されている。

0057

ここで、絶縁体222、絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体282は、水素(例えば、水素原子水素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体222、絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体282は、絶縁体224または絶縁体280より水素透過性が低いことが好ましい。また、絶縁体222、絶縁体273、および絶縁体274は、酸素(例えば、酸素原子酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体222、絶縁体273、および絶縁体274は、絶縁体224または絶縁体280より酸素透過性が低いことが好ましい。

0058

絶縁体273は、図1(B)(C)(D)に示すように、導電体242aの上面と側面、導電体242bの上面と側面、酸化物232aの側面、酸化物232bの側面および絶縁体224の上面に接することが好ましい。また、図1(B)(C)(D)に示すように、絶縁体274は、導電体260の上面と側面、絶縁体250の側面、酸化物230cの側面および絶縁体273の上面に接することが好ましい。これにより、絶縁体280は、絶縁体273または絶縁体274によって、絶縁体224、酸化物230、および絶縁体250と離隔される。

0059

また、酸化物230は、絶縁体224の上に配置された酸化物230aと、酸化物230aの上に配置された酸化物230bと、酸化物230b、および絶縁体273の上に配置され、少なくとも一部が酸化物230bの上面に接する酸化物230cと、を有することが好ましい。

0060

なお、トランジスタ200では、チャネルが形成される領域(以下、チャネル形成領域ともいう。)と、その近傍において、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの3層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の単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ200では、導電体260を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体260が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。

0061

ここで、導電体260は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体242aおよび酸化物232aは、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能する。また、導電体242bおよび酸化物232bは、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。従って、酸化物232aおよび酸化物232bは、導電性を有する酸化物を用いることが好ましい。また、導電体260は、絶縁体250を介して導電体242aと重なる領域と、絶縁体250を介して導電体242bと重なる領域を有することが好ましい。導電体260をこのような形状にすることにより、導電体260に位置合わせのマージンを持たせることができるので、導電体242aと導電体242bの間の領域に、導電体260を確実に重畳させることができる。

0062

なお、図1に示すように、導電体260は、導電体260aと、導電体260aの上に配置された導電体260bと、を有することが好ましい。また、以下において、導電体242aおよび導電体242bをまとめて導電体242という場合がある。

0063

また、トランジスタ200は、基板(図示しない。)の上に配置された絶縁体214と、絶縁体214の上に配置された絶縁体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と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、を有することが好ましい。さらに、絶縁体220の上に絶縁体222が配置されることが好ましい。

0064

また、トランジスタ200は、チャネル形成領域を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。

0065

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200は、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)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200に用いることができる。

0066

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、錫、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)等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。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。

0067

ここで、酸化物半導体は、水素などの不純物が存在すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損に入り込んだ水素がドナーとして機能し、トランジスタがノーマリーオン化するおそれがある。また、例えば、電圧高温などのストレスによって、酸化物半導体中で水素が移動し、トランジスタの電気特性が変動するおそれがある。

0068

絶縁体280などの層間膜は多くの水素を含むので、絶縁体280が酸化物230に接していると、酸化物230に水素が浸入するおそれがある。これにより、トランジスタ200の電気特性が不安定になる、または信頼性が損なわれる場合がある。また、絶縁体280が酸化物230に直接接していなくても、酸化物230に隣接して設けられる絶縁体224または絶縁体250に、絶縁体280が接していると、絶縁体224または絶縁体250中を拡散して、水素が酸化物230に侵入するおそれがある。

0069

しかしながら、本実施の形態に示すトランジスタ200は、上述の通り、水素に対してバリア性を有する絶縁体273および絶縁体274によって、絶縁体224、絶縁体250、および酸化物230が覆われている。このように、トランジスタ200において、絶縁体280は、絶縁体273または絶縁体274によって、絶縁体224、酸化物230、および絶縁体250と離隔されている。これにより、トランジスタ200の外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できるので、トランジスタ200に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。

0070

また、図1(B)、(D)に示すように、導電体242(導電体242aおよび導電体242b)および酸化物232(酸化物232aおよび酸化物232b)は、酸化物230の上面および側面を覆う様に配置されている。導電体242および酸化物232をこの様に配置することにより、酸化物230と酸化物232とが、接する面積を大きくすることができるので、酸化物230と、酸化物232と、のコンタクト抵抗を低減することができる。さらに、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体242および酸化物232の断面積を大きくすることができる。以上により、トランジスタ200のオン電流を大きくすることができる。

0071

ここで、図1(B)の一部の領域の拡大図を図2に示す。図2に示すように、酸化物230の上面および側面に接するように酸化物232が設けられ、酸化物232上に導電体242が設けられている。酸化物230の、酸化物232との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域243(領域243a、および領域243b)が形成されている。酸化物230は、トランジスタ200のチャネル形成領域として機能する領域234と、領域243の一部を含み、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、を有する。

0072

ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231において、特に領域243は、酸素濃度が低い、または窒素や、金属元素などの不純物を含む、ことでキャリア密度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域231は、領域234と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域である。このような領域231を設けることでトランジスタ200のオン電流を大きくし、周波数特性を向上させることができる。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、領域231のうち、特に領域243よりも、酸素濃度が高い、または不純物濃度が低いため、キャリア密度が低い高抵抗領域である。

0073

ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。

0074

トランジスタのノーマリーオン化を抑制するには、酸化物230に接して、加熱により脱離する酸素(該酸素を過剰酸素と呼ぶ場合がある)を含む領域を有する絶縁体を設け、熱処理によって当該絶縁体が含む酸素を酸化物230へと拡散させればよい。例えば、絶縁体224に酸素を添加し、絶縁体224に含まれる酸素を、熱処理によって拡散させればよい。これにより、酸化物230に酸素が供給され、当該酸素により、酸化物230の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。

0075

その一方、酸化物230に過剰な酸素が供給されると、電圧、高温などのストレスにより、酸化物230中の過剰な酸素の構造が変化する場合がある。これにより、酸化物230を有するトランジスタの電気特性が不安定になる、または信頼性が低下する恐れがある。

0076

本実施の形態では、例えば、絶縁体224は加熱により脱離する酸素を含んでおり、該酸素は、絶縁体224を介して、酸化物230に供給される。ここで、絶縁体224が有する酸素は絶縁体273と接する領域近傍に形成される。これにより、酸化物230に供給する酸素量を制御し、酸化物230に過剰な量の酸素が供給するのを抑制する。

0077

絶縁体224が有する酸素は、絶縁体273により上方拡散が抑制され、絶縁体222により下方拡散が抑制される。さらに、導電体242と、絶縁体224とが接しない構造となっているので、絶縁体224が有する酸素が、導電体242へ吸収されることを抑制するので導電体242の酸化を抑制する。従って、絶縁体224が有する酸素は、酸化物230へ効率よく拡散する。このようにして、酸化物230のチャネル形成領域として機能する領域234に酸素が供給される。これにより、酸化物230の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。

0078

また、低抵抗領域である領域243が金属元素を含む場合、領域243は、酸化物230の他に、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イリジウムストロンチウム、ランタン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。

0079

領域243a、および領域243bは、酸化物230bの酸化物232近傍において、深さ方向に拡散するように形成され、酸化物230bの端部においては、酸化物232から水平方向に拡散するように形成される例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域243a、および領域243bは、深さ方向において、酸化物230bの全体に形成されていてもよいし、酸化物230aに形成されていてもよい。また、領域243a、および領域243bは、酸化物232と重なる領域(領域231)のみに形成されてもよいし、後工程で形成される導電体260の一部と重なる領域(領域234の一部)にも形成されてもよい。

0080

また、図2に示すように、酸化物230bは、酸化物232と重ならない領域の膜厚が、酸化物232と重なる領域の膜厚より薄くなる場合がある。これは、酸化物232aおよび酸化物232bを形成する際に、酸化物230bの上面の一部を除去することにより形成される。酸化物230bの上面には、酸化物232となる導電膜を成膜した際に、領域234の上面に抵抗の低い領域が形成される場合がある。このように、酸化物230bの上面の酸化物232aと酸化物232bの間に位置する領域を除去することにより、領域234の上面の抵抗が低い領域にチャネルが形成されることを防ぐことができる。また、以降の図面において、拡大図などで膜厚の薄い領域を示さない場合でも、同様の膜厚の薄い領域が形成されている場合がある。

0081

上より、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。または、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。

0082

以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。

0083

導電体203は、図1(A)および図1(C)に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体205に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体203は、絶縁体212に埋め込まれて設けることが好ましい。

0084

導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、導電体203の上に接して設けるとよい。また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。

0085

ここで、導電体260は、第1のゲート(トップゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体205は、第2のゲート(ボトムゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電体205に印加する電位を、導電体260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200のVthを制御することができる。特に、導電体205に負の電位を印加することにより、トランジスタ200のVth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。したがって、導電体205に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。

0086

また、導電体203上に導電体205を設けることで、第1のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体260と、導電体203との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体203と導電体260の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられることで、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減し、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることができる。導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ200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。

0087

なお、導電体205は、図1(A)に示すように、酸化物230、および導電体260と重なるように配置する。また、導電体205は、酸化物230における領域234よりも、大きく設けるとよい。特に、図1(C)に示すように、導電体205は、酸化物230の領域234のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、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において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。

0088

上記構成を有することで、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260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。

0089

導電体205aまたは導電体203a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拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。

0090

導電体205aまたは導電体203aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205bまたは導電体203bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、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い。したがって、導電体205aまたは導電体203aとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体210より基板側から、水または水素などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、トランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。

0091

また、導電体205b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。なお、導電体205bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、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。

0092

また、導電体203bは、配線として機能するため、導電体205bより導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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できる。また、導電体203bは積層構造としてもよく、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。

0093

特に、導電体203bに、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。

0094

なお、導電体205、絶縁体214、および絶縁体216は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体203の一部が第2のゲート電極として機能することができる。

0095

絶縁体210、および絶縁体214は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体210、および絶縁体214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拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。

0096

例えば、絶縁体210として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体210および絶縁体214よりも基板側からトランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体210および絶縁体214よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、導電体203の第2の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。

0097

また、層間膜として機能する絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280は、絶縁体210、または絶縁体214よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280として、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などを適宜用いればよい。

0098

絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、ゲート絶縁体としての機能を有する。

0099

ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。例えば、絶縁体224は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。

0100

絶縁体224として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm3、または3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。例えば、図2に示すように、絶縁体224の絶縁体273との界面近傍に上記のような酸素が含まれることが好ましい。

0101

絶縁体222は、絶縁体210などと同様に、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体222は、絶縁体224より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体222、絶縁体273、および絶縁体274によって、絶縁体224、酸化物230、および絶縁体250などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ200に侵入することを抑制することができる。

0102

さらに、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。例えば、絶縁体222は、絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体222が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物230が有する酸素は、絶縁体220側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体205が、絶縁体224や、酸化物230が有する酸素と反応することを抑制することができる。

0103

絶縁体222は、絶縁性材料であるアルミニウムおよ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とよい。アルミニウムおよ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。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。

0104

または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス酸化ゲルマニウム酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン酸化タングステン酸化イットリウム酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。

0105

また、絶縁体222は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

0106

また、絶縁体220は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、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、high−k材料の絶縁体と絶縁体220とを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。

0107

なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。また、絶縁体220を設けず、絶縁体222と絶縁体224だけを設ける構成にしてもよい。

0108

酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。

0109

なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、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。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。

0110

また、酸化物230bは、結晶性を有することが好ましい。例えば、後述するCAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)を用いることが好ましい。CAAC−OSなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥(酸素欠損など)が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物230bからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物230bから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ200は、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対して安定である。

0111

また、酸化物230aおよび酸化物230c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および酸化物230c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。

0112

ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、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、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、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、および酸化物230bと酸化物230c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。

0113

具体的には、酸化物230aと酸化物230b、酸化物230bと酸化物230c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および酸化物230c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。

0114

具体的には、酸化物230aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、または1:1:0.5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230bとして、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、または3:1:2[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230cとして、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、または3:1:2[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物230cとして、シリコンを含むインジウムスズ酸化物を用いてもよい。

0115

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230c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。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ200は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。

0116

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。例えば、領域234となる金属酸化物としては、バンドギャップが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、バンドギャップの大き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。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。

0117

酸化物230b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する酸化物232(酸化物232a、および酸化物232b)と、導電体242(導電体242a、および、導電体242b)と、が積層して設けられる。酸化物232としては、導電性を有することが好ましい。酸化物232として、例えば、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、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。また、上記の材料で形成される酸化物を複数積層して用いてもよい。

0118

導電体242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、イリジウム、ストロンチウム、ランタ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ることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。

0119

絶縁体273は、絶縁体210などと同様に、水または水素などの不純物が、絶縁体280側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体273は、絶縁体224より水素透過性が低いことが好ましい。さらに、図1(B)(C)(D)に示すように、絶縁体273は、導電体242aの上面と側面、導電体242bの上面と側面、酸化物232aの側面、酸化物232bの側面、ならびに絶縁体224の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体280に含まれる水素が、導電体242a、導電体242b、酸化物230a、酸化物230bおよび絶縁体224の上面または側面から酸化物230に侵入するのを抑制することができる。

0120

さらに、絶縁体273は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。例えば、絶縁体273は、絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。

0121

絶縁体273は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体273を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体224の絶縁体273と接する領域近傍に、加熱により脱離する酸素を含む領域294を設けることができる。これにより、領域294から、絶縁体224を介して酸化物230中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体273が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物230から絶縁体280へ拡散することを防ぐことができる。

0122

絶縁体273としては、例えば、アルミニウムおよ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成膜するとよい。なお、アルミニウムおよ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。

0123

また、図1(A)(C)に示すように、絶縁体273の開口255の縁が、酸化物230bの導電体242と重ならない領域の側面と離隔されることが好ましい。このような構成とすることで、開口255の酸化物230bと重ならない領域に導電体260を配置し、酸化物230の側面を導電体260で覆うことができる。これにより、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界を、酸化物230の側面に作用させやすくなる。よって、トランジスタ200のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。

0124

また、導電体242と導電体260の間に絶縁体273を配置することが好ましい。これにより、導電体242と導電体260の間の距離を広げることができるので、導電体242と導電体260の寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ200のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。

0125

絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250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を用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。

0126

絶縁体224と同様に、絶縁体250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。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。

0127

また、絶縁体250と導電体260との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体250から導電体260への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体250から導電体260への酸素の拡散が抑制される。つまり、絶縁体250の酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。

0128

また、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、絶縁体250と当該金属酸化物との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚EOT)の薄膜化が可能となる。

0129

具体的には、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、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、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。

0130

導電体260は、図1では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。

0131

導電体260aは、導電体205aと同様に、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拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。

0132

また、導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250に含まれる酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、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い。

0133

また、導電体260b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、導電体260は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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できる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。

0134

絶縁体274は、絶縁体210などと同様に、水または水素などの不純物が、絶縁体280側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体274は、絶縁体224より水素透過性が低いことが好ましい。さらに、図1(B)(C)に示すように、絶縁体274は、導電体260の上面と側面、絶縁体250の側面、酸化物230cの側面および絶縁体273の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体280に含まれる水素が、導電体260、酸化物230cおよび絶縁体250の上面または側面から酸化物230に侵入するのを抑制することができる。

0135

さらに、絶縁体274は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。例えば、絶縁体274は、絶縁体224より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体274が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、導電体260が、絶縁体280が有する酸素と反応することを抑制することができる。

0136

絶縁体274としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いればよい。絶縁体274として、組成式がAlNx(xは0より大きく2以下の実数、好ましくは、xは0.5より大きく1.5以下の実数)を満たす窒化物絶縁体を用いることが好ましい。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トランジスタ200を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。また、絶縁体274として、窒化アルミニウムチタン、窒化チタンなどを用いることもできる。この場合、スパッタリング法を用いて成膜することで、成膜ガスに酸素またはオゾンなどの酸化性の強いガスを用いずに成膜することができるので、好ましい。

0137

また、絶縁体274としては、例えば、アルミニウムおよ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成膜するとよい。なお、アルミニウムおよ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。この場合、絶縁体274は、ALD法を用いて成膜されることが好ましい。ALD法は、被覆性の良好な成膜法なので、絶縁体274の凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。

0138

絶縁体280は、絶縁体274を介して、絶縁体224、酸化物230、酸化物232、導電体242、絶縁体250、および導電体260上に設けられる。例えば、絶縁体280として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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などを有することが好ましい。特に、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好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。

0139

絶縁体280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。また、絶縁体280の上面は、平坦化されていてもよい。

0140

絶縁体282は、絶縁体210などと同様に、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体280に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体282としては、例えば、絶縁体210、絶縁体273等に用いることができる絶縁体を用いればよい。

0141

<半導体装置の構成材料
以下では、半導体装置に用いることができる基板および金属酸化物について説明する。

0142

<<基板>>
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板石英基板サファイア基板、安定化ジルコニア基板イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、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。

0143

また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓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、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。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。すなわち、夫な半導体装置を提供することができる。

0144

可撓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。また、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。可撓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。可撓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、可撓性基板である基板として好適である。

0145

<<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(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。

0146

金属酸化物は、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、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。

0147

ここでは、金属酸化物が、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錫などとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、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。

0148

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。

0149

[金属酸化物の構造]
酸化物半導体(金属酸化物)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。

0150

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。

0151

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。)を確認することは難しい。すなわち、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である。

0152

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。

0153

CAAC−OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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、金属酸化物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(Vo:oxygen vacancyともいう)など)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC−OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。

0154

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。

0155

なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物(以下、IGZO)は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。とくに、IGZOは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶(ここでは、数mm、または数cm)よりも小さな結晶(例えば、上述のナノ結晶)とする方が、構造的に安定となる場合がある。

0156

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金属酸化物である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。

0157

酸化物半導体(金属酸化物)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。

0158

また、トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。

0159

2009年に、CAAC構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(CAAC−IGZOと呼ぶ。)が発見されたことが、非特許文献1および非特許文献2で報告されている。ここでは、CAAC−IGZOは、c軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、CAAC−IGZOを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。

0160

また、2013年には、nc構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(nc−IGZOと呼ぶ。)が発見された(非特許文献3参照。)。ここでは、nc−IGZOは、微小な領域(例えば、1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。

0161

非特許文献4および非特許文献5では、上記のCAAC−IGZO、nc−IGZO、および結晶性の低いIGZOのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズ推移が示されている。結晶性の低いIGZOの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、1nm程度の結晶性IGZOが観察されている。よって、ここでは、IGZOにおいて、完全な非晶質構造(completely amorphous structure)の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いIGZOの薄膜と比べて、CAAC−IGZOの薄膜およびnc−IGZOの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、CAAC−IGZOの薄膜またはnc−IGZOの薄膜を用いることが好ましい。

0162

金属酸化物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、具体的には、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流がyA/μm(10−24A/μm)オーダである、ことが非特許文献6に示されている。例えば、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(非特許文献7参照。)。

0163

また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている(非特許文献8参照。)。表示装置では、表示される画像が1秒間に数十回切り換っている。1秒間あたりの画像の切り換え回数リフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速画面切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリングストップ(IDS)駆動と呼ぶ。

0164

CAAC構造およびnc構造の発見は、CAAC構造またはnc構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびLSIへの応用研究が進められている。

0165

<半導体装置の作製方法>
次に、図1に示す、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図4乃至図10を用いて説明する。また、図4乃至図10において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は、(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の(C)は、(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図の(D)は、(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の(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。

0166

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、ALD(Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。

0167

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。

0168

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。

0169

また、ALD法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜ができる、被覆性に優れた成膜ができる、および低温での成膜ができる、などの効果がある。また、ALD法には、プラズマを利用した成膜方法PEALD(Plasma Enhanced ALD)法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ALD法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。

0170

CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が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。

0171

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を要さない分、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。

0172

本実施の形態では、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。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、当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、当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。

0173

次に絶縁体210上に、導電体203となる導電膜を成膜する。導電体203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203となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体203となる導電膜としてタングステンを成膜する。

0174

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

0175

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。

0176

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203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203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203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。

0177

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それぞれ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それぞれ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。

0178

次に、絶縁体210上、導電体203上に絶縁体212となる絶縁膜を成膜する。絶縁体212となる絶縁体の成膜は、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。本実施の形態では、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。

0179

ここで、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚は、導電体203の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体203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。本実施の形態では、導電体203の膜厚の膜厚を150nmとし、絶縁体212となる絶縁膜の膜厚を350nmとする。

0180

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203の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体203と、絶縁体212を形成することができる(図4参照。)。

0181

ここからは、上記と異なる導電体203の形成方法について以下に説明する。

0182

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。

0183

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。

0184

開口の形成後に、導電体203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203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。

0185

本実施の形態では、導電体203となる導電膜として、多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜し、当該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層する。このような金属窒化物を導電体203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203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203から外に拡散するのを防ぐことができる。

0186

次に、導電体203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。本実施の形態では、導電体203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。

0187

次に、CMP処理を行うことで、導電体203となる導電膜の上層、ならびに導電体203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203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203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203の異なる形成方法である。

0188

次に、絶縁体212、および導電体203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。本実施の形態では、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銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体203の第2の導電体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抑制することができる。

0189

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。本実施の形態では、絶縁体216として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。

0190

次に、絶縁体214および絶縁体216に、導電体203に達する開口を形成する。開口の形成にはウェットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。

0191

開口の形成後に、導電体205aとなる導電膜を成膜する。導電体205a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性材料を含むことが好ましい。例えば、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205a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。

0192

本実施の形態では、導電体205aとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。

0193

次に、導電体205aとなる導電膜上に、導電体205bとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、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。

0194

本実施の形態では、導電体205bとなる導電膜として、CVD法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にCVD法によってタングステンを成膜する。

0195

次に、CMP処理を行うことで、導電体205aとなる導電膜、ならびに導電体205bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体216を露出する。その結果、開口部のみに、導電体205aとなる導電膜および導電体205b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205aおよび導電体205bを含む導電体205を形成することができる(図4参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体216の一部が除去される場合がある。

0196

次に、絶縁体216、および導電体205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。本実施の形態では、絶縁体212として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。

0197

次に、絶縁体220上に絶縁体222を成膜する。絶縁体222として、アルミニウムおよ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成膜するとよい。なお、アルミニウムおよ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。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体222が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ200の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体222を通じてトランジスタ200の内側へ拡散することが抑制され、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。

0198

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。

0199

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。

0200

続いて、加熱処理を行うと好ましい。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。なお、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。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、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。

0201

本実施の形態では、例えば、加熱処理として、絶縁体224の成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行い、さらに、酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。当該加熱処理によって、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、加熱処理は、絶縁体220成膜後、および絶縁体222の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。

0202

ここで、絶縁体224に加熱により脱離する酸素を含む領域を形成するために、イオン注入法イオンドーピング法プラズマ処理、およびプラズマイマージョンイオンインプランテーション法から選ばれた一、または複数の方法を用いて絶縁体224に酸素を供給してもよい。このとき、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法を用いることで、絶縁体224に制御よく酸素を供給できるため、好ましい。

0203

なお、上記の方法の代わりに、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良く絶縁体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。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、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ができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。

0204

次に、絶縁体224上に、酸化物230aとなる酸化膜230Aと、酸化物230bとなる酸化膜230Bを順に成膜する(図4参照。)。なお、上記酸化膜は、大気環境に晒さずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜230A、および酸化膜230B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。

0205

酸化膜230A、および酸化膜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。

0206

酸化膜230A、および酸化膜230Bの成膜は、スパッタリング法を用いることが好ましく、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガス混合ガスを用いる。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酸素を増やし、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。

0207

また、酸化膜230A、および酸化膜230Bの成膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記の金属酸化物のターゲットを用いることができる。ただし、例えば、金属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。

0208

また、スパッタリングガスを高純度化することが好ましい。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−60℃以下、好ましくは−100℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物230に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

0209

また、スパッタリング法で酸化膜230A及び酸化膜230Bを成膜する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空(5×10−7Paから1×10−4Pa程度まで)に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のH2Oに相当するガス分子(m/z=18に相当するガス分子)の分圧を1×10−4Pa以下、好ましく5×10−5Pa以下とすることが好ましい。

0210

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。したがって、酸化膜230Aの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。

0211

また、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10%以上、好ましくは30%以上として成膜すると、酸化膜230Bを上記のCAAC−OS膜にすることができる。

0212

本実施の形態では、例えば、酸化膜230Aとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:1:0.5[原子数比]、または1:3:4[原子数比]などのターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜230Bとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]、または3:1:2[原子数比]などのターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物230に求める特性に合わせて形成するとよい。

0213

次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。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。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、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。

0214

次に、酸化膜230A、および酸化膜230Bを島状に加工して、酸化物230a、酸化物230bを形成する。なお、当該工程において、絶縁体224の酸化物230aと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある(図5参照。)。

0215

ここで、酸化物230a、および酸化物230b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230a、および酸化物230bの側面は、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物230a、および酸化物230bの側面が、絶縁体222の上面に対し、概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。または、酸化物230a、および酸化物230bと絶縁体222の上面のなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角は60°以上70°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体273などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。

0216

また酸化物230bの側面と酸化物230bの上面との間に、湾曲面を有する。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(以下、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。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。

0217

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、当該加工はドライエッチング法や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。

0218

また、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。

0219

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。

0220

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。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。

0221

続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。

0222

次に、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの上に、酸化物232Aとなる酸化膜を成膜する。

0223

酸化物232A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。酸化物232Aとなる酸化膜としては、例えば、導電性を有する金属酸化物などを用いることができる。具体的には、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、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。また、上記の材料で形成される酸化物を複数積層して用いてもよい。

0224

次に、酸化物232Aとなる酸化膜の上に導電体242となる導電膜を成膜する。導電体242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。

0225

次に、リソグラフィー法によって、酸化物232となる酸化膜および導電体242となる導電膜を加工して、酸化物232および導電体242を形成する(図6参照。)。

0226

次に、絶縁体224、および導電体242を覆うように、絶縁膜273Aを成膜する(図7参照。)。絶縁膜273Aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。

0227

絶縁膜273Aは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸素を含むガスを用いて酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体224中へ酸素を注入することができる。つまり、絶縁体224は過剰酸素を有することができる。

0228

次に、リソグラフィー法によって、レジストマスク245を形成する(図7参照)。次に、レジストマスク245をエッチングマスクとして、酸化物232、導電体242、および絶縁膜273Aの一部をエッチングして、開口255を形成し、同時に、酸化物232a、酸化物232b、導電体242a、導電体242b、および絶縁体273を形成する(図8参照)。

0229

次に、加熱処理を行うことが好ましい。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。なお、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。また、加熱処理は真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、1×10−2Pa以下、好ましくは1×10−3Pa以下とすればよい。

0230

ただし、該加熱処理により、導電体242の酸化が懸念される場合、該加熱処理は、酸素を含まない雰囲気で行われることが好ましい。一方、導電体242が、耐酸化性材料を含む場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。

0231

または、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。

0232

該加熱処理により、絶縁体224に添加された酸素は、酸化物230に拡散する。ここで絶縁体224に含まれる酸素は、絶縁体222により下方拡散することなく、酸化物230に供給される。酸化物230に供給された酸素は、酸素欠損サイトにおいて、酸化物230を構成する金属元素に結合する、または、酸素欠損サイトに捕獲されていた水素と結合し、H2Oになる。合成されたH2Oは絶縁体273の開口255を介して放出される。また、絶縁体224および酸化物230は、絶縁体273に覆われているので、加熱処理の際に、水または水素などの不純物の再侵入、および酸素の外方拡散を抑制することができる。これにより、酸化物230、特にチャネル形成領域に酸素を効果的に供給し、水素などの不純物、および酸素欠損を低減することができる。

0233

また、上記において、導電体242aおよび導電体242bの形成後に加熱処理を行う構成にしたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、後述する酸化膜230Cの成膜後、絶縁膜250Aの成膜前、絶縁膜250Aの成膜後、または導電体260の形成後などに当該加熱処理を行ってもよい。酸化膜230Cまたは絶縁膜250Aの成膜に連続して加熱処理を行う場合、外気に曝さず連続で行うことで、水素などの不純物が酸化物230に侵入することを低減できる。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いて、加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで、連続して行うことが好ましい。この場合、上述の真空雰囲気で加熱処理を行えばよい。

0234

次に、酸化物230a、酸化物230b、酸化物232、導電体242、および絶縁体273の上に、酸化物230cとなる酸化膜230Cを成膜する(図9参照)。

0235

酸化膜230C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。酸化物230cに求める特性に合わせて、酸化膜230A、または酸化膜230Bと同様の成膜方法を用いて、酸化膜230Cを成膜すればよい。本実施の形態では、例えば、酸化膜230Cとして、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。

0236

ここで、酸化膜230C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、酸化物230aおよび酸化物230bに供給される場合がある。したがって、酸化膜230Cの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。

0237

続いて、酸化膜230C上に、絶縁膜250Aを成膜する(図9参照。)。

0238

絶縁膜250Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁膜250Aとして、CVD法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜250Aを成膜する際の成膜温度は、350℃以上450℃未満、特に400℃前後とすることが好ましい。絶縁膜250Aを、400℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。

0239

また、絶縁膜250Aの成膜後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜250Aの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。

0240

続いて、導電体260aとなる導電膜、および導電体260bとなる導電膜を順次成膜する。導電体260aとなる導電膜、および導電体260bとなる導電膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。例えば、導電体260aとなる導電膜として、窒化チタンを成膜し、導電体260bとなる導電膜として、タングステンを成膜してもよい。

0241

導電体260aとなる導電膜として、CVD法、またはスパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。導電体260aとなる導電膜に金属窒化物を用いることにより、酸化膜250Cが有する酸素により、導電体260bとなる導電膜が酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。

0242

また、導電体260bとなる導電膜として、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。

0243

続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、酸化物230bに低抵抗領域が形成される場合がある。

0244

次に、フォトリソグラフィ法を用いて、酸化膜230C、絶縁膜250A、導電膜260A、および導電膜260Bの一部を選択的に除去して、酸化物230c、絶縁体250、導電体260a、および導電体260bを形成する(図10参照。)。酸化膜230C、絶縁膜250A、導電膜260A、および導電膜260Bのエッチングは、ドライエッチング法やウエ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。

0245

このように、酸化膜230C、絶縁膜250A、導電体260aとなる導電膜、および導電体260bとなる導電膜を一括でエッチングすることで、トランジスタ200の作製工程の簡略化を図ることができる。この場合、上面視において、酸化物230c、絶縁体250、導電体260a、および導電体260bの端部は、概略一致する場合がある。

0246

次に、絶縁体273、絶縁体250、および導電体260を覆って、絶縁体274を成膜する(図10参照。)。絶縁体274は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて成膜することができる。

0247

絶縁体274は、絶縁性バリアとして機能することが好ましく、窒化アルミニウムなどを、スパッタリング法を用いて成膜すればよい。成膜ガスとして、窒素ガスと、希釈ガスである希ガス等の混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により形成することが好ましい。これにより、成膜ガスに酸素またはオゾンなどの酸化性の強いガスを用いずに成膜することができる。よって、絶縁体274の成膜時に、酸化性の強いガスが絶縁体250および酸化物230を介して拡散し、導電体242aおよび導電体242bの側面が酸化されることを防ぐことができる。また、成膜ガスの流量比を制御することで、絶縁体274の膜質を制御することが容易となる。

0248

例えば、絶縁体274としてアルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリングにより形成した窒化アルミニウム膜を用いる場合、成膜ガスの全流量に対する窒素ガスの流量を30%以上100%以下、好ましくは40%以上100%以下、より好ましくは50%以上100%以下とすることが好ましい。

0249

また、絶縁体274として、例えば、アルミニウムおよ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、ALD法を用いて成膜するとよい。なお、アルミニウムおよ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。バリア性を有する絶縁体274により、絶縁体274の上から水または水素などの不純物が導電体260、絶縁体250、および酸化物230に混入することを低減できる。また、絶縁体274の上から酸素が導電体260に混入することを低減できる。ALD法は、被覆性の良好な成膜法なので、絶縁体274の凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。

0250

次に、絶縁体274の上に、絶縁体280を成膜する(図1参照。)。絶縁体280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、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。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体280に用いると、後の工程で絶縁体280中に、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成できるため好ましい。また、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好ましい。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。本実施の形態では、例えば、絶縁体280として、CVD法によって酸化窒化シリコンを成膜する。

0251

なお、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、例えば、平坦化処理として、CMP処理を用いる。ただし、絶縁体280の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。

0252

次に、絶縁体280の上に絶縁体282を成膜する(図1参照。)。絶縁体282は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体282は、バリア性を有するアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることが好ましい。絶縁体282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。本実施の形態では、例えば、絶縁体282して、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する。

0253

続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、酸化物230bに低抵抗領域が形成される場合がある。

0254

以上により、図1に示すトランジスタ200を有する半導体装置を作製することができる。図4乃至図10に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200を作製することができる。

0255

<半導体装置の変形例>
以下では、図3を用いて、先の<半導体装置の構成例>で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。

0256

図3(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図3(B)、図3(C)および図3(D)は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図3(B)は、図3(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図3(C)は、図3(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図3(D)は、図3(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図3(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。

0257

なお、図3に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図1参照。)を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。

0258

以下、トランジスタ200の構成について、それぞれ図3を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ200の構成材料については<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。

0259

図3に示す半導体装置は、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置(図1参照。)とは、酸化物230cが設けられていない点が異なる。その他の構成、効果については、図1に示す半導体装置を参酌することができる。

0260

以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

0261

(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図11および図12を用いて説明する。

0262

[記憶装置1]
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置(記憶装置)の一例を図11に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。なお、トランジスタ200として、先の実施の形態で説明したトランジスタ200を用いることができる。

0263

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。

0264

図11に示す半導体装置において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200の第1のゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200の第2のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。

0265

また、図11に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。

0266

<トランジスタ300>
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体316、ゲート絶縁体として機能する絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。

0267

ここで、図11に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。

0268

なお、図11に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

0269

<容量素子100>
容量素子100は、トランジスタ200の上方に設けられる。容量素子100は、第1の電極として機能する導電体110と、第2の電極として機能する導電体120、および誘電体として機能する絶縁体130とを有する。

0270

また、例えば、導電体246上に設けた導電体112と、導電体110は、同時に形成することができる。なお、導電体112は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。

0271

図11では、導電体112、および導電体110は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。

0272

また、絶縁体130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、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。

0273

例えば、絶縁体130には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率(high−k)材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子100は、高誘電率(high−k)の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。

0274

なお、高誘電率(high−k)材料(高い比誘電率の材料)の絶縁体としては、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がある。

0275

一方、絶縁耐力が大きい材料(低い比誘電率の材料)としては、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がある。

0276

配線層
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

0277

例えば、トランジスタ300上には、層間膜として、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線として機能する。

0278

また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。

0279

絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図11において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線として機能する。

0280

同様に、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。

0281

層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。

0282

例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。

0283

例えば、絶縁体150、絶縁体212、絶縁体352、および絶縁体354等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、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、当該絶縁体は、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。

0284

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、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。従って、絶縁体210、および絶縁体350等には、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絶縁体を用いればよい。

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