JP2016201518A - Method for manufacturing conductor and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置またはその作製方法に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, the present invention relates to, for example, a semiconductor device, a display device, a light emitting device, a power storage device, an imaging device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device or a manufacturing method thereof.
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、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. Further, the memory device, the display device, and the electronic device may include a semiconductor device.
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体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(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン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層が注目されている。 A technique for forming a transistor using a semiconductor film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (display device). As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a silicon-based semiconductor material is widely known, but an oxide semiconductor layer has attracted attention as another material.
例えば、トランジスタの活性層として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、および亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物半導体層を用いたトランジスタが特許文献1に開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a transistor using an amorphous oxide semiconductor layer containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) as an active layer of the transistor.
半導体装置を安定動作させるうえで、半導体装置の一部であるトランジスタの形状を安定させるのはきわめて重要な要素である。また、容量素子や、配線の形状についても同様である。 In order to stably operate a semiconductor device, it is an extremely important element to stabilize the shape of a transistor that is a part of the semiconductor device. The same applies to the shape of the capacitive element and the wiring.
また、トランジスタを形成する各種工程は、微細化が進む度に、その制御性は困難を増しており、製造工程によるばらつきが、電気特性、さらには信頼性に大きな影響を与えてしまう。 In addition, various processes for forming a transistor are increasingly difficult to control as miniaturization progresses, and variations due to manufacturing processes greatly affect electrical characteristics and reliability.
とりわけ、微細化したトランジスタにおいて、平坦性の向上は、重要な要素である。凹凸を有することにより、残渣の発生や位置合わせ精度の低下などを引き起こしてしまう。平坦性を向上させることにより、トランジスタの形状を安定させることができ、特性ばらつきを抑制することができる。さらには、トランジスタの電気特性を向上させることができる。 In particular, in a miniaturized transistor, improvement in flatness is an important factor. By having the unevenness, the generation of residues and the deterioration of alignment accuracy are caused. By improving the flatness, the shape of the transistor can be stabilized and variation in characteristics can be suppressed. Further, the electrical characteristics of the transistor can be improved.
したがって、本発明の一態様は、平坦性を向上させた導電体の製造方法を提供することを目的の一つする。平坦性を向上させたトランジスタの製造方法を提供することを目的の一つする。または、電気特性が良好な半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、トランジスタまたは半導体装置の、製造工程に起因した特性のばらつきを低減することを目的の一つとする。または、酸素欠損の少ない酸化物半導体層を有する半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、酸化物半導体層近傍の界面準位を低減することができる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。または上記半導体装置の作製方法を提供することを目的の一つとする。 Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a conductor with improved flatness. Another object is to provide a method for manufacturing a transistor with improved planarity. Another object is to provide a semiconductor device with favorable electrical characteristics. Another object is to reduce variation in characteristics of a transistor or a semiconductor device due to a manufacturing process. Another object is to provide a semiconductor device including an oxide semiconductor layer with few oxygen vacancies. Another object is to provide a semiconductor device which can be formed by a simple process. Another object is to provide a semiconductor device having a structure in which interface states in the vicinity of an oxide semiconductor layer can be reduced. Another object is to provide a semiconductor device with low power consumption. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like. Another object is to provide a method for manufacturing the semiconductor device.
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。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
(1)
本発明の一態様は、第1の層を形成し、第1の層上に第1の絶縁膜を形成し、第1のマスクを用いて第1の絶縁膜の一部をエッチングすることによって第1の絶縁層を形成し、第1の層、および第1の絶縁層の上に第1の導電膜を形成し、第1の導電膜に対して研磨を行うことによって第1の導電層を形成し、研磨は、第1の研磨処理と、第2の研磨処理を有し、第1の研磨処理は、金属を酸化させて研磨する処理であって、第2の研磨処理は、金属を酸化させずに研磨する処理であることを特徴とする、導電体の作製方法である。
(1)
According to one embodiment of the present invention, a first layer is formed, a first insulating film is formed over the first layer, and part of the first insulating film is etched using a first mask. A first conductive layer is formed by forming a first insulating layer, forming a first conductive film on the first layer and the first insulating layer, and polishing the first conductive film. The polishing has a first polishing process and a second polishing process, and the first polishing process is a process of oxidizing metal to polish, and the second polishing process is a metal A process for producing a conductor, characterized in that the polishing is performed without oxidizing the metal.
(2)
本発明の別の一態様は、第1の研磨処理に用いるスラリーは、酸化剤を有し、第2の研磨処理に用いるスラリーは、酸化剤を有さないことを特徴とする、導電体の作製方法である。
(2)
According to another embodiment of the present invention, the slurry used for the first polishing treatment has an oxidizing agent, and the slurry used for the second polishing processing does not have an oxidizing agent. This is a manufacturing method.
(3)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理時の第1の絶縁層の研磨速度は、40nm/min以上80nm/min以下であって、第2の研磨処理時の第1の導電層の研磨速度は、1nm/min以上10min/min以下であることを特徴とする、導電体の作製方法である。
(3)
Another embodiment of the present invention is that the polishing rate of the first insulating layer during the second polishing process is 40 nm / min or more and 80 nm / min or less, and the first conductive layer during the second polishing process is used. The polishing rate is 1 nm / min or more and 10 min / min or less.
(4)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理の研磨時間は、30秒以上180秒以下とすることを特徴とする、導電体の作製方法である。
(4)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a conductor, characterized in that the polishing time of the second polishing treatment is 30 seconds to 180 seconds.
(5)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理時の基板への加圧を1psi以上5psi以下とすることを特徴とする、導電体の作製方法である。
(5)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a conductor, in which the pressure applied to the substrate during the second polishing process is set to 1 psi to 5 psi.
(6)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理時に用いるスラリーは、コロイダルシリカを含有することを特徴とする、導電体の作製方法である。
(6)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a conductor, wherein the slurry used in the second polishing process contains colloidal silica.
(7)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理後の第1の導電層表面は、平均面粗さが0.1nm以上0.35nm以下であることを特徴とする、導電体の作製方法である。
(7)
Another embodiment of the present invention is the method for manufacturing a conductor, wherein the surface of the first conductive layer after the second polishing treatment has an average surface roughness of 0.1 nm or more and 0.35 nm or less. It is.
(8)
本発明の別の一態様は、第1の層を形成し、第1の層上に第1の絶縁膜を形成し、第1のマスクを用いて第1の絶縁膜の一部をエッチングして第1の絶縁層を形成し、第1の層、および第1の絶縁層上に、第1の導電膜を形成し、第1の導電膜に対して化学機械研磨を行い、第1の導電層を形成し、第1の導電層上にトランジスタを形成し、化学機械研磨は、第1の研磨処理と、第2の研磨処理を有し、第1の研磨処理は、金属を酸化させて研磨する処理であって、第2の研磨処理は、金属を酸化させずに研磨する処理であることを特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(8)
Another embodiment of the present invention is to form a first layer, form a first insulating film over the first layer, and etch a part of the first insulating film using the first mask. Forming a first insulating layer, forming a first conductive film on the first layer and the first insulating layer, performing chemical mechanical polishing on the first conductive film, A conductive layer is formed, a transistor is formed over the first conductive layer, the chemical mechanical polishing includes a first polishing process and a second polishing process, and the first polishing process oxidizes a metal. In the method for manufacturing a semiconductor device, the second polishing process is a process of polishing without oxidizing the metal.
(9)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理後の第1の導電層表面は、平均面粗さRa=0.25nm以下であることを特徴とする、導電体および半導体装置の製造方法である。
(9)
According to another aspect of the present invention, the surface of the first conductive layer after the second polishing treatment has an average surface roughness Ra = 0.25 nm or less, and a method for manufacturing a conductor and a semiconductor device It is.
(10)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理時の第1の絶縁層の研磨速度は、40nm/min以上80nm/min以下であって、第2の研磨処理時の第1の導電層の研磨速度は、1nm/min以上10min/min以下であることを特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(10)
Another embodiment of the present invention is that the polishing rate of the first insulating layer during the second polishing process is 40 nm / min or more and 80 nm / min or less, and the first conductive layer during the second polishing process is used. The method of manufacturing a semiconductor device is characterized in that the polishing rate is 1 nm / min or more and 10 min / min or less.
(11)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理の研磨時間は、30秒以上180秒以下とすることを特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(11)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the polishing time of the second polishing treatment is greater than or equal to 30 seconds and less than or equal to 180 seconds.
(12)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理時の基板への加圧を1psi以上5psi以下とすることを特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(12)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, in which the pressure applied to the substrate during the second polishing treatment is set to 1 psi to 5 psi.
(13)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理時に用いるスラリーは、コロイダルシリカを含有することを特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(13)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the slurry used in the second polishing treatment contains colloidal silica.
(14)
本発明の別の一態様は、第2の研磨処理後の第1の導電層表面は、平均面粗さが0.1nm以上0.3nm以下であることを特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(14)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the surface of the first conductive layer after the second polishing treatment has an average surface roughness of 0.1 nm to 0.3 nm. It is.
本発明の一態様を用いることにより、平坦性を向上させた導電体の製造方法を提供することができる。平坦性を向上させたトランジスタの製造方法を提供するができる。または、電気特性が良好な半導体装置を提供することができる。または、トランジスタまたは半導体装置の、製造工程に起因した特性のばらつきを低減することができる。または、酸素欠損の少ない酸化物半導体層を有する半導体装置を提供することができる。または、簡易な工程で形成す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、酸化物半導体層近傍の界面準位を低減することができる構成の半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。または上記半導体装置の作製方法を提供することができる。 By using one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a conductor with improved flatness can be provided. A method for manufacturing a transistor with improved planarity can be provided. Alternatively, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, variation in characteristics of a transistor or a semiconductor device due to a manufacturing process can be reduced. Alternatively, a semiconductor device including an oxide semiconductor layer with few oxygen vacancies can be provided. Alternatively, a semiconductor device that can be formed by a simple process can be provided. Alternatively, a semiconductor device having a structure in which the interface state in the vicinity of the oxide semiconductor layer can be reduced can be provided. Alternatively, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device or the like can be provided. Alternatively, a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の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、本発明は以下に示す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。なお、以下に説明する発明の構成において、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ことがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. Note that hatching of the same elements constituting the drawings may be appropriately omitted or changed between different drawings.
例えば、本明細書等において、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、XとYとが直接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。 For example, in this specification and the like, when X and Y are explicitly described as being connected, X and Y are electrically connected, and X and Y are functional. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and anything other than the connection relation shown in the figure or text is also described in the figure or text.
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。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element that enables electrical connection between X and Y (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, etc.) Element, light emitting element, load, etc.) are not connected between X and Y, and elements (for example, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y X and Y are not connected via a resistor element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, or the like.
XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables electrical connection between X and Y More than one element, light emitting element, load, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state), and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which a current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.
XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables a functional connection between X and Y, signal conversion, etc. Circuit (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuit, amplifier circuit (circuit that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifier, differential amplifier circuit, source follower circuit, buffer circuit, etc.), signal generation circuit, memory circuit, control circuit, etc.) One or more can be connected between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, X and Y are functionally connected. To do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.
なお、XとYとが電気的に接続されている、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(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで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(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まず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。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, a case where X and Y are electrically connected (that is, there is a separate connection between X and Y). And X and Y are functionally connected (that is, they are functionally connected with another circuit between X and Y). And the case where X and Y are directly connected (that is, the case where another element or another circuit is not connected between X and Y). It shall be disclosed in the document. In other words, when it is explicitly described that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly described only that it is connected are disclosed in this specification and the like. It is assumed that
なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。 Note that for example, the source (or the first terminal) of the transistor is electrically connected to X through (or not through) Z1, and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is connected to Z2. Through (or without), Y is electrically connected, or the source (or the first terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z1, and another part of Z1 Is directly connected to X, and the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. Then, it can be expressed as follows.
例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 For example, “X and Y, and the source (or the first terminal or the like) and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor are electrically connected to each other. The drain of the transistor (or the second terminal, etc.) and the Y are electrically connected in this order. ” Or “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X, the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y, and X or the source ( Or the first terminal or the like, the drain of the transistor (or the second terminal, or the like) and Y are electrically connected in this order. Or “X is electrically connected to Y through the source (or the first terminal) and the drain (or the second terminal) of the transistor, and X is the source of the transistor (or the first terminal). Terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. By using the same expression method as in these examples and defining the order of connection in the circuit configuration, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor are separated. Apart from that, the technical scope can be determined.
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、上記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)との間の経路であり、上記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の接続経路は、上記第2の接続経路を有しておらず、上記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、上記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の接続経路は、上記第2の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、上記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、上記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 Alternatively, as another expression method, for example, “a source (or a first terminal or the like of a transistor) is electrically connected to X through at least a first connection path, and the first connection path is The second connection path does not have a second connection path, and the second connection path includes a transistor source (or first terminal or the like) and a transistor drain (or second terminal or the like) through the transistor. The first connection path is a path through Z1, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y through at least the third connection path. The third connection path is connected and does not have the second connection path, and the third connection path is a path through Z2. " Or, “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X via Z1 by at least the first connection path, and the first connection path is the second connection path. The second connection path has a connection path through the transistor, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is at least connected to Z2 by the third connection path. , Y, and the third connection path does not have the second connection path. Or “the source of the transistor (or the first terminal or the like) is electrically connected to X through Z1 by at least a first electrical path, and the first electrical path is The second electrical path is an electrical path from the source (or first terminal or the like) of the transistor to the drain (or second terminal or the like) of the transistor; The drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y through Z2 by at least a third electrical path, and the third electrical path is a fourth electrical path. The fourth electrical path is an electrical path from the drain (or second terminal or the like) of the transistor to the source (or first terminal or the like) of the transistor. can do. Using the same expression method as those examples, by defining the connection path in the circuit configuration, the source (or the first terminal or the like) of the transistor and the drain (or the second terminal or the like) are distinguished. The technical scope can be determined.
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2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。 In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, and the like).
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 In addition, even when the components shown in the circuit diagram are electrically connected to each other, even when one component has the functions of a plurality of components. There is also. For example, in the case where a part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the functions of the constituent elements of the wiring function and the electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す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。なお、以下に説明する発明の構成において、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。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.
<図面を説明する記載に関する付記> <Additional notes regarding the description explaining the drawings>
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。 In this specification, the terms and phrases such as “above” and “below” are used for convenience in describing the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。 Further, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the components is directly above or directly below, and is in direct contact with each other. For example, the expression “electrode B on the insulating layer A” does not require the electrode B to be formed in direct contact with the insulating layer A, and another configuration between the insulating layer A and the electrode B. Do not exclude things that contain elements.
本明細書において、「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。 In this specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために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。 In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is shown in an arbitrary size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. Note that the drawings are schematically shown for the sake of clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.
また、図面において、上面図(平面図、レイアウト図ともいう)や斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。 In the drawings, some components may be omitted from the top view (also referred to as a plan view or a layout view) or a perspective view in order to clarify the drawing.
また、「同一」とは、同一の面積を有してよいし、同一の形状を有してもよい。また、製造工程の関係上、完全に同一の形状とならないことも想定されるので、略同一であっても同一であると言い換えることができる。 In addition, “same” may have the same area or the same shape. Moreover, since it is assumed that it does not become the completely same shape on the relationship of a manufacturing process, it can paraphrase that it is the same even if it is substantially the same.
<言い換え可能な記載に関する付記> <Additional notes on paraphrased descriptions>
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In this specification and the like, when describing a connection relation of a transistor, one of a source and a drain is referred to as “one of a source and a drain” (or a first electrode or a first terminal), and the source and the drain The other is referred to as “the other of the source and the drain” (or the second electrode or the second terminal). This is because the source and drain of a transistor vary depending on the structure or operating conditions of the transistor. Note that the names of the source and the drain of the transistor can be appropriately rephrased depending on the situation, such as a source (drain) terminal or a source (drain) electrode.
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.
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、ドレイン領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, channel region, and source. It is something that can be done.
ここで、ソースとドレインとは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるため、いずれがソース又はドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソースとして機能する部分、及びドレインとして機能する部分を、ソース又はドレインと呼ばず、ソースとドレインとの一方を第1電極と表記し、ソースとドレインとの他方を第2電極と表記する場合がある。 Here, since the source and the drain vary depending on the structure or operating conditions of the transistor, it is difficult to limit which is the source or the drain. Therefore, a portion that functions as a source and a portion that functions as a drain are not referred to as a source or a drain, but one of the source and the drain is referred to as a first electrode, and the other of the source and the drain is referred to as a second electrode. There is a case.
なお本明細書にて用いる「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。 It should be noted that the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” used in this specification are added to avoid confusion between components and are not limited in number. To do.
また、本明細書等では、表示パネルの基板に、例えばFPC(Flexible Printed Circuits)もしくはTCP(Tape Carrier Package)などが取り付けられたもの、または基板にCOG(Chip On Glass)方式によりIC(集積回路)が直接実装されものを、表示装置と呼ぶ場合がある。 Further, in this specification and the like, an IC (integrated circuit) is formed on a substrate of a display panel, for example, by attaching FPC (Flexible Printed Circuits) or TCP (Tape Carrier Package) or the like to the substrate by a COG (Chip On Glass) method. ) May be called a display device.
また、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、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。 The terms “film” and “layer” can be interchanged with each other depending on circumstances or circumstances. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.
なお、本明細書では、圧力の表記として、psiを用いている。psiは、6 .894kPaに換算することができる。 In this specification, psi is used as a pressure notation. psi is 6. It can be converted to 894 kPa.
<語句の定義に関する付記>
以下では、上記実施の形態中で言及した語句の定義について説明する。
<Notes on the definition of words>
Below, the definition of the phrase referred in the said embodiment is demonstrated.
本明細書において、「トレンチ」、または「溝」という用語を用いた場合、細い帯状の凹みをいう。 In this specification, when the term “trench” or “groove” is used, it refers to a thin strip-shaped recess.
<接続について> <About connection>
本明細書において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。 In this specification, “A and B are connected” includes not only those in which A and B are directly connected but also those that are electrically connected. Here, A and B are electrically connected. When there is an object having some electrical action between A and B, it is possible to send and receive electrical signals between A and B. It says that.
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2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。 In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, and the like).
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、および/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。 Note that the content described in one embodiment (may be a part of content) is different from the content described in the embodiment (may be a part of content) and / or one or more Application, combination, replacement, or the like can be performed on the content described in another embodiment (or part of the content).
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。 Note that the contents described in the embodiments are the contents described using various drawings or the contents described in the specification in each embodiment.
なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、および/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。 Note that a drawing (or part thereof) described in one embodiment may be another part of the drawing, another drawing (or part) described in the embodiment, and / or one or more. More diagrams can be formed by combining the diagrams (may be a part) described in another embodiment.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタの一部である構造40と、その製造方法について図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, the structure 40 which is part of the transistor of one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.
図1(A)、図1(B)、図1(C)は、本発明の一態様の構造40の上面図および断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(B)は図1(A)に示す一点鎖線A1−A2間、図1(C)は図1(A)に示すA3−A4間の断面図である。 1A, 1B, and 1C are a top view and a cross-sectional view of a structure 40 of one embodiment of the present invention. 1A is a top view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along alternate long and short dash line A1-A2 shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-section taken along A3-A4 shown in FIG. FIG.
構造40には、基板100と、絶縁層110と、導電層165、絶縁層115、絶縁層117を有する。絶縁層110は、基板100上に設けられている。絶縁層115は、絶縁層110上に設けられている。導電層165は、絶縁層110上に設けられており、側面において絶縁層115と接する領域を有する。絶縁層117は、絶縁層115、および導電層165上に設けられる。 The structure 40 includes a substrate 100, an insulating layer 110, a conductive layer 165, an insulating layer 115, and an insulating layer 117. The insulating layer 110 is provided on the substrate 100. The insulating layer 115 is provided on the insulating layer 110. The conductive layer 165 is provided over the insulating layer 110 and has a region in contact with the insulating layer 115 on a side surface. The insulating layer 117 is provided over the insulating layer 115 and the conductive layer 165.
構造40において、導電層165の表面は凹凸が非常に少なく、きわめて平坦である。そのため、絶縁層117は凹凸を有さずに設けることができる。 In the structure 40, the surface of the conductive layer 165 has very little unevenness and is extremely flat. Therefore, the insulating layer 117 can be provided without being uneven.
構造40の構成について、以下に示す。 The structure of the structure 40 is shown below.
《基板100》
基板100には、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板、SOI(Semiconductor On Insulator)基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい
基板100は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、構造40に含まれる導電層165、あるいは構造40を含むトランジスタと電気的に接続させてもよい。
<< Substrate 100 >>
As the substrate 100, for example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. In addition, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, an SOI (Semiconductor On Insulator) substrate, or the like can be used, and a semiconductor element is formed on these substrates. The substrate 100 which may be used is not limited to a simple support material, and may be a substrate on which a device such as another transistor is formed. In this case, the conductive layer 165 included in the structure 40 or the transistor including the structure 40 may be electrically connected.
また、基板100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100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。なお、基板100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100が伸縮性を有してもよい。また、基板100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100の厚さは、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以下とする。基板100を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板100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100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、丈夫な半導体装置を提供することができる。 Further, a flexible substrate may be used as the substrate 100. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is a method in which a transistor is manufactured over a non-flexible substrate, and then the transistor is peeled and transferred to the substrate 100 which is a flexible substrate. In that case, a separation layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that a sheet, a film, a foil, or the like in which fibers are knitted may be used as the substrate 100. Further, the substrate 100 may have elasticity. Further, the substrate 100 may have a property of returning to the original shape when bending or pulling is stopped. Or you may have a property which does not return to an original shape. The thickness of the substrate 100 is, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate 100 is thinned, the semiconductor device can be reduced in weight. Further, by reducing the thickness of the substrate 100, there are cases where the glass 100 or the like is stretchable or has a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact applied to the semiconductor device on the substrate 100 due to a drop or the like can be reduced. That is, a durable semiconductor device can be provided.
可撓性基板である基板100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。可撓性基板である基板100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100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、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)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100として好適である。 As the substrate 100 which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin or glass, or fiber thereof can be used. The substrate 100, which is a flexible substrate, is preferable because the deformation due to the environment is suppressed as the linear expansion coefficient is lower. As the substrate 100 that is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less is used. Good. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, acrylic, and polytetrafluoroethylene (PTFE). In particular, since aramid has a low coefficient of linear expansion, it is suitable as the substrate 100 that is a flexible substrate.
《絶縁層110》
絶縁層110は、基板100からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層122に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層110は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、TDS法にて、酸素原子に換算しての酸素放出量が1.0×1019atoms/cm3以上である膜とする。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。また、上述のように基板100が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層110は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
<< Insulating layer 110 >>
The insulating layer 110 has a role of preventing diffusion of impurities from the substrate 100 and can also serve to supply oxygen to the oxide semiconductor layer 122. Therefore, the insulating layer 110 is preferably an insulating film containing oxygen, and more preferably an insulating film containing oxygen larger than the stoichiometric composition. For example, a film having an oxygen release amount converted to oxygen atoms of 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more by the TDS method is used. The surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C. In addition, when the substrate 100 is a substrate on which another device is formed as described above, the insulating layer 110 also has a function as an interlayer insulating film. In that case, it is preferable to perform a planarization process by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like so that the surface becomes flat.
なお、図1において、構造40は、絶縁層110を設けているが、これに限定されず、導電層を設けてもよい。当該導電層の材料は、後述する導電層165と同じ材料を用いることができる。 In FIG. 1, the structure 40 is provided with the insulating layer 110, but is not limited thereto, and a conductive layer may be provided. As the material of the conductive layer, the same material as a conductive layer 165 described later can be used.
《絶縁層115》
絶縁層115には、例えば、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層115は上記材料の積層であってもよい。
<Insulating layer 115>
The insulating layer 115 includes, for example, magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNx), silicon nitride oxide (SiNxOx), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), and germanium oxide (GeOx). ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), tantalum oxide (TaOx), and aluminum oxide (AlOx). Can be used. The insulating layer 115 may be a stack of the above materials.
《導電層165》
導電層165には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)およびタングステン(W)、シリコン(Si)などの材料を用いることができる。また、導電層165は積層とすることができる。例えば、上記材料を用いてもよいし、上記材料の窒化物など、窒素を含んだ材料を組み合わせて用いてもよい。
<< Conductive layer 165 >>
The conductive layer 165 includes, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum ( Materials such as Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta) and tungsten (W), and silicon (Si) can be used. The conductive layer 165 can be a stacked layer. For example, the above materials may be used, or a material containing nitrogen such as a nitride of the above materials may be used in combination.
なお、絶縁層110上と、導電層165との間に導電層を設ける構造としてもよい。当該導電層は、導電層165と同様の材料を用いることができる。 Note that a conductive layer may be provided between the insulating layer 110 and the conductive layer 165. For the conductive layer, a material similar to that of the conductive layer 165 can be used.
<構造40の作製方法>
次に、構造40の作製方法について、図2乃至図6を用いて説明する。
<Method for Fabricating Structure 40>
Next, a method for manufacturing the structure 40 will be described with reference to FIGS.
本実施の形態において、トランジスタの一部である構造40を構成する各層(絶縁層、酸化物半導体層、導電層等)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属化学堆積)法やALD(原子層成膜)法を使ってもよい。また、スパッタリング法では、ロングスロー方式とコリメート方式を組み合わせて用いることで、埋め込み性を向上させることができる。 In this embodiment mode, each layer (an insulating layer, an oxide semiconductor layer, a conductive layer, or the like) included in the structure 40 which is part of the transistor is formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), vacuum evaporation, or pulse. It can be formed using a laser deposition (PLD) method. Alternatively, it can be formed by a coating method or a printing method. As a film forming method, a sputtering method and a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method are typical, but a thermal CVD method may be used. As an example of the thermal CVD method, an MOCVD (metal organic chemical deposition) method or an ALD (atomic layer deposition) method may be used. In the sputtering method, the embedding property can be improved by using a combination of the long throw method and the collimation method.
<絶縁層110の形成>
まず、基板100上に絶縁層110を成膜する(図2参照)。絶縁層110は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタリング法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。
<Formation of Insulating Layer 110>
First, the insulating layer 110 is formed over the substrate 100 (see FIG. 2). The insulating layer 110 is formed by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), sputtering, or the like, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, Formed using oxide insulating films such as zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can do.
例えば、絶縁層110としてプラズマCVD法により厚さ100nmの酸化窒化シリコン膜を用いることができる。 For example, a silicon oxynitride film with a thickness of 100 nm can be used as the insulating layer 110 by a plasma CVD method.
<絶縁膜115aの成膜>
次に、絶縁層110上に後に絶縁層115となる絶縁膜115aを成膜する。絶縁膜115aは、絶縁層110と同様の方法で成膜することができる。
<Deposition of Insulating Film 115a>
Next, an insulating film 115 a to be the insulating layer 115 later is formed over the insulating layer 110. The insulating film 115a can be formed by a method similar to that of the insulating layer 110.
絶縁膜115aは、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタ法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよい。 The insulating film 115a is formed by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), sputtering, or the like, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, Formed using oxide insulating films such as zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can do. Alternatively, a laminate of the above materials may be used.
<溝部の形成>
次に、絶縁膜115a上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。なお、絶縁膜115a上に有機膜を塗布してから、あるいは、レジスト上に塗布してからリソグラフィ工程を行ってもよい。当該有機膜は、プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチルなど、を有することができる。当該有機膜をもちいることで、露光時の反射防止効果のほか、レジストと膜との密着性の向上、解像性の向上などの効果を有する。当該有機膜は、他の工程にも用いることができる。
<Formation of groove>
Next, a resist mask is formed over the insulating film 115a by a lithography process. Note that the lithography process may be performed after an organic film is applied over the insulating film 115a or after application over a resist. The organic film can include propylene glycol monomethyl ether, ethyl lactate, and the like. By using the organic film, in addition to the antireflection effect at the time of exposure, there are effects such as improvement in adhesion between the resist and the film and improvement in resolution. The organic film can be used for other processes.
なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、電子ビーム露光、液浸露光、EUV(EUV:Extreme Ultra− violet)露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、エッチング工程によって当該領域をエッチングすればよい。なお、電子ビーム露光でレジストマスクを形成する場合、当該レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、開口幅を100nm以下、さらには30nm以下とするトランジスタを形成することができる。または、X線等を用いた露光技術によって微細な加工を行ってもよい。 Note that in the case of forming a transistor with a very short channel length, resist mask processing is performed by using a method suitable for thin line processing such as electron beam exposure, liquid immersion exposure, EUV (Extreme Ultra-violet) exposure, and etching. The region may be etched by a process. Note that in the case where a resist mask is formed by electron beam exposure, if a positive resist is used as the resist mask, an exposure region can be minimized and throughput can be improved. By using such a method, a transistor with an opening width of 100 nm or less, further 30 nm or less can be formed. Alternatively, fine processing may be performed by an exposure technique using X-rays or the like.
また、開口部の加工処理において、基板表面に対して絶縁層115の側面が垂直、または垂直に近い角度(テーパー角とする。)を有することができるように、絶縁膜115aの表面に酸化膜や、導電膜を用いたハードマスクをレジストマスクの下に設けてもよい。 Further, in the processing of the opening, an oxide film is formed on the surface of the insulating film 115a so that the side surface of the insulating layer 115 can be perpendicular or nearly perpendicular (taper angle) to the substrate surface. Alternatively, a hard mask using a conductive film may be provided under the resist mask.
上記マスクを用いて、ドライエッチング法により絶縁膜115aの一部をエッチングすることにより絶縁層115を及び溝部を形成する(図3参照)。 Using the mask, a part of the insulating film 115a is etched by dry etching to form the insulating layer 115 and a groove (see FIG. 3).
<導電膜165aの形成>
次に、絶縁層110、および絶縁層115上に導電層165となる導電膜165aを成膜する(図4参照)。導電膜165aとしては、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。第2の導電膜160aは、スパッタ法やCVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、蒸着法、めっき法などにより形成することができる。また、導電膜165aとしては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記導電膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。
<Formation of Conductive Film 165a>
Next, a conductive film 165a to be the conductive layer 165 is formed over the insulating layer 110 and the insulating layer 115 (see FIG. 4). As the conductive film 165a, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum ( Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta), tungsten (W), or an alloy material containing these as a main component can be used. The second conductive film 160a can be formed by a sputtering method, a CVD method (plasma CVD method, MOCVD method, ALD method, or the like), an MBE method, an evaporation method, a plating method, or the like. As the conductive film 165a, a conductive film containing nitrogen may be used, or a stack of the conductive film and the conductive film containing nitrogen may be used.
例えば、導電膜165aとして、窒化チタンをALD法により厚さ10nm形成し、タングステンをメタルCVD法により厚さ150nm形成した積層構造を用いることができる。 For example, the conductive film 165a can have a stacked structure in which titanium nitride is formed with a thickness of 10 nm by an ALD method and tungsten is formed with a thickness of 150 nm by a metal CVD method.
<平坦化処理>
次に、平坦化処理を行う。平坦化処理は、化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法、ドライエッチング法などを用いて行うことができる。
<Planarization treatment>
Next, a flattening process is performed. The planarization treatment can be performed using a chemical mechanical polishing (CMP) method, a dry etching method, or the like.
本発明において、平坦化処理としては、CMP法を用いることが望ましい。 In the present invention, it is desirable to use the CMP method as the planarization treatment.
<CMP法の原理について>
CMP法は、薬液による表面反応と機械的な研磨処理を組み合わせた加工方法であり、トランジスタの各層を研磨し、平坦化することができる。主に、スラリーと呼ばれる砥粒を含んだ薬液を用いて研磨処理を行う。
<About the principle of CMP>
The CMP method is a processing method that combines a surface reaction with a chemical solution and a mechanical polishing treatment, and each layer of a transistor can be polished and planarized. Polishing is performed mainly using a chemical solution containing abrasive grains called slurry.
金属系の材料には、酸性のスラリーを用いて、酸化反応を促進しながら研磨処理を行うことが望ましい。また、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどにおいては、アルカリ性のスラリーを用いて研磨処理を行うことが望ましい。 For metal materials, it is desirable to use an acidic slurry and perform polishing while promoting an oxidation reaction. In addition, for silicon, silicon oxide, silicon nitride, or the like, it is desirable to perform polishing using an alkaline slurry.
<CMPの装置構成>
図5にCMPの装置構成を示す。CMP装置は、ヘッド1901、スラリー供給口1902、スラリー1903、研磨布1904、ステージ1905、筐体1907を有する。基板1900をヘッド1901内のリテーナで保持しながら、研磨処理を行う。この時、基板背面からエアーを供給し、吸着せずに処理を行ってもよいし、基板を吸着しながら研磨処理を行ってもよい。
<CMP device configuration>
FIG. 5 shows a CMP apparatus configuration. The CMP apparatus includes a head 1901, a slurry supply port 1902, a slurry 1903, a polishing cloth 1904, a stage 1905, and a housing 1907. Polishing is performed while holding the substrate 1900 with a retainer in the head 1901. At this time, air may be supplied from the back surface of the substrate and the processing may be performed without adsorption, or the polishing process may be performed while adsorbing the substrate.
研磨時において、ヘッド1901とステージ1905はそれぞれ回転させて処理を行う。ヘッド1901とステージ1905はそれぞれ同一の回転数で処理を行ってもよいし、異なる回転数で処理を行ってもよい。なお、ヘッド1901とステージ1905の回転数を10rpm以下の差を設けることで、研磨ムラの抑制や膜厚分布が向上するため、望ましい。 At the time of polishing, the head 1901 and the stage 1905 are rotated to perform processing. The head 1901 and the stage 1905 may perform processing at the same rotational speed, or may perform processing at different rotational speeds. Note that providing a difference of 10 rpm or less between the rotational speed of the head 1901 and the stage 1905 is desirable because it suppresses uneven polishing and improves the film thickness distribution.
また、研磨時において、加圧1906をしながら研磨することが望ましい。加圧することで、研磨量の面内分布の均一性、また研磨速度を向上させることができる。 Further, it is desirable to polish while applying pressure 1906 during polishing. By applying pressure, the uniformity of the in-plane distribution of the polishing amount and the polishing rate can be improved.
また、研磨時において、用いる研磨布には溝を設けることが望ましい。溝を設けることで、スラリーや、研磨カスの残留が抑えられ、研磨量の面内均一性の向上や、研磨ムラの抑制、研磨によるキズの抑制の効果が得られる。 Further, it is desirable to provide a groove in the polishing cloth used during polishing. By providing the grooves, the residual slurry and polishing residue are suppressed, and the effect of improving the in-plane uniformity of the polishing amount, suppressing unevenness in polishing, and suppressing scratches due to polishing can be obtained.
<導電層165の形成>
本発明の一態様として、導電層165の形成において、研磨処理は2ステップに分けて研磨することが好ましい。
<Formation of Conductive Layer 165>
As one embodiment of the present invention, in the formation of the conductive layer 165, the polishing treatment is preferably performed in two steps.
はじめに、第1の研磨処理を行う。第1の研磨処理の処理においては、酸性のスラリーを用いることが好ましい。また、第1の研磨処理に用いるスラリーには、酸化剤を添加することが望ましい。当該酸化剤により、導電層を酸化させる。導電層を酸化させることで脆化するため、研磨速度を向上させることができる。例えば、酸化剤として31重量%の過酸化水素水を用いることができる。 First, a first polishing process is performed. In the first polishing treatment, it is preferable to use an acidic slurry. Moreover, it is desirable to add an oxidizing agent to the slurry used for the first polishing treatment. The conductive layer is oxidized by the oxidizing agent. Since the conductive layer is embrittled by oxidation, the polishing rate can be improved. For example, 31% by weight of hydrogen peroxide water can be used as the oxidizing agent.
また、第1の研磨処理により絶縁層115上の導電膜165aを完全に除去してもよい。 Alternatively, the conductive film 165a over the insulating layer 115 may be completely removed by the first polishing treatment.
第1の研磨処理の研磨処理時の基板への加圧は、0.5psi以上10psi以下、好ましくは1psi以上5psi以下とすることが望ましい。 The pressure applied to the substrate during the polishing process of the first polishing process is 0.5 psi to 10 psi, preferably 1 psi to 5 psi.
第1の研磨処理の研磨時の回転数は、10rpm以上300rpm以下、好ましくは、30rpm以上150rpm以下、より好ましくは50rpm以上100rpm以下とすることが望ましい。 The number of rotations at the time of polishing in the first polishing process is 10 to 300 rpm, preferably 30 to 150 rpm, more preferably 50 to 100 rpm.
例えば、第1の研磨処理におけるCMPの処理条件として、コロイダルシリカを含む酸性のスラリーに31重量%の過酸化水素を2体積%添加し、基板への加圧を3psi、ヘッド回転数を93rpm、ステージ回転数90rpmとすることができる。 For example, as CMP processing conditions in the first polishing process, 2% by volume of hydrogen peroxide of 31 wt% is added to an acidic slurry containing colloidal silica, the pressure on the substrate is 3 psi, the head rotation speed is 93 rpm, The stage rotation speed can be 90 rpm.
次に、導電層165bに対して、第2の研磨処理の研磨処理を行う。第2の研磨処理の処理においては、酸性のスラリーを用いることが好ましい。また、31重量%の過酸化水素水の添加量をスラリーに対して2体積%以下、好ましくは0.5体積%以下、最も好ましくは酸化剤を有さないとすることが望ましい。 Next, the second polishing process is performed on the conductive layer 165b. In the second polishing treatment, an acidic slurry is preferably used. Further, it is desirable that the addition amount of 31% by weight of hydrogen peroxide water is 2% by volume or less, preferably 0.5% by volume or less, and most preferably not containing an oxidizing agent with respect to the slurry.
また、第2の研磨処理において、コロイダルシリカを含んだスラリーを用いることが望ましい。コロイダルシリカを含んだスラリーを用いることで、導電層165の表面の凹凸を除去、低減することができる。 In the second polishing process, it is desirable to use a slurry containing colloidal silica. By using the slurry containing colloidal silica, unevenness on the surface of the conductive layer 165 can be removed and reduced.
また、第2の研磨処理の研磨処理時の基板にかける圧力は、0.5psi以上10psi以下、好ましくは1psi以上5psi以下とすることが望ましい。 In addition, the pressure applied to the substrate in the second polishing process is preferably 0.5 psi to 10 psi, and more preferably 1 psi to 5 psi.
また、第2の研磨処理の処理時間は、1sec以上300sec、好ましくは10sec以上270sec、より好ましくは30sec以上180secとすることが望ましい。 Further, the processing time of the second polishing process is 1 sec to 300 sec, preferably 10 sec to 270 sec, more preferably 30 sec to 180 sec.
また、第2の研磨処理の処理において、導電層165bの研磨速度は0.5nm/min以上20nm/min以下、好ましくは1min/min以上10nm/min以下とすることが望ましい。 In the second polishing treatment, the polishing rate of the conductive layer 165b is 0.5 nm / min to 20 nm / min, preferably 1 min / min to 10 nm / min.
また、第2の研磨処理の処理において、絶縁層115の研磨速度は20nm/min以上100nm/min以下、好ましくは40min/min以上80nm/min以下とすることが望ましい。 In the second polishing process, the polishing rate of the insulating layer 115 is 20 nm / min to 100 nm / min, preferably 40 min / min to 80 nm / min.
例えば、第2の研磨処理におけるCMPの処理条件として、コロイダルシリカを含む酸性のスラリーに過酸化水素を添加しないで、基板への加圧を3psi、ヘッド回転数を93rpm、ステージ回転数90rpmとし、研磨時間を90secとすることができる。 For example, as a CMP processing condition in the second polishing process, hydrogen peroxide is not added to the acidic slurry containing colloidal silica, the pressure on the substrate is 3 psi, the head rotation speed is 93 rpm, and the stage rotation speed is 90 rpm. The polishing time can be 90 sec.
上記方法を用いることで、絶縁層と導電層165を形成することができる。第2の研磨処理では、スラリーに酸化剤が添加されない分、研磨レートが下がり、コロイダルシリカによる導電層165表面に存在する凹凸の研磨が支配的となる。したがって、第2の研磨処理を行うことにより導電層165の表面を非常に平坦にすることができる(図7参照)。 By using the above method, the insulating layer and the conductive layer 165 can be formed. In the second polishing treatment, the polishing rate is lowered by the amount of oxidant not added to the slurry, and the polishing of the unevenness present on the surface of the conductive layer 165 by colloidal silica becomes dominant. Therefore, the surface of the conductive layer 165 can be made extremely flat by performing the second polishing treatment (see FIG. 7).
なお、第2の研磨処理後の導電層165表面の1μm×1μmあたり平均面粗さは0.1nm以上0.35nm以下とすることができる。 Note that the average surface roughness per 1 μm × 1 μm of the surface of the conductive layer 165 after the second polishing treatment can be 0.1 nm or more and 0.35 nm or less.
なお、上記平坦化処理により、絶縁層115の表面も平坦にすることができる。 Note that the surface of the insulating layer 115 can be planarized by the planarization treatment.
以上により、構造40を作製することができる。 Thus, the structure 40 can be manufactured.
なお、図8に示すように構造40の上に、絶縁層117を設けた場合、絶縁層117は、非常に平坦に形成することができる。そのため、容量などを形成する場合に、不良の発生を抑えることができる。 Note that when the insulating layer 117 is provided on the structure 40 as shown in FIG. 8, the insulating layer 117 can be formed very flat. Therefore, occurrence of defects can be suppressed when forming a capacitor or the like.
また、導電層165上に導電層を設けることもできる。この場合、導電層165表面が平坦であるため、接触不良を抑制することができる。 Further, a conductive layer can be provided over the conductive layer 165. In this case, since the surface of the conductive layer 165 is flat, contact failure can be suppressed.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置と、その製造方法について図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.
図9(A)、図9(B)、図9(C)は、本発明の一態様のトランジスタ10の上面図および断面図である。図9(A)は上面図であり、図9(B)は図9(A)に示す一点鎖線B1−B2間、図9(C)は図9(A)に示すB3−B4間の断面図である。なお、図9(A)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線B1−B2方向をチャネル長方向、一点鎖線B3−B4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 9A, 9B, and 9C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 10 of one embodiment of the present invention. 9A is a top view, FIG. 9B is a cross-sectional line between dashed-dotted lines B1-B2 shown in FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-section between B3-B4 shown in FIG. 9A. FIG. Note that in FIG. 9A, some elements are enlarged, reduced, or omitted for clarity. The direction of the alternate long and short dash line B1-B2 may be referred to as a channel length direction, and the direction of the alternate long and short dash line B3-B4 may be referred to as a channel width direction.
トランジスタ10は、基板100と、絶縁層110と、導電層165、絶縁層115、絶縁層117、絶縁層119、酸化物絶縁層121と、酸化物半導体層122と、酸化物絶縁層123と、ソース電極層130と、ドレイン電極層140と、ゲート絶縁層150と、ゲート電極層160と、絶縁層170と、溝部174、絶縁層175と、導電層190、導電層195を有する。絶縁層110は、基板100上に設けられる。絶縁層115は、絶縁層110上に設けられている。導電層165は、絶縁層110上に設けられており、側面において絶縁層115と接する領域を有する。絶縁層117は、絶縁層115と、導電層165上に設けられる。絶縁層119は、絶縁層117上に設けられる。酸化物絶縁層121は、絶縁層119上に設けられる。酸化物半導体層122は、酸化物絶縁層121上に設けられる。ソース電極層130、およびドレイン電極層140は、酸化物半導体層122上に設けられ、酸化物半導体層122と電気的に接続する。絶縁層175は、絶縁層110、ソース電極層130、ドレイン電極層140上に形成され、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122の側面と接する領域を有する。酸化物絶縁層123は、酸化物半導体層122上に形成される。また、酸化物絶縁層123は絶縁層175の側面、ソース電極層130の側面、およびドレイン電極層140の側面と接する領域を有する。ゲート絶縁層150は、酸化物絶縁層123上に形成される。ゲート電極層は、ゲート絶縁層上に形成される。絶縁層170は、ゲート電極層160、ゲート絶縁層150、酸化物絶縁層123、絶縁層175上に形成される。プラグは、ソース電極層130、ドレイン電極層140上に設けられる。導電層195は、導電層190上に設けられる。なお、トランジスタ10は、実施の形態1で示した構造40を有している。 The transistor 10 includes a substrate 100, an insulating layer 110, a conductive layer 165, an insulating layer 115, an insulating layer 117, an insulating layer 119, an oxide insulating layer 121, an oxide semiconductor layer 122, an oxide insulating layer 123, A source electrode layer 130, a drain electrode layer 140, a gate insulating layer 150, a gate electrode layer 160, an insulating layer 170, a groove 174, an insulating layer 175, a conductive layer 190, and a conductive layer 195 are provided. The insulating layer 110 is provided on the substrate 100. The insulating layer 115 is provided on the insulating layer 110. The conductive layer 165 is provided over the insulating layer 110 and has a region in contact with the insulating layer 115 on a side surface. The insulating layer 117 is provided over the insulating layer 115 and the conductive layer 165. The insulating layer 119 is provided over the insulating layer 117. The oxide insulating layer 121 is provided over the insulating layer 119. The oxide semiconductor layer 122 is provided over the oxide insulating layer 121. The source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 are provided over the oxide semiconductor layer 122 and are electrically connected to the oxide semiconductor layer 122. The insulating layer 175 is formed over the insulating layer 110, the source electrode layer 130, and the drain electrode layer 140, and has regions in contact with side surfaces of the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122. The oxide insulating layer 123 is formed over the oxide semiconductor layer 122. The oxide insulating layer 123 includes a region in contact with the side surface of the insulating layer 175, the side surface of the source electrode layer 130, and the side surface of the drain electrode layer 140. The gate insulating layer 150 is formed over the oxide insulating layer 123. The gate electrode layer is formed on the gate insulating layer. The insulating layer 170 is formed over the gate electrode layer 160, the gate insulating layer 150, the oxide insulating layer 123, and the insulating layer 175. The plug is provided on the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140. The conductive layer 195 is provided over the conductive layer 190. Note that the transistor 10 has the structure 40 described in Embodiment 1.
導電層165は、ボトムゲートとしての機能を有し、ゲート電極層160と電気的に接続することで同電位を与えることもできるし、別電位を与えることもできる。 The conductive layer 165 functions as a bottom gate, and can be supplied with the same potential by being electrically connected to the gate electrode layer 160 or can be supplied with another potential.
例えば、導電層165として、厚さ50nmのタングステンを用いることができる。 For example, as the conductive layer 165, tungsten with a thickness of 50 nm can be used.
なお、トランジスタ10において、絶縁層117はゲート絶縁層150と同様の材料、および同様の機能を有することができる。 Note that in the transistor 10, the insulating layer 117 can have a material and a function similar to those of the gate insulating layer 150.
絶縁層117と、絶縁層119は、組み合わせて用いてもよい。 The insulating layer 117 and the insulating layer 119 may be used in combination.
<酸化物絶縁層について>
なお、酸化物絶縁層(例えば酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123)とは、基本的に絶縁性を有し、ゲート電界又はドレイン電界が強くなった場合に半導体との界面近傍において電流が流れることのできる層をいう。
<Oxide insulating layer>
Note that an oxide insulating layer (e.g., the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123) is basically insulating and has a current in the vicinity of an interface with a semiconductor when a gate electric field or a drain electric field becomes strong. A layer that can flow through.
なお、図9(B)において、酸化物絶縁層123およびゲート絶縁層150の端部は、ゲート電極層160と略同一となっているが、後述するように外側に位置してもよい。また、絶縁層は必要に応じて設ければよく、さらにその上部に他の絶縁層を形成してもよい。また、後述するように、トランジスタ10は、絶縁層110、または基板100と接する領域を有する導電層を有してもよい。当該導電層は、ボトムゲートとしての機能を有する。 Note that in FIG. 9B, the end portions of the oxide insulating layer 123 and the gate insulating layer 150 are substantially the same as the gate electrode layer 160, but may be located outside as described later. The insulating layer may be provided as necessary, and another insulating layer may be formed on the insulating layer. Further, as described later, the transistor 10 may include a conductive layer having a region in contact with the insulating layer 110 or the substrate 100. The conductive layer functions as a bottom gate.
トランジスタ10は、図9(B)B3−B4断面図に示すように、チャネル幅方向において、ゲート電極層160はゲート絶縁層150を介して酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123の側面と対向する。即ち、ゲート電極層160に電圧が印加されると、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123は、チャネル幅方向においてゲート電極層160の電界で囲まれる。ゲート電極層160の電界で半導体層が囲まれるトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。また、トランジスタ10は、セルフアラインでゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を形成することができるため、位置合わせ精度が緩和され、微細なトランジスタを容易に作製することが可能となる。なお、このような構造をセルフアライン s−channel FET(Self Align s−channel FET、SA s−channel FET)構造、またはトレンチゲートs−channel FET(Trech gate s−channel FET)、TGSA FET(Trench Gate Self Align)構造、またはゲートラストs−channel(gate last s−channel FET)と呼ぶ。 9B, the gate electrode layer 160 includes an oxide insulating layer 121, an oxide semiconductor layer 122, and an oxide with a gate insulating layer 150 interposed therebetween in the channel width direction. It faces the side surface of the insulating layer 123. That is, when a voltage is applied to the gate electrode layer 160, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 are surrounded by the electric field of the gate electrode layer 160 in the channel width direction. A transistor structure in which a semiconductor layer is surrounded by an electric field of the gate electrode layer 160 is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure. Further, since the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode of the transistor 10 can be formed by self-alignment, alignment accuracy is relaxed, and a fine transistor can be easily manufactured. Such a structure is a self-aligned s-channel FET (Self Aligned s-channel FET, SA s-channel FET) structure, or a trench gate s-channel FET (Trech gates-channel FET), TGSA FET (Trench Gate). Self Align) structure, or gate last s-channel (gate last s-channel FET).
また、トランジスタ10は、ゲート電極層160とソース電極層130との間の寄生容量、ゲート電極層160とドレイン電極層140との間の寄生容量を低減させることができるため、トランジスタの遮断周波数特性が向上するなど、トランジスタの高速動作が可能となる。 In addition, since the transistor 10 can reduce the parasitic capacitance between the gate electrode layer 160 and the source electrode layer 130 and the parasitic capacitance between the gate electrode layer 160 and the drain electrode layer 140, the cutoff frequency characteristics of the transistor can be reduced. Thus, the transistor can be operated at high speed.
また、上記に述べた構造は、酸化物半導体層122と、ソース電極層130、およびドレイン電極層140とが接するため、トランジスタ10の動作時に酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、および酸化物絶縁層123内に生じる熱に対して、放熱効果が高い特徴を有する。 In the structure described above, the oxide semiconductor layer 122 is in contact with the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140; therefore, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide are in operation during the operation of the transistor 10. The heat dissipation effect is high with respect to heat generated in the insulating layer 123 and the oxide insulating layer 123.
トランジスタ10は、図9(C)A3−A4断面図に示すように、チャネル幅方向において、ゲート電極層160はゲート絶縁層150を介して、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123の側面と対向する。即ち、ゲート電極層160に電圧が印加されると、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123は、チャネル幅方向においてゲート電極層160の電界で囲まれる。ゲート電極層160の電界で半導体層が囲まれるトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。 In the transistor 10, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 9C, the gate electrode layer 160 includes the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide in the channel width direction with the gate insulating layer 150 interposed therebetween. It faces the side surface of the material insulating layer 123. That is, when a voltage is applied to the gate electrode layer 160, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 are surrounded by the electric field of the gate electrode layer 160 in the channel width direction. A transistor structure in which a semiconductor layer is surrounded by an electric field of the gate electrode layer 160 is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure.
ここで、トランジスタ10において、オン状態では酸化物半導体層122の全体(バルク)にチャネルが形成されるため、ソースとドレイン間を流れる電流量が増大する。一方、酸化物半導体層122は広いバンドギャップを有し、酸化物半導体層122を用いたトランジスタ10は蓄積型である。オフ状態において、トランジスタ10はソースとドレイン間を流れる電流量をさらに小さくすることができる。 Here, in the transistor 10, a channel is formed in the whole (bulk) of the oxide semiconductor layer 122 in the on state, so that the amount of current flowing between the source and the drain increases. On the other hand, the oxide semiconductor layer 122 has a wide band gap, and the transistor 10 including the oxide semiconductor layer 122 is a storage type. In the off state, the transistor 10 can further reduce the amount of current flowing between the source and the drain.
<チャネル長について>
なお、トランジスタにおけるチャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
<About channel length>
Note that the channel length in a transistor means, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap or a channel is formed in a top view of the transistor. The distance between a source (source region or source electrode) and a drain (drain region or drain electrode) in a region. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
<チャネル幅について>
チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
<About channel width>
The channel width refers to a length of a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, for example. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
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呼ぶ。)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呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される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、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width). May be different). For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be larger than the ratio of the channel region formed on the upper surface of the semiconductor. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、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。 By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to estimate an effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width when the shape of the semiconductor is not accurately known.
<SCWについて>
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
<About SCW>
Therefore, in this specification, in the top view of a transistor, an apparent channel width in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other may be referred to as “surrounded channel width (SCW)”. In this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by obtaining a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that in the case where the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated and calculated, the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.
<微細化における特性向上>
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮小するとオン電流が低下する。
<Improved characteristics in miniaturization>
Miniaturization of transistors is indispensable for high integration of semiconductor devices. On the other hand, it is known that the electrical characteristics of a transistor deteriorate due to the miniaturization of the transistor, and when the channel width is reduced, the on-current decreases.
例えば、図9に示す本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように、チャネルが形成される酸化物半導体層122を覆うように酸化物絶縁層123が形成されており、チャネル形成領域とゲート絶縁層が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成領域とゲート絶縁層との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。 For example, in the transistor of one embodiment of the present invention illustrated in FIG. 9, as described above, the oxide insulating layer 123 is formed so as to cover the oxide semiconductor layer 122 where a channel is formed. The insulating layer is not in contact. Therefore, carrier scattering generated at the interface between the channel formation region and the gate insulating layer can be suppressed, and the on-state current of the transistor can be increased.
また、本発明の一態様のトランジスタでは、チャネルとなる酸化物半導体層122のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層160が形成されているため、酸化物半導体層122に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層の全体にゲート電界が印加されることとなり、電流は酸化物絶縁層123全体に流れるようになるため、さらにオン電流を高められる。 In the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode layer 160 is formed so as to electrically surround the channel width direction of the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel. In addition to the gate electric field from the vertical direction, a gate electric field from the side surface direction is applied. In other words, a gate electric field is applied to the entire oxide semiconductor layer, and current flows through the entire oxide insulating layer 123, so that the on-state current can be further increased.
また、本発明の一態様のトランジスタは、酸化物絶縁層123を酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、酸化物絶縁層123を中間に位置する層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せて有する。そのため、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定化や、S値(サブスレッショルド値)を小さくすることができる。したがって、Icut(ゲート電圧VGが0V時の電流)を下げることができ、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。 In the transistor of one embodiment of the present invention, the oxide insulating layer 123 is formed over the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 so that an interface state is hardly formed, and the oxide insulating layer 123 is formed. By using a layer located in the middle, there is also an effect of eliminating the influence of mixing impurities from above and below. Therefore, in addition to improving the on-state current of the transistor described above, the threshold voltage can be stabilized and the S value (subthreshold value) can be reduced. Therefore, Icut (current when the gate voltage VG is 0 V) can be reduced, and power consumption can be reduced. In addition, since the threshold voltage of the transistor is stabilized, long-term reliability of the semiconductor device can be improved.
または、本発明の一態様のトランジスタは、チャネルとなる酸化物半導体層122のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層160が形成されているため、酸化物半導体層122に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層122の全体にゲート電界が印加されることとなり、ドレイン電界の影響を抑えることができ、ショートチャネル効果を大幅に抑制することができる。したがって、微細化した場合においても、良好な特性を得ることができる。 Alternatively, in the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode layer 160 is formed so as to electrically surround the channel width direction of the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel. In addition to the gate electric field from the vertical direction, a gate electric field from the side surface direction is applied. That is, a gate electric field is applied to the entire oxide semiconductor layer 122, so that the influence of the drain electric field can be suppressed and the short channel effect can be significantly suppressed. Therefore, good characteristics can be obtained even when miniaturized.
または、本発明の一態様のトランジスタは、チャネルとなる酸化物半導体層122にワイドバンドギャップの材料を有することにより、ソースードレイン耐圧特性が高く、また様々な温度環境において安定した電気特性を有することができる。 Alternatively, the transistor of one embodiment of the present invention has a wide band gap material in the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel, so that the source-drain breakdown voltage characteristics are high and the electric characteristics are stable in various temperature environments. be able to.
なお、本実施の形態において、チャネルなどにおいて、酸化物半導体層などを用いた場合の例を示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。例えば、チャネルやその近傍、ソース領域、ドレイン領域などを、場合によっては、または、状況に応じて、シリコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体、などを有する材料で形成してもよい。 Note that although an example in which an oxide semiconductor layer or the like is used for a channel or the like is described in this embodiment, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, the channel, the vicinity thereof, the source region, the drain region, etc., depending on the case or depending on the situation, silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide , Gallium nitride, organic semiconductor, or the like.
<トランジスタの構成>
以下に本実施の形態のトランジスタの構成について示す。なお、実施の形態1と説明が重複する部分については、その説明を援用する。
<Structure of transistor>
The structure of the transistor in this embodiment is described below. In addition, about the part which description overlaps with Embodiment 1, the description is used.
《絶縁層117》
絶縁層117には、酸素、窒素、フッ素、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層117は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁層117に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。
<< Insulating layer 117 >>
The insulating layer 117 includes oxygen, nitrogen, fluorine, aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr), and lanthanum (La ), Neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. For example, aluminum oxide (AlOx), magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride oxide (SiNxOy), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), germanium oxide (GeOx) ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), and tantalum oxide (TaOx). The insulating layer 117 may be a stacked layer of the above materials. Note that the insulating layer 117 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as an impurity.
また、絶縁層117の積層構造の一例について説明する。絶縁層117は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。 An example of a stacked structure of the insulating layer 117 is described. The insulating layer 117 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.
例えば、絶縁層117として、酸化シリコン10nm、酸化ハフニウム20nm、酸化シリコン30nmの積層膜を用いることができる。 For example, a stacked film of silicon oxide 10 nm, hafnium oxide 20 nm, and silicon oxide 30 nm can be used as the insulating layer 117.
《絶縁層119》
絶縁層119には、酸素、窒素、フッ素、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層119は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁層119に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。
<< Insulating layer 119 >>
The insulating layer 119 includes oxygen, nitrogen, fluorine, aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr), and lanthanum (La ), Neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. For example, aluminum oxide (AlOx), magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride oxide (SiNxOy), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), germanium oxide (GeOx) ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), and tantalum oxide (TaOx). The insulating layer 119 may be a stack of the above materials. Note that the insulating layer 119 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as impurities.
また、絶縁層119の積層構造の一例について説明する。絶縁層119は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。 An example of a stacked structure of the insulating layer 119 will be described. The insulating layer 119 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.
なお、絶縁層119は、絶縁層117が組み合わせて用いもよいし、用いなくてもよい。 Note that the insulating layer 119 may be used in combination with the insulating layer 117 or may not be used.
《酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123》
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123は、In若しくはZnを含む酸化物半導体膜であり、代表的には、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−Mg酸化物、Zn−Mg酸化物、In−M−Zn酸化物(MはGa、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)がある。
<< Oxide insulating layer 121, oxide semiconductor layer 122, oxide insulating layer 123 >>
The oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 are oxide semiconductor films containing In or Zn, and are typically In—Ga oxide, In—Zn oxide, In— There are Mg oxide, Zn-Mg oxide, and In-M-Zn oxide (M is Ga, Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd).
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123として用いることのできる酸化物は、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体層を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。 An oxide that can be used as the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). Or it is preferable that both In and Zn are included. In addition, in order to reduce variation in electric characteristics of a transistor including the oxide semiconductor layer, a stabilizer is preferably included together with the transistor.
スタビライザーとしては、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等がある。 Examples of the stabilizer include gallium (Ga), tin (Sn), hafnium (Hf), aluminum (Al), and zirconium (Zr). Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb). ), Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), and the like.
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123中のインジウムやガリウムなどの含有量は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)や、X線電子分光法(XPS)、ICP質量分析(ICP−MS)で比較できる。 Content of indium, gallium, or the like in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 is determined by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) or X-ray electron spectroscopy ( XPS) and ICP mass spectrometry (ICP-MS).
酸化物半導体層122は、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上であるため、トランジスタ10のオフ電流を低減することができる。 Since the oxide semiconductor layer 122 has an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more, the off-state current of the transistor 10 can be reduced.
酸化物半導体層122の厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上50nm以下とする。 The thickness of the oxide semiconductor layer 122 is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 3 nm to 50 nm.
なお、酸化物半導体層122の厚さは、少なくとも酸化物絶縁層121と比較して、薄く形成してもよいし、同じとしてもよいし、厚く形成してもよい。たとえば、酸化物半導体層122を厚くした場合、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、酸化物絶縁層121は、酸化物半導体層122の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、酸化物半導体層122の厚さは、酸化物絶縁層121の厚さに対して、1倍よりも大きく、または2倍以上、または4倍以上、または6倍以上とすることができる。また、トランジスタのオン電流を高める必要のない場合には、酸化物絶縁層121の厚さを酸化物半導体層122の厚さ以上としてもよい。例えば、絶縁層110、あるいは絶縁層180に酸素を添加した場合、加熱処理により、酸化物半導体層122に含まれる酸素欠損量を低減することができ、半導体装置の電気特性を安定させることができる。 Note that the oxide semiconductor layer 122 may be formed thinner, the same, or thicker than at least the oxide insulating layer 121. For example, when the oxide semiconductor layer 122 is thick, the on-state current of the transistor can be increased. The oxide insulating layer 121 may have a thickness that does not lose the effect of suppressing the generation of interface states of the oxide semiconductor layer 122. For example, the thickness of the oxide semiconductor layer 122 can be greater than 1 time, 2 times or more, 4 times or more, or 6 times or more with respect to the thickness of the oxide insulating layer 121. In the case where it is not necessary to increase the on-state current of the transistor, the thickness of the oxide insulating layer 121 may be greater than or equal to the thickness of the oxide semiconductor layer 122. For example, when oxygen is added to the insulating layer 110 or the insulating layer 180, the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced by heat treatment, and the electrical characteristics of the semiconductor device can be stabilized. .
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123、それぞれの組成が異なる場合、界面は、走査型透過電子顕微鏡STEM(Scanning Transmission Electron Microscope)を用いて観察することができる場合がある。 In the case where the compositions of the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 are different from each other, the interface can be observed using a scanning transmission electron microscope STEM (Scanning Transmission Electron Microscope). There is.
また、酸化物半導体層122は、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123よりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体層では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、InがMよりも多い組成となる酸化物はInがMと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層122にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、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。 The oxide semiconductor layer 122 preferably has a higher indium content than the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123. In the oxide semiconductor layer, s orbitals of heavy metals mainly contribute to carrier conduction, and by increasing the In content, more s orbitals overlap, so an oxide having a composition with more In than M is obtained. The mobility is higher than that of an oxide having a composition in which In is equal to or less than M. Therefore, by using an oxide containing a large amount of indium for the oxide semiconductor layer 122, a transistor with high field-effect mobility can be realized.
また、酸化物半導体層122がIn−M−Zn酸化物(MはGa、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、酸化物半導体層122を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x1/(x1+y1+z1)は、1/3以上とすることが好ましい。また、x1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z1/y1を1以上6以下とすることが好ましい。これにより、酸化物半導体層122としてCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、2:1:1.5、2:1:2.3、2:1:3、3:1:2、4:2:3、4:2:4.1等がある。 In the case where the oxide semiconductor layer 122 is an In-M-Zn oxide (M is Ga, Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the oxide semiconductor layer In the target used for depositing 122, if the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x1: y1: z1, x1 / (x1 + y1 + z1) is preferably 1/3 or more. Further, x1 / y1 is 1/3 or more and 6 or less, more preferably 1 or more and 6 or less, and z1 / y1 is preferably 1/3 or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. In addition, it is preferable that z1 / y1 is 1 or more and 6 or less. Accordingly, a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film is easily formed as the oxide semiconductor layer 122. As typical examples of the atomic ratio of the target metal element, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, 2: 1: 1.5, 2: 1: 2.3, 2: 1: 3, 3: 1: 2, 4: 2: 3, 4: 2: 4.1, and the like.
酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123として、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、またはNdを、Inより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。(1)酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122および酸化物絶縁層123のエネルギーギャップを大きくする。(2)酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123の電子親和力を小さくする。(3)外部からの不純物を遮蔽する。(4)酸化物半導体層122と比較して、絶縁性が高くなる。(5)Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、またはNdは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、またはNdをInより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。 By having Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, or Nd as the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 at a higher atomic ratio than In, the following effects can be obtained. May have. (1) The energy gap between the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 is increased. (2) The electron affinity of the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 is reduced. (3) Shield impurities from the outside. (4) Compared with the oxide semiconductor layer 122, the insulating property is increased. (5) Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, Hf, or Nd is a metal element having a strong binding force with oxygen, so Al, Ti, Ga, Y, Zr, By having Sn, La, Ce, Mg, Hf, or Nd at a higher atomic ratio than In, oxygen vacancies are less likely to occur.
また、酸化物絶縁層121、および酸化物絶縁層123は、酸化物半導体層122を構成する元素の一種以上から構成される酸化物である。このため、酸化物半導体層122と酸化物絶縁層121、および酸化物絶縁層123との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタ10の電界効果移動度が高くなる。 The oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 are oxides formed from one or more elements included in the oxide semiconductor layer 122. Therefore, interface scattering hardly occurs at the interface between the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 121, and the oxide insulating layer 123. Accordingly, the movement of carriers is not inhibited at the interface, so that the field effect mobility of the transistor 10 is increased.
酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123は、代表的には、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−Mg酸化物、Ga−Zn酸化物、Zn−Mg酸化物、In−M−Zn酸化物(MはGa、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)であり、且つ酸化物半導体層122よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123の伝導帯下端のエネルギーと、酸化物半導体層122の伝導帯下端のエネルギーとの差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。即ち、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123の電子親和力と、酸化物半導体層122との電子親和力との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差を示す。 The oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 typically include an In—Ga oxide, an In—Zn oxide, an In—Mg oxide, a Ga—Zn oxide, a Zn—Mg oxide, an In— M-Zn oxide (M is Ga, Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd) and the energy level at the lower end of the conduction band than the oxide semiconductor layer 122 The difference between the energy at the lower end of the conduction band of the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 and the energy at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor layer 122 is typically 0. 05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.2 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 and the electron affinity of the oxide semiconductor layer 122 is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0. 2 eV or more, 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. The electron affinity indicates the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.
また、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123がIn−M−Zn酸化物(MはGa、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、酸化物半導体層122と比較して、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123に含まれるM(Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、またはNd)の原子数比が高く、前述のMで表した元素はインジウムよりも酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123に生じることを抑制する機能を有する。即ち、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123は酸化物半導体層122よりも酸素欠損が生じにくい酸化物半導体膜である。 In addition, the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 are made of In-M-Zn oxide (M is Ga, Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd). In this case, M (Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, or Nd) contained in the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 is used as compared with the oxide semiconductor layer 122. Since the atomic ratio is high and the element represented by M is more strongly bonded to oxygen than indium, it has a function of suppressing generation of oxygen vacancies in the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123. That is, the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 are oxide semiconductor films in which oxygen vacancies are less likely to occur than in the oxide semiconductor layer 122.
また、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123がIn−M−Zn酸化物(MはGa、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x2:y2:z2とすると、x2/y2<x1/y1であって、z2/y2は、1/10以上6以下、さらには0.2以上3以下であることが好ましい。 In addition, the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 are made of In-M-Zn oxide (M is Ga, Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd). In the case where the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x2: y2: z2 in the target used for forming the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123, x2 / y2 <x1 / y1 and z2 / y2 is preferably 1/10 or more and 6 or less, more preferably 0.2 or more and 3 or less.
また、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123は、酸化物半導体層122と比較して絶縁性が高いため、ゲート絶縁層と同様の機能を有する。 The oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 have a function similar to that of the gate insulating layer because they have higher insulating properties than the oxide semiconductor layer 122.
また、酸化物絶縁層123は、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化ゲルマニウム、または酸化ジルコニアに置き換えることもできるし、酸化物絶縁層123上に当該金属酸化物を有することもできる。 The oxide insulating layer 123 can be replaced with a metal oxide such as aluminum oxide, gallium oxide, hafnium oxide, silicon oxide, germanium oxide, or zirconia oxide, or the metal oxide can be formed over the oxide insulating layer 123. Can also be included.
また、酸化物絶縁層123は、酸化物半導体層122の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、酸化物絶縁層121と同等またはそれ以下の厚さとすればよい。酸化物絶縁層123が厚いと、ゲート電極層160による電界が酸化物半導体層122に届きにくくなる恐れがあるため、酸化物絶縁層123は薄く形成することが好ましい。また、酸化物絶縁層123に含まれる酸素がソース電極層130、ドレイン電極層140に拡散し、ソース電極層130、ドレイン電極層140が酸化するのを防ぐため、酸化物絶縁層123の膜厚は薄い方が好ましい。例えば、酸化物絶縁層123は酸化物半導体層122の厚さよりも薄くすればよい。なお、これに限られず、酸化物絶縁層123の厚さはゲート絶縁層150の耐圧を考慮して、トランジスタを駆動させる電圧に応じて適宜設定すればよい。 The oxide insulating layer 123 may have a thickness that does not lose the effect of suppressing the generation of interface states of the oxide semiconductor layer 122. For example, the thickness may be equal to or less than that of the oxide insulating layer 121. When the oxide insulating layer 123 is thick, an electric field generated by the gate electrode layer 160 may not easily reach the oxide semiconductor layer 122; therefore, the oxide insulating layer 123 is preferably formed thin. In addition, in order to prevent oxygen contained in the oxide insulating layer 123 from diffusing into the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 and oxidizing the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140, the thickness of the oxide insulating layer 123 is reduced. Is preferably thinner. For example, the oxide insulating layer 123 may be thinner than the oxide semiconductor layer 122. Note that the thickness of the oxide insulating layer 123 is not limited to this, and may be set as appropriate depending on the voltage for driving the transistor in consideration of the withstand voltage of the gate insulating layer 150.
例えば、酸化物絶縁層123の厚さは、1nm以上20nm以下、または3nm以上10nm以下とすることが好ましい。 For example, the thickness of the oxide insulating layer 123 is preferably 1 nm to 20 nm, or 3 nm to 10 nm.
また、酸化物絶縁層123がIn−M−Zn酸化物(MはGa、Al、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x3:y3:z3とすると、x3/y3<x1/y1であって、z3/y3は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z2/y2を1以上6以下とすることで、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:3:8、1:4:4、1:4:5、1:4:6、1:4:7、1:4:8、1:5:5、1:5:6、1:5:7、1:5:8、1:6:8、1:6:4、1:9:6等がある。なお、原子数比はこれらに限られず、必要とする半導体特性に応じて適切な原子数比のものを用いればよい。 In the case where the oxide insulating layer 123 is an In-M-Zn oxide (M is Ga, Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the oxide insulating layer 121, in the target used to form the oxide insulating layer 123, if the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x3: y3: z3, x3 / y3 <x1 / y1 and z3 / Y3 is preferably 1/3 or more and 6 or less, more preferably 1 or more and 6 or less. Note that by setting z2 / y2 to 1 to 6, a CAAC-OS film can be easily formed as the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123. As typical examples of the atomic ratio of the target metal element, In: M: Zn = 1: 3: 2, 1: 3: 4, 1: 3: 6, 1: 3: 8, 1: 4: 4, 1: 4: 5, 1: 4: 6, 1: 4: 7, 1: 4: 8, 1: 5: 5, 1: 5: 6, 1: 5: 7, 1: 5: 8, 1: 6: 8, 1: 6: 4, 1: 9: 6, etc. Note that the atomic ratio is not limited thereto, and an atomic ratio appropriate to the required semiconductor characteristics may be used.
また、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。 Further, the atomic ratios of the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 each include a variation of plus or minus 40% of the above atomic ratio as an error.
例えば、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を成膜する場合、成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1を用いて成膜すると、酸化物半導体膜の金属元素の原子数比はIn:Ga:Zn=1:1:0.6程度となり、亜鉛の原子数比が同一あるいは低下する場合がある。したがって、原子数比を記載した場合には、該原子数比の近傍を包含する。 For example, in the case where an oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 is formed, the atomic ratio of metal elements is formed using In: Ga: Zn = 1: 1: 1 in the target used for forming the film. When formed, the atomic ratio of metal elements in the oxide semiconductor film is approximately In: Ga: Zn = 1: 1: 0.6, and the atomic ratio of zinc may be the same or may be decreased. Therefore, when the atomic ratio is described, the vicinity of the atomic ratio is included.
<水素濃度について>
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、水素が含まれている酸化物半導体層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。
<About hydrogen concentration>
Hydrogen contained in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, and at the same time, a lattice from which oxygen is released (or oxygen is desorbed). Oxygen deficiency is formed in the separated part). When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In some cases, a part of hydrogen is bonded to oxygen bonded to a metal atom, so that an electron serving as a carrier is generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor layer containing hydrogen is likely to be normally on.
このため、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面において、酸素欠損と共に、水素ができる限り低減されていることが好ましい。例えば、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面において二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度は、1×1016atoms/cm3以上2×1020atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3以上5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1016atoms/cm3以上1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有することができる。 Therefore, it is preferable that hydrogen be reduced as much as possible along with oxygen vacancies in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and the interfaces between them. For example, the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and each interface is 1 × 10 16. atoms / cm 3 to 2 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 5 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 1 × It is desirable that it is 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. As a result, the transistor 10 can have electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive.
<炭素、シリコン濃度について>
また、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123において酸素欠損が増加し、n型領域が形成されてしまう。このため、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面におけるシリコン、および炭素濃度は、低減することが望ましい。例えば、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られるシリコンや炭素の濃度は、1×1016atoms/cm3以上1×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3以上2×1018atoms/cm3以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。
<About carbon and silicon concentration>
Further, when silicon or carbon which is one of Group 14 elements is included in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and their interfaces, the oxide insulating layer 121, the oxide In the physical semiconductor layer 122 and the oxide insulating layer 123, oxygen vacancies increase and an n-type region is formed. For this reason, it is desirable to reduce the silicon and carbon concentrations in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and their interfaces. For example, the concentration of silicon or carbon obtained by SIMS at the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, the oxide insulating layer 123, and their interfaces is 1 × 10 16 atoms / cm 3. 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less. It is desirable to set it to cm 3 or less. As a result, the transistor 10 has electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive.
<アルカリ金属の濃度について>
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体層と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。たとえば、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面において、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下とすることが望ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有することができる。
<Concentration of alkali metal>
Further, when alkali metal and alkaline earth metal are combined with the oxide semiconductor layer, carriers may be generated, which may increase off-state current of the transistor. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of the alkali metal or the alkaline earth metal in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and each interface thereof. For example, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal obtained by secondary ion mass spectrometry at the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and each interface is set to 1 × 10 18. atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. Thus, the transistor 10 can have electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive.
<窒素濃度について>
また、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびそれぞれの界面に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型領域が形成されてしまう。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体層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。したがって、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123およびそれぞれの界面において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、酸化物絶縁層123およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られる窒素濃度は、1×1015atoms/cm3以上5×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1015atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1015atoms/cm3以上1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm3以上5×1017atoms/cm3以下にすることが好ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有することができる。
<About nitrogen concentration>
In addition, when nitrogen is contained in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and their interfaces, electrons that are carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type region is increased. Will be formed. As a result, a transistor including an oxide semiconductor layer containing nitrogen is likely to be normally on. Therefore, nitrogen is preferably reduced as much as possible at the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and the interfaces between them, for example, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the like. The nitrogen concentration obtained by SIMS at the oxide insulating layer 123, the oxide insulating layer 123, and each interface is 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15. atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and further preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less is preferable. Thus, the transistor 10 can have electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive.
ただし、酸化物半導体層122中に余剰の亜鉛を有する場合には、この限りではない。余剰の亜鉛は、酸化物半導体層122中に酸素欠損を形成する恐れがある。そのため、余剰亜鉛を有する場合には、酸化物半導体層122中に0.001乃至3atomic%の窒素を有することにより、余剰亜鉛に起因した酸素欠損を不活化することができる場合がある。したがって、当該窒素によりトランジスタの特性バラつきが解消され、信頼性を向上させることができる。 Note that this is not the case when the oxide semiconductor layer 122 includes excess zinc. Excess zinc may form oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122. Therefore, in the case where surplus zinc is contained, oxygen vacancies due to surplus zinc may be inactivated by including 0.001 to 3 atomic% of nitrogen in the oxide semiconductor layer 122 in some cases. Therefore, the characteristic variation of the transistor is eliminated by the nitrogen, and reliability can be improved.
<キャリア密度について>
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123の不純物を低減することで、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123のキャリア密度を低減することができる。このため、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、キャリア密度が1×1015個/cm3以下、好ましくは1×1013個/cm3以下、さらに好ましくは8×1011個/cm3未満、より好ましくは1×1011個/cm3未満、最も好ましくは1×1010個/cm3未満であり、1×10−9個/cm3以上とする。
<About carrier density>
By reducing impurities in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123, the carrier density in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 is reduced. be able to. Therefore, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 have a carrier density of 1 × 10 15 pieces / cm 3 or less, preferably 1 × 10 13 pieces / cm 3 or less, more preferably Is less than 8 × 10 11 pieces / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 11 pieces / cm 3 , most preferably less than 1 × 10 10 pieces / cm 3 , and 1 × 10 −9 pieces / cm 3 or more. To do.
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123として、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。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層は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)になりやすい。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膜は、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。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膜は、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。 By using an oxide semiconductor film with a low impurity concentration and a low density of defect states as the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123, a transistor having more excellent electrical characteristics is manufactured. can do. Here, low impurity concentration and low defect level density (low oxygen deficiency) are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor layer has few carrier generation sources, and thus may have a low carrier density. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor film easily has electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive. In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, and thus may have a low density of trap states. In addition, an oxide semiconductor film that is highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic has an extremely low off-state current, and the off-state current is low when the voltage between the source electrode and the drain electrode (drain voltage) ranges from 1 V to 10 V. It is possible to obtain characteristics that are less than the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, 1 × 10 −13 A or less. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor film has a small variation in electrical characteristics and may be a highly reliable transistor.
また、上述のように高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1V、5V、または、10V程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数yA/μm乃至数zA/μmにまで低減することが可能となる。 In addition, the off-state current of the transistor in which the oxide semiconductor film purified as described above is used for a channel formation region is extremely small. For example, when the voltage between the source and the drain is about 0.1 V, 5 V, or 10 V, the off-current normalized by the channel width of the transistor is reduced to several yA / μm to several zA / μm. It becomes possible.
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。 For example, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 may have a non-single-crystal structure. The non-single-crystal structure includes, for example, a CAAC-OS, a polycrystalline structure, a microcrystalline structure, or an amorphous structure which will be described later. In the non-single-crystal structure, the amorphous structure has the highest density of defect states, and the CAAC-OS has the lowest density of defect states.
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、例えば微結晶構造でもよい。微結晶構造の酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶を膜中に含む。または、微結晶構造の酸化物膜および酸化物半導体膜は、例えば、非晶質相に1nm以上10nm未満の結晶部を有する混相構造である。 The oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 may have a microcrystalline structure, for example. The oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 having a microcrystalline structure include microcrystals with a size of greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example. Alternatively, the oxide film and the oxide semiconductor film having a microcrystalline structure have a mixed phase structure in which an amorphous phase has a crystal part of 1 nm to less than 10 nm, for example.
酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。 The oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 may have an amorphous structure, for example. The oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 having an amorphous structure have, for example, disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, an amorphous oxide film has, for example, a completely amorphous structure and does not have a crystal part.
なお、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123が、CAAC−OS、微結晶構造、および非晶質構造の二以上の構造の領域を有する混合膜であってもよい。混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、CAAC−OSの領域と、を有する単層構造がある。または、混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、CAAC−OSの領域と、の積層構造がある。 Note that the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 may be a mixed film including a region having two or more structures of a CAAC-OS, a microcrystalline structure, and an amorphous structure. Good. As the mixed film, for example, there is a single layer structure including an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, and a CAAC-OS region. Alternatively, the mixed film can be a stacked structure of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, and a CAAC-OS region, for example.
なお、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、および酸化物絶縁層123は、例えば、単結晶構造を有してもよい。 Note that the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 may have a single crystal structure, for example.
酸化物半導体層122と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物絶縁層を酸化物半導体層122の上下に接して設けることで、酸化物半導体層122における酸素欠損を低減することができる。また、酸化物半導体層122は、酸化物半導体層122を構成する金属元素の一以上を有する酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123と接するため、酸化物絶縁層121と酸化物半導体層122との界面、酸化物半導体層122と酸化物絶縁層123との界面における界面準位密度が極めて低い。例えば、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123、ゲート絶縁層150、絶縁層110、絶縁層180に酸素を添加した後、加熱処理を行うことで該酸素が酸化物絶縁層121および酸化物絶縁層123を経由して酸化物半導体層122へ酸素が移動するが、このときに界面準位において酸素が捕獲されにくく、効率よく酸化物絶縁層121または酸化物絶縁層123に含まれる酸素を酸化物半導体層122へ移動させることが可能である。この結果、酸化物半導体層122に含まれる酸素欠損を低減することが可能である。また、酸化物絶縁層121または酸化物絶縁層123にも酸素が添加されるため、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123の酸素欠損を低減することが可能である。即ち、少なくとも酸化物半導体層122の局在準位密度を低減することができる。 By providing oxide insulating layers that are less likely to cause oxygen vacancies than the oxide semiconductor layer 122 in contact with the upper and lower portions of the oxide semiconductor layer 122, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. The oxide semiconductor layer 122 is in contact with the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 each including one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122; thus, the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 And the interface state density at the interface between the oxide semiconductor layer 122 and the oxide insulating layer 123 are extremely low. For example, after oxygen is added to the oxide insulating layer 121, the oxide insulating layer 123, the gate insulating layer 150, the insulating layer 110, and the insulating layer 180, heat treatment is performed so that the oxygen is converted into the oxide insulating layer 121 and the oxide layer. Oxygen moves to the oxide semiconductor layer 122 through the insulating layer 123. At this time, oxygen is hardly trapped at the interface state, and oxygen contained in the oxide insulating layer 121 or the oxide insulating layer 123 is efficiently absorbed. The oxide semiconductor layer 122 can be moved. As a result, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. In addition, oxygen is added to the oxide insulating layer 121 or the oxide insulating layer 123; therefore, oxygen vacancies in the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 can be reduced. That is, at least the local state density of the oxide semiconductor layer 122 can be reduced.
また、酸化物半導体層122が、構成元素の異なる絶縁膜(例えば、酸化シリコン膜を含むゲート絶縁層)と接する場合、界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第2のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含む酸化物絶縁層121および酸化物絶縁層123が酸化物半導体層122と接するため、酸化物絶縁層121と酸化物半導体層122の界面、および酸化物絶縁層123と酸化物半導体層122の界面に界面準位を形成しにくくなる。 In addition, when the oxide semiconductor layer 122 is in contact with an insulating film having a different constituent element (eg, a gate insulating layer including a silicon oxide film), an interface state is formed, and the interface state may form a channel. . In such a case, a second transistor having a different threshold voltage appears, and the apparent threshold voltage of the transistor may fluctuate. However, since the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 containing one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122 are in contact with the oxide semiconductor layer 122, the interface between the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 is used. In addition, it is difficult to form an interface state at the interface between the oxide insulating layer 123 and the oxide semiconductor layer 122.
また、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123は、それぞれ絶縁層110、ゲート絶縁層150の構成元素が酸化物半導体層122へ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するためのバリア膜としても機能する。 In addition, the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 suppress formation of levels due to impurities due to entry of constituent elements of the insulating layer 110 and the gate insulating layer 150 into the oxide semiconductor layer 122, respectively. It also functions as a barrier film.
例えば、絶縁層110、またはゲート絶縁層150として、シリコンを含む絶縁膜を用いる場合、ゲート絶縁層150中のシリコン、または絶縁層110と、ゲート絶縁層150中に混入されうる炭素が、酸化物絶縁層121または酸化物絶縁層123の中へ界面から数nm程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層122中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生成することでn型化することがある。 For example, in the case where an insulating film containing silicon is used as the insulating layer 110 or the gate insulating layer 150, silicon in the gate insulating layer 150 or carbon that can be mixed into the gate insulating layer 150 is an oxide. The insulating layer 121 or the oxide insulating layer 123 may be mixed into the insulating layer 121 or the oxide insulating layer 123 from the interface to about several nm. When an impurity such as silicon or carbon enters the oxide semiconductor layer 122, an impurity level is formed, and the impurity level may serve as a donor to generate an n-type impurity.
しかしながら、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123の膜厚が、数nmよりも厚ければ、混入したシリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層122にまで到達しないため、不純物準位の影響は低減される。 However, if the thickness of the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 is larger than several nm, mixed impurities such as silicon and carbon do not reach the oxide semiconductor layer 122; The impact is reduced.
よって、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。 Thus, by providing the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123, variation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.
また、ゲート絶縁層150と酸化物半導体層122が接して、その界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。しかしながら、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含む酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123が酸化物半導体層122に接して設けられるため、酸化物半導体層122と酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123との界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。 Further, in the case where a channel is formed at the interface between the gate insulating layer 150 and the oxide semiconductor layer 122, interface scattering occurs at the interface, and the field-effect mobility of the transistor is reduced. However, since the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 containing one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122 are provided in contact with the oxide semiconductor layer 122, the oxide semiconductor layer 122 and the oxide insulating layer 121, carrier scattering hardly occurs at the interface with the oxide insulating layer 123, and the field-effect mobility of the transistor can be increased.
本実施の形態においては、酸化物半導体層122の酸素欠損量、さらには酸化物半導体層122に接する酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123の酸素欠損量を低減することが可能であり、酸化物半導体層122の局在準位密度を低減することができる。この結果、本実施の形態に示すトランジスタ10は、しきい値電圧の変動が少なく、信頼性が高い特性を有することができる。また、本実施の形態に示すトランジスタ10は優れた電気特性を有する。 In this embodiment, the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 and the amount of oxygen vacancies in the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 in contact with the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. The localized state density of the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. As a result, the transistor 10 described in this embodiment can have high reliability with little variation in threshold voltage. In addition, the transistor 10 described in this embodiment has excellent electrical characteristics.
なお、トランジスタのゲート絶縁層としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジスタのようにゲート絶縁層と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート絶縁層と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁層から離すことが好ましいといえる。 Note that an insulating film containing silicon is often used as the gate insulating layer of the transistor; therefore, a region serving as a channel of the oxide semiconductor layer is in contact with the gate insulating layer as in the transistor of one embodiment of the present invention for the above reasons. It can be said that the structure which does not do is preferable. In addition, in the case where a channel is formed at the interface between the gate insulating layer and the oxide semiconductor layer, carrier scattering occurs at the interface, and the field-effect mobility of the transistor may be reduced. From this point of view, it can be said that the region serving as a channel of the oxide semiconductor layer is preferably separated from the gate insulating layer.
したがって、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123の積層構造とすることで、酸化物半導体層122にチャネルを形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。 Therefore, by using the stacked structure of the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123, a channel can be formed in the oxide semiconductor layer 122, and high field-effect mobility and stable electricity can be obtained. A transistor having characteristics can be formed.
なお、酸化物半導体層は必ずしも3層にする必要はなく、単層、2層、4層、さらには5層以上の構成としてもよい。単層とする場合、本実施の形態に示す、酸化物半導体層122に相当する層を用いればよい。 Note that the oxide semiconductor layer is not necessarily provided in three layers, and may have a structure of a single layer, two layers, four layers, or five layers or more. In the case of a single layer, a layer corresponding to the oxide semiconductor layer 122 described in this embodiment may be used.
<バンド図>
ここで、バンド図について説明する。バンド図は、理解を容易にするためゲート絶縁層150、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123、およびゲート絶縁層150の伝導帯下端のエネルギー(Ec)を示す。
<Band diagram>
Here, a band diagram will be described. The band diagram shows energy (Ec) at the lower end of the conduction band of the gate insulating layer 150, the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the oxide insulating layer 123, and the gate insulating layer 150 for easy understanding.
図10(A)、図10(B)に示すように、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123において、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123を構成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123は組成が異なる膜の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。 As shown in FIGS. 10A and 10B, the energy at the lower end of the conduction band in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 changes continuously. This can be understood from the fact that oxygen is easily diffused to each other because the elements included in the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 are common. Therefore, although the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 are stacked bodies having different compositions, it can also be said that they are physically continuous.
主成分を共通として積層された酸化物半導体膜は、各層を単に積層するのではなく連続接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するU字型の井戸(U Shape Well)構造)が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された多層膜の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。 The oxide semiconductor films stacked with the main component in common are not simply stacked layers, but a continuous junction (here, in particular, a U-shaped well (U-shaped well in which the energy at the bottom of the conduction band changes continuously between the layers) (Shape Well) structure) is formed. That is, the stacked structure is formed so that there is no impurity that forms a defect level such as a trap center or a recombination center at the interface of each layer. If impurities are mixed between the laminated multilayer films, the continuity of the energy band is lost and carriers disappear at the interface by trapping or recombination.
なお、図10(B)では、酸化物半導体層122のEcが同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。なお、酸化物絶縁層121と、酸化物絶縁層123のEcについても同様である。 Note that although FIG. 10B illustrates the case where the oxide semiconductor layer 122 has the same Ec, the oxide semiconductor layer 122 may be different from each other. Note that the same applies to Ec of the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123.
図10(B)より、酸化物半導体層122がウェル(井戸)となり、トランジスタ10において、チャネルが酸化物半導体層122に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体層122を底として伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化するU字型の井戸構造のチャネルを埋め込みチャネルということもできる。 FIG. 10B shows that the oxide semiconductor layer 122 serves as a well, and a channel is formed in the oxide semiconductor layer 122 in the transistor 10. Note that a channel having a U-shaped well structure in which the energy at the lower end of the conduction band continuously changes with the oxide semiconductor layer 122 as a bottom can also be referred to as a buried channel.
なお、酸化物半導体層122と、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。そこで、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123があることにより、酸化物半導体層122と当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、酸化物絶縁層121、または酸化物絶縁層123のEcと、酸化物半導体層122のEcとのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層122の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。マイナスの電荷となる電子がトラップ準位に捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。さらに、トランジスタの長期保存試験において、トラップが固定化されず、特性への変動を起こす懸念がある。 Note that trap levels due to impurities and defects can be formed in the vicinity of the interface between the oxide semiconductor layer 122 and an insulating film such as a silicon oxide film. Thus, with the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123, the oxide semiconductor layer 122 and the trap level can be kept away from each other. Note that in the case where the energy difference between the Ec of the oxide insulating layer 121 or the oxide insulating layer 123 and the Ec of the oxide semiconductor layer 122 is small, electrons in the oxide semiconductor layer 122 exceed the energy difference and trap levels. May reach. When electrons that become negative charges are trapped in the trap level, negative fixed charges are generated at the interface of the insulating film, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. Furthermore, in the long-term storage test of the transistor, there is a concern that the trap is not fixed and the characteristics may be changed.
したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、酸化物絶縁層121、および酸化物絶縁層123のEcと、酸化物半導体層122との間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、0.1eV以上が好ましく、0.2eV以上がより好ましい。 Therefore, in order to reduce variation in threshold voltage of the transistor, it is necessary to provide an energy difference between the oxide insulating layer 121 and the Ec of the oxide insulating layer 123 and the oxide semiconductor layer 122. . Each energy difference is preferably 0.1 eV or more, and more preferably 0.2 eV or more.
なお、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123には、結晶部が含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 Note that the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123 preferably include a crystal part. In particular, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor by using crystals oriented in the c-axis.
また、図10(B)に示すようなバンド図において、酸化物絶縁層123を設けず、酸化物絶縁層123とゲート絶縁層150の間にIn−Ga酸化物(たとえば、原子数比がIn:Ga=7:93のIn−Ga酸化物)を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムなどを用いてもよい。また、酸化物絶縁層123が有した状態で酸化物絶縁層123とゲート絶縁層150の間にIn−Ga酸化物を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムなどを設けてもよい。 In the band diagram shown in FIG. 10B, the oxide insulating layer 123 is not provided, and an In—Ga oxide (eg, an atomic ratio of In is between the oxide insulating layer 123 and the gate insulating layer 150). : In = Ga oxide of Ga = 7: 93) or gallium oxide or the like may be used. In addition, an In—Ga oxide may be provided between the oxide insulating layer 123 and the gate insulating layer 150 in the state where the oxide insulating layer 123 is provided, or gallium oxide or the like may be provided.
酸化物半導体層122は、酸化物絶縁層121、および酸化物絶縁層123よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体層122として、酸化物絶縁層121および酸化物絶縁層123よりも電子親和力が0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.2eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いることができる。 As the oxide semiconductor layer 122, an oxide having an electron affinity higher than that of the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 is used. For example, the oxide semiconductor layer 122 has an electron affinity of 0.07 eV to 1.3 eV, preferably 0.1 eV to 0.7 eV, more preferably 0. An oxide that is greater than or equal to 2 eV and less than or equal to 0.4 eV can be used.
本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含んでいる、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123を有しているため、酸化物絶縁層121と酸化物半導体層122との界面、および酸化物絶縁層123と酸化物半導体層122との界面に界面準位を形成しにくくなる。よって、酸化物絶縁層121、酸化物絶縁層123を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきや変動を低減することができる。 The transistor described in this embodiment includes the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123 which include one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122; It is difficult to form interface states at the interface with the oxide semiconductor layer 122 and at the interface between the oxide insulating layer 123 and the oxide semiconductor layer 122. Thus, by providing the oxide insulating layer 121 and the oxide insulating layer 123, variation or fluctuation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.
《ソース電極層130、ドレイン電極層140》
ソース電極層130、ドレイン電極層140には、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)などの材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする酸素、窒素、フッ素、シリコン、などの化合物を含む導電層の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、積層する場合に、酸化物半導体層122と接触する下側の導電層は酸素と結合しやすい材料を有し、上側の導電層には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。
<< Source electrode layer 130, Drain electrode layer 140 >>
For the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140, copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta) ), Nickel (Ni), chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) ) Or the like, or a single layer or a laminated layer of a conductive layer containing a compound such as oxygen, nitrogen, fluorine, silicon, or the like containing these as a main component. For example, in the case of stacking, the lower conductive layer in contact with the oxide semiconductor layer 122 can include a material that easily binds to oxygen, and the upper conductive layer can include a material having high oxidation resistance. In addition, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.
また、酸素と結合しやすい導電材料と酸化物半導体層を接触させると、酸化物半導体層中の酸素が、酸素と結合しやすい導電材料側に拡散する現象が起こる。酸化物半導体層のソース電極層またはドレイン電極層と接触した近傍の領域に酸素欠損が発生し、膜中に僅かに含まれる水素が当該酸素欠損に入り込むことにより当該領域は顕著にn型化する。したがって、n型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。 In addition, when the conductive material that is easily bonded to oxygen and the oxide semiconductor layer are brought into contact with each other, a phenomenon occurs in which oxygen in the oxide semiconductor layer diffuses toward the conductive material that is easily bonded to oxygen. Oxygen deficiency occurs in a region in the vicinity of the oxide semiconductor layer that is in contact with the source electrode layer or the drain electrode layer, and a slight amount of hydrogen in the film enters the oxygen deficiency, so that the region becomes significantly n-type. . Therefore, the n-type region can serve as the source or drain of the transistor.
たとえば、下側の導電層としてWを用いて、上側の導電層としてPtを用いた積層構造とすることで、接触した酸化物半導体層をn型にしつつ、絶縁層170と接することによる導電層の酸化を抑えることができる。 For example, by using W as the lower conductive layer and using Pt as the upper conductive layer, the conductive layer is in contact with the insulating layer 170 while the n-type oxide semiconductor layer is in contact. Can be suppressed.
《ゲート絶縁層150》
ゲート絶縁層150には、酸素、窒素、フッ素、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、ゲート絶縁層150は上記材料の積層であってもよい。なお、ゲート絶縁層150に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。
<< Gate insulating layer 150 >>
The gate insulating layer 150 includes oxygen, nitrogen, fluorine, aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr), lanthanum ( La), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like can be included. For example, aluminum oxide (AlOx), magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride oxide (SiNxOy), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), germanium oxide (GeOx) ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), and tantalum oxide (TaOx). The gate insulating layer 150 may be a stacked layer of the above materials. Note that the gate insulating layer 150 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as an impurity.
また、ゲート絶縁層150の積層構造の一例について説明する。ゲート絶縁層150は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。 An example of a stacked structure of the gate insulating layer 150 is described. The gate insulating layer 150 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.
酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンに対して膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。 Hafnium oxide has a higher dielectric constant than silicon oxide or silicon oxynitride. Therefore, since the film thickness can be increased with respect to silicon oxide, the leakage current due to the tunnel current can be reduced. That is, a transistor with a small off-state current can be realized. Further, hafnium oxide having a crystal structure has a higher dielectric constant than hafnium oxide having an amorphous structure. Therefore, in order to obtain a transistor with low off-state current, it is preferable to use hafnium oxide having a crystal structure. Examples of the crystal structure include a monoclinic system and a cubic system. Note that one embodiment of the present invention is not limited thereto.
ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面は、欠陥に起因した界面準位を有する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位によってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の膜を配置することによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この膜は、緩衝機能を有する。緩衝機能を有する膜は、ゲート絶縁層150に含まれる膜であってもよいし、酸化物半導体膜に含まれる膜であってもよい。即ち、緩衝機能を有する膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化物半導体層などを用いることができる。なお、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を用いる。 By the way, a hafnium oxide surface having a crystal structure may have an interface state due to a defect. The interface state may function as a trap center. Therefore, when hafnium oxide is disposed in the vicinity of the channel region of the transistor, the electrical characteristics of the transistor may be deteriorated by the interface state. Therefore, in order to reduce the influence of the interface state, it may be preferable to separate the film from each other by disposing another film between the channel region of the transistor and hafnium oxide. This membrane has a buffer function. The film having a buffer function may be a film included in the gate insulating layer 150 or a film included in the oxide semiconductor film. That is, as the film having a buffer function, silicon oxide, silicon oxynitride, an oxide semiconductor layer, or the like can be used. For the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having an energy gap larger than that of a semiconductor to be a channel region is used. Alternatively, for the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having an electron affinity lower than that of a semiconductor serving as a channel region is used. Alternatively, for the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having a higher ionization energy than a semiconductor serving as a channel region is used.
一方、上述した結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面における界面準位(トラップセンター)に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる場合がある。該電荷を安定して存在させるためには、たとえば、チャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい絶縁体を配置すればよい。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を配置すればよい。または、緩衝機能を有する膜には、酸化ハフニウムよりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を配置すればよい。このような絶縁体を用いることで、界面準位にトラップされた電荷の放出が起こりにくくなり、長期間に渡って電荷を保持することができる。 On the other hand, there is a case where the threshold voltage of the transistor can be controlled by trapping charges at the interface state (trap center) on the formation surface of hafnium oxide having the above-described crystal structure. In order to make this electric charge exist stably, for example, an insulator having an energy gap larger than that of hafnium oxide may be disposed between the channel region and hafnium oxide. Alternatively, a semiconductor or an insulator having an electron affinity smaller than that of hafnium oxide may be provided. Alternatively, a semiconductor or an insulator having higher ionization energy than hafnium oxide may be provided for the film having a buffer function. By using such an insulator, the charge trapped at the interface state is less likely to be released, and the charge can be held for a long time.
そのような絶縁体として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンが挙げられる。ゲート絶縁層150内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体膜からゲート電極層160に向かって電子を移動させればよい。具体的な例としては、高い温度(例えば、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極層160の電位をソース電極層130やドレイン電極層140の電位より高い状態にて1秒以上、代表的には1分以上維持すればよい。 Examples of such an insulator include silicon oxide and silicon oxynitride. In order to capture charges at the interface state in the gate insulating layer 150, electrons may be moved from the oxide semiconductor film toward the gate electrode layer 160. As a specific example, the potential of the gate electrode layer 160 is changed to a source electrode layer 130 or a drain electrode layer 140 under a high temperature (eg, 125 ° C. to 450 ° C., typically 150 ° C. to 300 ° C.). It may be maintained for 1 second or longer, typically 1 minute or longer in a state higher than the potential of.
このようにゲート絶縁層150などの界面準位に所望の量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極層160の電圧や、電圧を印加する時間を調整することによって、電子を捕獲させる量(しきい値電圧の変動量)を制御することができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、ゲート絶縁層150内でなくても構わない。同様の構造を有する積層膜を、他の絶縁層に用いても構わない。 In this manner, the threshold voltage of the transistor in which a desired amount of electrons is captured at the interface state such as the gate insulating layer 150 is shifted to the positive side. By adjusting the voltage of the gate electrode layer 160 and the time during which the voltage is applied, the amount of electrons captured (the amount of change in threshold voltage) can be controlled. Note that the charge may not be in the gate insulating layer 150 as long as charges can be trapped. A stacked film having a similar structure may be used for another insulating layer.
《ゲート電極層160》
ゲート電極層160には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)およびタングステン(W)、シリコン(Si)などの材料を用いることができる。また、当該ゲート電極層160は、ゲート電極層は積層とすることができる。例えば、上記材料を用いてもよいし、上記材料の窒化物など、窒素を含んだ材料を組み合わせて用いてもよい。
<< Gate electrode layer 160 >>
For the gate electrode layer 160, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum Materials such as (Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta), tungsten (W), and silicon (Si) can be used. The gate electrode layer 160 can be a stacked layer. For example, the above materials may be used, or a material containing nitrogen such as a nitride of the above materials may be used in combination.
《絶縁層170》
絶縁層170には、酸素、窒素、フッ素、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層170は上記材料の積層であってもよい。
<< Insulating layer 170 >>
The insulating layer 170 includes oxygen, nitrogen, fluorine, aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr), and lanthanum (La). ), Neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. For example, aluminum oxide (AlOx), magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride oxide (SiNxOy), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), germanium oxide (GeOx) ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), and tantalum oxide (TaOx). The insulating layer 170 may be a stack of the above materials.
絶縁層170には、酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果を有することができる。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123への混入防止、主成分材料である酸素の酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層123からの放出防止、絶縁層110からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。 The insulating layer 170 preferably includes an aluminum oxide film. The aluminum oxide film can have a blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen. Therefore, the aluminum oxide film includes an oxide insulating layer 121, an oxide semiconductor layer 122, and an oxide insulating layer 123 that are impurities such as hydrogen and moisture that cause variation in electric characteristics of the transistor during and after the manufacturing process of the transistor. Effects of preventing entry into oxygen, preventing release of oxygen as the main component material from the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the oxide insulating layer 123, and preventing unnecessary release of oxygen from the insulating layer 110. Suitable for use as a protective film.
また、絶縁層170は、酸素供給能力を有する膜とすることが好ましい。絶縁層170を成膜時に、他の酸化物との界面に混合層が形成され、当該混合層に酸素が補填され、その後の加熱熱処理によって、酸素が酸化物半導体層中に拡散し、酸化物半導体層中の酸素欠損に対して、酸素を補填することができ、トランジスタ特性(例えば、閾値、信頼性など)を向上させることができる。 The insulating layer 170 is preferably a film having an oxygen supply capability. When the insulating layer 170 is formed, a mixed layer is formed at the interface with another oxide, oxygen is filled in the mixed layer, and oxygen is diffused into the oxide semiconductor layer by the subsequent heat treatment, whereby the oxide Oxygen can be compensated for oxygen vacancies in the semiconductor layer, and transistor characteristics (eg, threshold value, reliability, etc.) can be improved.
また、絶縁層170の下側に他の絶縁層を有してもよい。例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。当該絶縁層から放出される酸素はゲート絶縁層150を経由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。 Further, another insulating layer may be provided below the insulating layer 170. For example, an insulating film containing one or more of magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide is used. be able to. The insulating layer preferably has more oxygen than the stoichiometric composition. Since oxygen released from the insulating layer can be diffused to the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150, oxygen can be compensated for oxygen vacancies formed in the channel formation region. it can. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.
《絶縁層175》
絶縁層175には、例えば、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層175は上記材料の積層であってもよい。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁層175から放出される酸素はゲート絶縁層150を経由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
<< Insulating layer 175 >>
The insulating layer 175 includes, for example, magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNx), silicon nitride oxide (SiNxOx), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), and germanium oxide (GeOx). ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), tantalum oxide (TaOx), and aluminum oxide (AlOx). Can be used. The insulating layer 175 may be a stack of the above materials. The insulating layer preferably has more oxygen than the stoichiometric composition. Since oxygen released from the insulating layer 175 can be diffused into the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150, oxygen can be compensated for oxygen vacancies formed in the channel formation region. it can. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.
《絶縁層180》
絶縁層180には、例えば、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層180は上記材料の積層であってもよい。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁層180から放出される酸素はゲート絶縁層150を経由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
<< Insulating layer 180 >>
The insulating layer 180 includes, for example, magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNx), silicon nitride oxide (SiNxOx), silicon nitride (SiNx), gallium oxide (GaOx), and germanium oxide (GeOx). ), Yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx), tantalum oxide (TaOx), and aluminum oxide (AlOx). Can be used. The insulating layer 180 may be a stacked layer of the above materials. The insulating layer preferably has more oxygen than the stoichiometric composition. Since oxygen released from the insulating layer 180 can be diffused into the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150, oxygen can be compensated for oxygen vacancies formed in the channel formation region. it can. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.
<トランジスタの製造方法>
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について図13乃至図19を用いて説明する。なお、実施の形態1において説明した部分と重複する部分については、その説明を援用する。また、図13乃至図19に示すB1−B2方向は図1(A)、図1(B)に示すチャネル長方向と呼称する場合がある。また、図13乃至図19に示すB3−B4方向は、図1(A)および図1(C)に示すチャネル幅方向と呼称する場合がある。
<Transistor manufacturing method>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, about the part which overlaps with the part demonstrated in Embodiment 1, the description is used. In addition, the B1-B2 direction illustrated in FIGS. 13 to 19 may be referred to as the channel length direction illustrated in FIGS. 1A and 1B. In addition, the B3-B4 direction illustrated in FIGS. 13 to 19 may be referred to as the channel width direction illustrated in FIGS. 1A and 1C.
本実施の形態において、トランジスタを構成する各層(絶縁層、酸化物半導体層、導電層等)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属化学堆積)法やALD(原子層成膜)法を使ってもよい。また、スパッタリング法では、ロングスロー方式とコリメート方式を組み合わせて用いることで、埋め込み性を向上させることができる。 In this embodiment, each layer (an insulating layer, an oxide semiconductor layer, a conductive layer, or the like) included in the transistor is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a vacuum evaporation method, or a pulsed laser deposition (PLD) method. Can be formed. Alternatively, it can be formed by a coating method or a printing method. As a film forming method, a sputtering method and a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method are typical, but a thermal CVD method may be used. As an example of the thermal CVD method, an MOCVD (metal organic chemical deposition) method or an ALD (atomic layer deposition) method may be used. In the sputtering method, the embedding property can be improved by using a combination of the long throw method and the collimation method.
<熱CVD法>
熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
<Thermal CVD method>
The thermal CVD method has an advantage that no defect is generated due to plasma damage because it is a film forming method that does not use plasma.
また、熱CVD法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。 In the thermal CVD method, a source gas and an oxidant are simultaneously sent into a chamber, and the inside of the chamber is subjected to atmospheric pressure or reduced pressure. The film is formed by reacting in the vicinity of or on the substrate and depositing on the substrate. Also good.
また、MOCVD法やALD法などの熱CVD法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、In−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、およびジメチル亜鉛を用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、In(CH3)3である。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ga(CH3)3である。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Zn(CH3)2である。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(化学式Ga(C2H5)3)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(化学式Zn(C2H5)2)を用いることもできる。 In addition, thermal CVD methods such as MOCVD and ALD methods can form various films such as metal films, semiconductor films, and inorganic insulating films disclosed in the embodiments described so far. For example, In-Ga In the case of forming a —Zn—O film, trimethylindium, trimethylgallium, and dimethylzinc can be used. Note that the chemical formula of trimethylindium is In (CH 3 ) 3 . The chemical formula of trimethylgallium is Ga (CH 3 ) 3 . The chemical formula of dimethylzinc is Zn (CH 3 ) 2 . Moreover, it is not limited to these combinations, Triethylgallium (chemical formula Ga (C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethylzinc (chemical formula Zn (C 2 H 5 ) is used instead of dimethylzinc. 2 ) can also be used.
<ALD法>
従来のCVD法を利用した成膜装置は、成膜の際、反応のための原料ガス(プリカーサ)の1種または複数種がチャンバーに同時に供給される。ALD法を利用した成膜装置は、反応のためのプリカーサが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切り替えて2種類以上のプリカーサを順番にチャンバーに供給し、複数種のプリカーサが混ざらないように第1のプリカーサの後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第2のプリカーサを導入する。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1のプリカーサを排出した後、第2のプリカーサを導入することができる。
<ALD method>
In a film forming apparatus using a conventional CVD method, at the time of film formation, one or more kinds of reaction source gases (precursors) are simultaneously supplied to a chamber. In a film formation apparatus using the ALD method, a precursor for reaction is sequentially introduced into a chamber, and film formation is performed by repeating the order of gas introduction. For example, each switching valve (also called a high-speed valve) is switched to supply two or more types of precursors to the chamber in order, and an inert gas (argon, or other) is provided after the first precursor so that a plurality of types of precursors are not mixed. Nitrogen etc.) are introduced, and the second precursor is introduced. Further, the second precursor can be introduced after the first precursor is discharged by evacuation instead of introducing the inert gas.
図11(A)、(B)、(C)、(D)にALD法の成膜過程を示す。第1のプリカーサ601が基板の表面に吸着して(図11(A)参照)、第1の単一層が成膜される(図11(B)参照)。この際、プリカーサ中に含有する金属原子等が基板表面に存在する水酸基と結合することができる。金属原子にはメチル基やエチル基などのアルキル基が結合していてもよい。第1のプリカーサ601を排気した後に導入される第2のプリカーサ602と反応して(図11(C)参照)、第2の単一層が第1の単一層上に積層されて薄膜が形成される(図11(D)参照)。例えば、第2のプリカーサとして酸化剤が含まれていた場合には第1のプリカーサ中に存在する金属原子または金属原子と結合したアルキル基と、酸化剤との間で化学反応がおこり、酸化膜を形成することができる。 FIGS. 11A, 11B, 11C, and 11D show the film formation process of the ALD method. The first precursor 601 is adsorbed on the surface of the substrate (see FIG. 11A), and a first single layer is formed (see FIG. 11B). At this time, a metal atom or the like contained in the precursor can be bonded to a hydroxyl group present on the substrate surface. An alkyl group such as a methyl group or an ethyl group may be bonded to the metal atom. Reacting with the second precursor 602 introduced after exhausting the first precursor 601 (see FIG. 11C), the second single layer is laminated on the first single layer to form a thin film. (See FIG. 11D). For example, when an oxidizing agent is included as the second precursor, a chemical reaction occurs between a metal atom present in the first precursor or an alkyl group bonded to the metal atom and the oxidizing agent, and the oxide film Can be formed.
ALD法は表面化学反応に基づいた成膜方法であり、プリカーサが被成膜表面に吸着し、自己停止機構が作用することで、一層形成される。例えば、トリメチルアルミニウムのようなプリカーサと当該被成膜表面に存在する水酸基(OH基)が反応する。この時、熱による表面反応のみが起こるため、プリカーサが当該被成膜表面と接触し、熱エネルギーを介して当該被成膜表面にプリカーサ中の金属原子等が吸着することができる。また、プリカーサは、高い蒸気圧を有し、成膜前の段階では熱的安定であり自己分解しない、基板へ化学吸着が速いなどの特徴を有する。また、プリカーサはガスとして導入されるため、交互に導入されるプリカーサが十分に拡散する時間を有することができれば、高アスペクト比の凹凸を有する領域であっても、被覆性よく成膜することができる。 The ALD method is a film formation method based on a surface chemical reaction, and the precursor is adsorbed on the film formation surface and is formed further by a self-stop mechanism acting. For example, a precursor such as trimethylaluminum reacts with a hydroxyl group (OH group) present on the deposition surface. At this time, since only a surface reaction due to heat occurs, the precursor comes into contact with the film formation surface, and metal atoms or the like in the precursor can be adsorbed on the film formation surface through thermal energy. In addition, the precursor has a high vapor pressure, is thermally stable at the stage before film formation, does not self-decompose, and has a feature of fast chemical adsorption to the substrate. In addition, since the precursor is introduced as a gas, it is possible to form a film with good coverage even in a region having a high aspect ratio unevenness as long as the alternately introduced precursor has sufficient time for diffusion. it can.
また、ALD法においては、ガス導入順序を制御しつつ、所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。また、排気能力を高めることで成膜速度を高めることができ、さらに膜中の不純物濃度を低減することができる。 Further, in the ALD method, a thin film having excellent step coverage can be formed by repeating a plurality of times until a desired thickness is achieved while controlling the order of gas introduction. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of repetitions, precise film thickness adjustment is possible. Further, by increasing the exhaust capacity, the film formation rate can be increased, and the impurity concentration in the film can be further reduced.
また、ALD法には、熱を用いたALD法(熱ALD法)、プラズマを用いたALD法(プラズマALD法)がある。熱ALD法では、熱エネルギーを用いてプリカーサの反応を行うものであり、プラズマALD法はプリカーサの反応をラジカルの状態で行うものである。 The ALD method includes an ALD method using heat (thermal ALD method) and an ALD method using plasma (plasma ALD method). In the thermal ALD method, a precursor reaction is performed using thermal energy, and in the plasma ALD method, the precursor reaction is performed in a radical state.
ALD法は、極めて薄い膜が精度よく成膜できる。凹凸を有する面に対しても、表面被覆率が高く、膜密度が高い。 The ALD method can form a very thin film with high accuracy. The surface coverage is high and the film density is high even on the surface having irregularities.
<プラズマALD>
また、プラズマALD法により成膜することで、熱を用いたALD法(熱ALD法)に比べてさらに低温での成膜が可能となる。プラズマALD法は、例えば、100℃以下でも成膜速度を低下させずに成膜することができる。また、プラズマALD法では、N2をプラズマによりラジカル化することができるため、酸化物のみならず窒化物を成膜することができる。
<Plasma ALD>
In addition, the film formation by the plasma ALD method enables the film formation at a lower temperature than the ALD method using heat (thermal ALD method). In the plasma ALD method, for example, a film can be formed at a temperature of 100 ° C. or lower without reducing the film formation rate. In the plasma ALD method, since N 2 can be radicalized by plasma, not only an oxide but also a nitride can be formed.
また、プラズマALDでは、酸化剤の酸化力を高めることができる。これによりALDに膜形成を行う場合に膜中に残留するプリカーサ、あるいはプリカーサから脱離した有機成分を低減することができ、また膜中の炭素、塩素、水素などを低減することができ、不純物濃度の低い膜を有することができる。 In plasma ALD, the oxidizing power of the oxidizing agent can be increased. As a result, when a film is formed on the ALD, a precursor remaining in the film or an organic component desorbed from the precursor can be reduced, and carbon, chlorine, hydrogen, and the like in the film can be reduced. It can have a low concentration film.
また、プラズマALDを行う場合には、ラジカル種を発生させ、ICP(Inductively Coupled Plasma)などのように基板から離れた状態でプラズマを発生させることもでき、基板あるいは当該保護膜が形成される膜に対するプラズマダメージを抑えることができる。 In the case of performing plasma ALD, radical species are generated, and plasma can be generated in a state of being separated from the substrate such as ICP (Inductively Coupled Plasma), and the substrate or a film on which the protective film is formed. Can suppress plasma damage.
上記より、プラズマALD法を用いることで、他の成膜方法に比べて、プロセス温度が下げることができ、かつ表面被覆率を高めることができ、当該膜を成膜することができる。これにより、外部からの水、水素の侵入を抑えることができる。したがって、トランジスタ特性の信頼性向上することができる。 As described above, by using the plasma ALD method, the process temperature can be reduced and the surface coverage can be increased as compared with other film formation methods, so that the film can be formed. Thereby, the penetration | invasion of the water from the outside and hydrogen can be suppressed. Therefore, the reliability of transistor characteristics can be improved.
<ALD装置に関する説明>
図12(A)にALD法を利用する成膜装置の一例を示す。ALD法を利用する成膜装置は、成膜室(チャンバー1701)と、原料供給部1711a、原料供給部1711bと、流量制御器である高速バルブ1712a、高速バルブ1712bと、原料導入口1713a、原料導入口1713bと、原料排出口1714と、排気装置1715を有する。チャンバー1701内に設置される原料導入口1713a、1713bは供給管やバルブを介して原料供給部1711a、1711bとそれぞれ接続されており、原料排出口1714は、排出管やバルブや圧力調整器を介して排気装置1715と接続されている。
<Description of ALD device>
FIG. 12A shows an example of a film formation apparatus using the ALD method. A film formation apparatus using the ALD method includes a film formation chamber (chamber 1701), a raw material supply unit 1711a, a raw material supply unit 1711b, a high-speed valve 1712a and a high-speed valve 1712b that are flow controllers, a raw material introduction port 1713a, and a raw material. An introduction port 1713b, a material discharge port 1714, and an exhaust device 1715 are provided. The raw material introduction ports 1713a and 1713b installed in the chamber 1701 are connected to the raw material supply units 1711a and 1711b via supply pipes and valves, respectively, and the raw material discharge port 1714 is connected via a discharge pipe, valves and pressure regulator. The exhaust device 1715 is connected.
チャンバー内部にはヒータを備えた基板ホルダ1716があり、その基板ホルダ上に被成膜させる基板1700を配置する。 There is a substrate holder 1716 provided with a heater inside the chamber, and a substrate 1700 to be deposited is placed on the substrate holder.
原料供給部1711a、原料供給部1711bでは、気化器や加熱手段などによって固体の原料や液体の原料から原料ガスを形成する。或いは、原料供給部1711a、原料供給部1711bは、気体の原料ガスを供給する構成としてもよい。 In the raw material supply unit 1711a and the raw material supply unit 1711b, a raw material gas is formed from a solid raw material or a liquid raw material by a vaporizer or a heating means. Alternatively, the raw material supply unit 1711a and the raw material supply unit 1711b may be configured to supply a gaseous source gas.
また、原料供給部1711a、原料供給部1711bを2つ設けている例を示しているが特に限定されず、3つ以上設けてもよい。また、高速バルブ1712a、高速バルブ1712bは時間で精密に制御することができ、原料ガスと不活性ガスのいずれか一方を供給する構成となっている。高速バルブ1712a、高速バルブ1712bは原料ガスの流量制御器であり、且つ、不活性ガスの流量制御器とも言える。 Moreover, although the example which provides the raw material supply part 1711a and the raw material supply part 1711b is shown, it is not specifically limited, You may provide three or more. In addition, the high-speed valve 1712a and the high-speed valve 1712b can be precisely controlled with time, and are configured to supply either the source gas or the inert gas. The high-speed valve 1712a and the high-speed valve 1712b are flow rate controllers for raw material gas, and can also be said to be flow rate controllers for inert gas.
図12(A)に示す成膜装置では、基板1700を基板ホルダ1716上に搬入し、チャンバー1701を密閉状態とした後、基板ホルダ1716のヒータ加熱により基板700を所望の温度(例えば、100℃以上または150℃以上)とし、原料ガスの供給と、排気装置1715による排気と、不活性ガスの供給と、排気装置1715による排気とを繰りかえすことで薄膜を基板表面に形成する。 In the deposition apparatus illustrated in FIG. 12A, after the substrate 1700 is carried onto the substrate holder 1716 and the chamber 1701 is hermetically sealed, the substrate 700 is heated to a desired temperature (for example, 100 ° C. by heating the substrate holder 1716). The thin film is formed on the substrate surface by repeating the supply of the source gas, the exhaust by the exhaust device 1715, the supply of the inert gas, and the exhaust by the exhaust device 1715.
図12(A)に示す成膜装置では、原料供給部1711a、原料供給部1711bに用意する原料(揮発性有機金属化合物など)を適宜選択することにより、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、ジルコニウム等から選択された一種以上の元素を含む酸化物(複合酸化物も含む)を含んで構成される絶縁層を成膜することができる。具体的には、酸化ハフニウムを含んで構成される絶縁層、酸化アルミニウムを含んで構成される絶縁層、ハフニウムシリケートを含んで構成される絶縁層、又はアルミニウムシリケートを含んで構成される絶縁層を成膜することができる。また、原料供給部1711a、原料供給部1711bに用意する原料(揮発性有機金属化合物など)を適宜選択することにより、タングステン層、チタン層などの金属層や、窒化チタン層などの窒化物層などの薄膜を成膜することもできる。 In the film formation apparatus shown in FIG. 12A, the raw material supply unit 1711a and the raw material supply unit 1711b are selected from hafnium, aluminum, tantalum, zirconium, and the like by appropriately selecting a raw material (such as a volatile organometallic compound) prepared An insulating layer including an oxide containing one or more elements (including a complex oxide) can be formed. Specifically, an insulating layer including hafnium oxide, an insulating layer including aluminum oxide, an insulating layer including hafnium silicate, or an insulating layer including aluminum silicate A film can be formed. In addition, by appropriately selecting a raw material (such as a volatile organometallic compound) prepared in the raw material supply unit 1711a and the raw material supply unit 1711b, a metal layer such as a tungsten layer or a titanium layer, a nitride layer such as a titanium nitride layer, or the like It is also possible to form a thin film.
例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化ハフニウム層を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH)などのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O3)の2種類のガスを用いる。この場合、原料供給部1711aから供給する第1の原料ガスがTDMAHであり、原料供給部711bから供給する第2の原料ガスがオゾンとなる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はHf[N(CH3)2]4である。また、他の材料としては、テトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどがある。なお、窒素は電荷捕獲準位を消失させる機能を有する。したがって、原料ガスが窒素を含むことで、電荷捕獲準位密度の低い酸化ハフニウムを成膜することができる。 For example, in the case where a hafnium oxide layer is formed by a film forming apparatus using the ALD method, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor compound (hafnium amide such as hafnium alkoxide or tetrakisdimethylamide hafnium (TDMAH)) is vaporized. Two kinds of gases, that is, a raw material gas and ozone (O 3 ) as an oxidizing agent are used. In this case, the first source gas supplied from the source supply unit 1711a is TDMAH, and the second source gas supplied from the source supply unit 711b is ozone. Note that the chemical formula of tetrakisdimethylamide hafnium is Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 . Other materials include tetrakis (ethylmethylamide) hafnium. Note that nitrogen has a function of eliminating a charge trap level. Therefore, when the source gas contains nitrogen, hafnium oxide having a low charge trapping level density can be formed.
例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化アルミニウム層を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体(TMAなど)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてH2Oの2種類のガスを用いる。この場合、原料供給部1711aから供給する第1の原料ガスがTMAであり、原料供給部1711bから供給する第2の原料ガスがH2Oとなる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CH3)3である。また、他の材料液としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)などがある。 For example, in the case where an aluminum oxide layer is formed by a film forming apparatus using the ALD method, a source gas obtained by vaporizing a liquid (TMA or the like) containing a solvent and an aluminum precursor compound, and H 2 O 2 as an oxidizing agent are used. Use different types of gas. In this case, the first source gas supplied from the source supply unit 1711a is TMA, and the second source gas supplied from the source supply unit 1711b is H 2 O. Note that the chemical formula of trimethylaluminum is Al (CH 3 ) 3 . Other material liquids include tris (dimethylamido) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) and the like.
例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス(O2、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。 For example, in the case where a silicon oxide film is formed by a film formation apparatus using ALD, hexachlorodisilane is adsorbed on the film formation surface, chlorine contained in the adsorbate is removed, and an oxidizing gas (O 2 , monoxide) Dinitrogen) radicals are supplied to react with the adsorbate.
例えば、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WF6ガスとB2H6ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WF6ガスとH2ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、B2H6ガスに代えてSiH4ガスを用いてもよい。 For example, in the case where a tungsten film is formed by a film forming apparatus using ALD, an initial tungsten film is formed by repeatedly introducing WF 6 gas and B 2 H 6 gas successively, and then WF 6 gas and H 2. Gases are simultaneously introduced to form a tungsten film. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.
例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばIn−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、In(CH3)3ガスとO3ガスを順次繰り返し導入してIn−O層を形成し、その後、Ga(CH3)3ガスとO3ガスを同時に導入してGaO層を形成し、更にその後Zn(CH3)2とO3ガスを同時に導入してZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてIn−Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、O3ガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH2Oガスを用いても良いが、Hを含まないO3ガスを用いる方が好ましい。また、In(CH3)3ガスに代えて、In(C2H5)3ガスを用いても良い。また、Zn(CH3)2ガスを用いても良い。 For example, in the case where an oxide semiconductor film such as an In—Ga—Zn—O film is formed by a film formation apparatus using ALD, In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially introduced, and In -O layer is formed, and then Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are simultaneously introduced to form a GaO layer, and then Zn (CH 3 ) 2 and O 3 gas are simultaneously introduced to form a ZnO layer. Form. Note that the order of these layers is not limited to this example. Alternatively, a mixed compound layer such as an In—Ga—O layer, an In—Zn—O layer, or a Ga—Zn—O layer may be formed by mixing these gases. Incidentally, O 3 may be used of H 2 O gas obtained by bubbling with an inert gas such as Ar in place of the gas, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred. In addition, In (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of In (CH 3 ) 3 gas. Alternatively, Zn (CH 3 ) 2 gas may be used.
《マルチチャンバー成膜装置》
また、図12(A)に示す成膜装置を少なくとも一つ有するマルチチャンバーの製造装置の一例を図12(B)に示す。
<Multi-chamber deposition system>
FIG. 12B illustrates an example of a multi-chamber manufacturing apparatus including at least one film formation apparatus illustrated in FIG.
図12(B)に示す製造装置は、積層膜を大気に触れることなく連続成膜することができ、不純物の混入防止やスループット向上を図っている。 The manufacturing apparatus illustrated in FIG. 12B can continuously form a stacked film without exposure to the air, and prevents impurities from being mixed and improves throughput.
図12(B)に示す製造装置は、ロード室1702、搬送室1720、前処理室1703、成膜室であるチャンバー1701、アンロード室1706を少なくとも有する。なお、製造装置のチャンバー(ロード室、処理室、搬送室、成膜室、アンロード室などを含む)は、水分の付着などを防ぐため、露点が管理された不活性ガス(窒素ガス等)を充填させておくことが好ましく、望ましくは減圧を維持させる。 The manufacturing apparatus illustrated in FIG. 12B includes at least a load chamber 1702, a transfer chamber 1720, a pretreatment chamber 1703, a chamber 1701 which is a film formation chamber, and an unload chamber 1706. Note that chambers (including load chambers, processing chambers, transfer chambers, film formation chambers, unload chambers, etc.) of manufacturing equipment are inert gases (nitrogen gas, etc.) with controlled dew points in order to prevent moisture from adhering. Is preferably filled, and desirably the reduced pressure is maintained.
また、チャンバー1704、チャンバー1705は、チャンバー1701と同じALD法を利用する成膜装置としてもよいし、プラズマCVD法を利用する成膜装置としてもよいし、スパッタリング法を利用する成膜装置としてもよいし、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用する成膜装置としてもよい。 The chamber 1704 and the chamber 1705 may be a film formation apparatus that uses the same ALD method as the chamber 1701, a film formation apparatus that uses a plasma CVD method, or a film formation apparatus that uses a sputtering method. Alternatively, a film formation apparatus using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method may be used.
例えば、チャンバー1704としてプラズマCVD法を利用する成膜装置とし、チャンバー1705としてMOCVD法を利用する成膜装置とし、積層膜を成膜する一例を以下に示す。 For example, an example of forming a stacked film using the film formation apparatus using the plasma CVD method as the chamber 1704 and the film formation apparatus using the MOCVD method as the chamber 1705 is described below.
図12(B)では搬送室1720の上面図が六角形の例を示しているが、積層膜の層数に応じて、それ以上の多角形としてより多くのチャンバーと連結させた製造装置としてもよい。また、図12(B)では基板の上面形状を矩形で示しているが、特に限定されない。また、図12(B)では枚葉式の例を示したが、複数枚の基板を一度に成膜するバッチ式の成膜装置としてもよい。 In FIG. 12B, the top view of the transfer chamber 1720 shows an example of a hexagon, but depending on the number of layers of the laminated film, the manufacturing apparatus may be connected to a larger number of chambers as more polygons. Good. In FIG. 12B, the top surface shape of the substrate is shown as a rectangle, but it is not particularly limited. Although FIG. 12B shows an example of a single wafer type, a batch type film forming apparatus that forms a plurality of substrates at a time may be used.
<絶縁層110の形成>
まず、基板100上に絶縁層110を成膜する。例えば、絶縁層110としてプラズマCVD法により厚さ100nmの酸化窒化シリコン膜を用いることができる。
<Formation of Insulating Layer 110>
First, the insulating layer 110 is formed over the substrate 100. For example, a silicon oxynitride film with a thickness of 100 nm can be used as the insulating layer 110 by a plasma CVD method.
次に、第1の加熱処理を行って、絶縁層110に含まれる水、水素等を脱離させてもよい。この結果、絶縁層110に含まれる水、水素等の濃度を低減することが可能であり、加熱処理によって、後に形成される第1の絶縁体膜への水、水素等の拡散量を低減することができる。 Next, first heat treatment may be performed to desorb water, hydrogen, and the like contained in the insulating layer 110. As a result, the concentration of water, hydrogen, and the like contained in the insulating layer 110 can be reduced, and the amount of diffusion of water, hydrogen, and the like into the first insulator film to be formed later is reduced by heat treatment. be able to.
なお、上記加熱処理は、他の成膜処理後においても行ってもよい。 Note that the heat treatment may be performed after another film formation treatment.
<第1の絶縁膜115aの成膜>
次に、絶縁層110上に後に絶縁層115となる第1の絶縁膜を成膜する。第1の絶縁膜は、絶縁層110と同様の方法で成膜することができる。
<Deposition of First Insulating Film 115a>
Next, a first insulating film to be the insulating layer 115 later is formed over the insulating layer 110. The first insulating film can be formed by a method similar to that for the insulating layer 110.
<溝部の形成>
次に、絶縁膜115a上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。なお、絶縁膜115a上に有機膜を塗布してから、あるいは、レジスト上に塗布してからリソグラフィ工程を行ってもよい。当該有機膜は、プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチルなど、を有することができる。当該有機膜をもちいることで、露光時の反射防止効果のほか、レジストと膜との密着性の向上、解像性の向上などの効果を有する。当該有機膜は、他の工程にも用いることができる。
<Formation of groove>
Next, a resist mask is formed over the insulating film 115a by a lithography process. Note that the lithography process may be performed after an organic film is applied over the insulating film 115a or after application over a resist. The organic film can include propylene glycol monomethyl ether, ethyl lactate, and the like. By using the organic film, in addition to the antireflection effect at the time of exposure, there are effects such as improvement in adhesion between the resist and the film and improvement in resolution. The organic film can be used for other processes.
また、開口部の加工処理において、基板表面に方向に対して絶縁層115の側面が垂直、または垂直に近い角度(テーパー角とする。)を有することができるように、絶縁膜115aの表面に酸化膜や、導電膜を用いたハードマスクをレジストマスクの下に設けてもよい。 Further, in the processing of the opening, the surface of the insulating film 115a is formed on the surface of the insulating film 115a so that the side surface of the insulating layer 115 can be perpendicular or nearly perpendicular (tapered angle) to the substrate surface. A hard mask using an oxide film or a conductive film may be provided under the resist mask.
上記マスクを用いて、ドライエッチング法により絶縁膜115aの一部をエッチングすることに絶縁層115を及び溝部を形成する。 Using the mask, the insulating layer 115 and the groove are formed by etching a part of the insulating film 115a by a dry etching method.
<導電膜165aの形成>
次に、第3の絶縁膜150a上にゲート電極層160となる第2の導電膜165aを成膜する(図13参照)。
<Formation of Conductive Film 165a>
Next, a second conductive film 165a to be the gate electrode layer 160 is formed over the third insulating film 150a (see FIG. 13).
例えば、窒化チタンをALD法により厚さ10nm形成し、タングステンをメタルCVD法により厚さ150nm形成した積層構造を用いることができる。 For example, a stacked structure in which titanium nitride is formed to a thickness of 10 nm by an ALD method and tungsten is formed to a thickness of 150 nm by a metal CVD method can be used.
<平坦化処理>
次に、平坦化処理を行う。平坦化処理は、実施の形態1にて説明した化学的機械的研磨(CMP)法を用いた2段階の研磨処理を行うことが望ましい(図14、図15参照)。
<Planarization treatment>
Next, a flattening process is performed. As the planarization process, it is desirable to perform a two-stage polishing process using the chemical mechanical polishing (CMP) method described in Embodiment 1 (see FIGS. 14 and 15).
<絶縁層117、絶縁層119の形成>
次に、絶縁層117、絶縁層119を形成する(図15参照)。絶縁層117、絶縁層119の成膜方法は、絶縁層110と同様の成膜方法を用いることができる。なお、絶縁層119は、絶縁層117と組みあわせて用いてもよいし、用いなくてもよい。
<Formation of Insulating Layer 117 and Insulating Layer 119>
Next, an insulating layer 117 and an insulating layer 119 are formed (see FIG. 15). As a method for forming the insulating layer 117 and the insulating layer 119, a film formation method similar to that for the insulating layer 110 can be used. Note that the insulating layer 119 may be used in combination with the insulating layer 117 or may not be used.
<第1の酸化物半導体膜、第1の絶縁体膜、第2の酸化物半導体膜の形成>
次に、絶縁層119上に、後に酸化物絶縁層121となる第1の酸化物絶縁層膜、後に酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を成膜する。第1の酸化物絶縁層膜と、酸化物半導体膜は、スパッタリング法、MOCVD法、PLD法などにより形成することができ、スパッタリング法を用いて形成することがより好ましい。スパッタリング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、ACスパッタリング法等を用いることができる。また、スパッタリング法において、対向ターゲット方式(対向電極方式、気相スパッタリング方式、VDSP(Vapor Depotion Sputtering)方式ともいう)法により作成することにより、成膜時のプラズマダメージを低減することができる。
<Formation of First Oxide Semiconductor Film, First Insulator Film, and Second Oxide Semiconductor Film>
Next, a first oxide insulating layer film which will be an oxide insulating layer 121 later and an oxide semiconductor film which will be an oxide semiconductor layer 122 later are formed over the insulating layer 119. The first oxide insulating layer film and the oxide semiconductor film can be formed by a sputtering method, an MOCVD method, a PLD method, or the like, and more preferably formed by a sputtering method. As the sputtering method, an RF sputtering method, a DC sputtering method, an AC sputtering method, or the like can be used. Further, in the sputtering method, plasma damage at the time of film formation can be reduced by forming by a counter target method (also referred to as a counter electrode method, a vapor phase sputtering method, or a VDSP (Vapor Deposition Sputtering) method).
例えば、第2の酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する場合、スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体層にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空化(5×10−7Pa乃至1×10−4Pa程度まで)できること、かつ、成膜される基板を100℃以上、好ましくは400℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。また、ターボ分子ポンプとクライオポンプを組み合わせた排気系を用いてもよい。 For example, in the case where the second oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, each chamber in the sputtering apparatus has an adsorption type like a cryopump so as to remove water or the like that is an impurity for the oxide semiconductor layer as much as possible. It is preferable that a high vacuum (up to about 5 × 10 −7 Pa to 1 × 10 −4 Pa) can be obtained using a vacuum exhaust pump, and a substrate to be formed can be heated to 100 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher. . Alternatively, it is preferable to combine a turbo molecular pump and a cold trap so that a gas containing a carbon component or moisture does not flow backward from the exhaust system into the chamber. Further, an exhaust system combining a turbo molecular pump and a cryopump may be used.
高純度真性の酸化物半導体層を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタリングガスを高純度化することも望ましい。スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜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。 In order to obtain a highly purified intrinsic oxide semiconductor layer, it is desirable not only to evacuate the chamber to a high vacuum but also to increase the purity of the sputtering gas. Oxygen gas or argon gas used as a sputtering gas has a dew point of −40 ° C. or lower, preferably −80 ° C. or lower, more preferably −100 ° C. or lower. Can be prevented as much as possible.
スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガスおよび酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガスおよび酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。 As a sputtering gas, a rare gas (typically argon), oxygen, a rare gas, and a mixed gas of oxygen are appropriately used. Note that in the case of a mixed gas of a rare gas and oxygen, it is preferable to increase the gas ratio of oxygen to the rare gas.
なお、第2の酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を150℃以上750℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下、さらに好ましくは200℃以上420℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、CAAC−OS膜を形成することができる。 Note that when the second oxide semiconductor film is formed, for example, when a sputtering method is used, the substrate temperature is 150 ° C. or higher and 750 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or higher and 420 ° C. As the following, a CAAC-OS film can be formed by forming an oxide semiconductor film.
第1の絶縁体膜は、酸化物半導体膜よりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。 The material of the first insulator film can be selected so that the electron affinity is lower than that of the oxide semiconductor film.
また、酸化物半導体膜は、第1の酸化物絶縁層膜、第2の酸化物絶縁層膜よりもインジウムの含有量を多く有してもよい。酸化物半導体層では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、InがGaよりも多い組成となる酸化物はInがGaと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層122にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い移動度のトランジスタを実現することができる。 In addition, the oxide semiconductor film may have a larger indium content than the first oxide insulating film and the second oxide insulating film. In the oxide semiconductor layer, the heavy metal s orbitals mainly contribute to carrier conduction, and by increasing the In content, more s orbitals overlap. Therefore, an oxide having a composition with more In than Ga is obtained. The mobility is higher than that of an oxide in which In has a composition equal to or less than that of Ga. Therefore, by using an oxide containing a large amount of indium for the oxide semiconductor layer 122, a transistor with high mobility can be realized.
また、第1の酸化物絶縁層膜、酸化物半導体膜において、例えばスパッタリング法により成膜する場合、マルチチャンバー方式のスパッタ装置を用いることで、第1の酸化物絶縁層膜と酸化物半導体膜は大気に露出することなく連続成膜することができる。その場合、第1の絶縁体膜と酸化物半導体膜の界面には余計な不純物などが入り込むことを抑えることができ、界面準位を低減することができる。この結果として、トランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。 In the case of forming the first oxide insulating layer film and the oxide semiconductor film by, for example, a sputtering method, the first oxide insulating layer film and the oxide semiconductor film can be formed by using a multi-chamber sputtering apparatus. Can be continuously formed without being exposed to the atmosphere. In that case, excess impurities or the like can be prevented from entering the interface between the first insulator film and the oxide semiconductor film, and the interface state can be reduced. As a result, the electrical characteristics of the transistor, in particular, the characteristics can be stabilized in the reliability test.
また、酸化物半導体膜中にダメージがあった場合に、酸化物絶縁層121があることにより主要な伝導パスとなる酸化物半導体層122をダメージ部から遠ざけることができ、結果としてトランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。 In addition, when the oxide semiconductor film is damaged, the oxide insulating layer 121 allows the oxide semiconductor layer 122 serving as a main conduction path to be away from the damaged portion, and as a result, the electrical characteristics of the transistor In particular, the characteristics can be stabilized in a reliability test.
例えば、酸化物半導体膜としてスパッタリング法により、ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)を用いて厚さ5nm成膜した酸化物半導体膜を用いることができる。また、第1の酸化物絶縁層膜として、スパッタリング法により、ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:3:4(原子数比)を用いて厚さ20nm成膜した絶縁体膜を用いることができる。また、第2の酸化物半導体膜としてスパッタリング法により、ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)を用いて厚さ15nm成膜した酸化物半導体膜を用いることができる。 For example, an oxide semiconductor film can be used as the oxide semiconductor film formed by a sputtering method and using an In: Ga: Zn = 1: 1: 1 ratio (atomic ratio) as a target. In addition, as the first oxide insulating layer film, an insulating film formed to a thickness of 20 nm by sputtering using In: Ga: Zn = 1: 3: 4 (atomic ratio) as a target is used. it can. In addition, an oxide semiconductor film formed to a thickness of 15 nm by sputtering can be used as the second oxide semiconductor film by using In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio) as a target. .
なお、第1の酸化物絶縁層膜、酸化物半導体膜成膜後に第2の加熱処理を行うことにより、酸化物半導体膜の酸素欠損量を低減することができる。 Note that by performing the second heat treatment after the formation of the first oxide insulating layer film and the oxide semiconductor film, the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be reduced.
第2の加熱処理の温度は、250℃以上基板歪み点未満、好ましくは300℃以上650℃以下、更に好ましくは350℃以上550℃以下とする。 The temperature of the second heat treatment is 250 ° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 300 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
第2の加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気または乾燥空気(露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下、好ましくは−120℃以下である空気)雰囲気で加熱してもよい。または減圧状態で行えばよい。なお、上記乾燥空気の他、不活性ガスおよび酸素に水素、水などが含まれないことが好ましく、代表的には露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下とすることが望ましい。処理時間は3分から24時間、好ましくは15分から3時間、より好ましくは30分から2時間とするのが望ましい。 The second heat treatment is performed in an inert gas atmosphere containing nitrogen or a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, or krypton. Alternatively, after heating in an inert gas atmosphere, heating may be performed in an oxygen atmosphere or dry air (air having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower, preferably −120 ° C. or lower). Alternatively, it may be performed in a reduced pressure state. In addition to the dry air, it is preferable that the inert gas and oxygen do not contain hydrogen, water, or the like. Typically, it is desirable that the dew point is −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower. The treatment time is 3 minutes to 24 hours, preferably 15 minutes to 3 hours, more preferably 30 minutes to 2 hours.
なお、加熱処理において、電気炉の代わりに、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、不活性ガスが用いられる。 Note that in the heat treatment, an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be used instead of an electric furnace. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the high-temperature gas, a rare gas such as argon or an inert gas such as nitrogen is used.
なお、第2の加熱処理は、後述する酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122を形成するエッチングの後に行ってもよい。 Note that the second heat treatment may be performed after etching for forming an oxide insulating layer 121 and an oxide semiconductor layer 122 described later.
例えば、窒素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行うことができる。 For example, after heat treatment at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, heat treatment at 450 ° C. for 1 hour can be performed in an oxygen atmosphere.
以上の工程により、酸化物半導体膜の酸素欠損の低減、また水素、水などの不純物を低減することができる。また、局在準位密度が低減された酸化物半導体膜を形成することができる。 Through the above steps, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be reduced and impurities such as hydrogen and water can be reduced. In addition, an oxide semiconductor film with a reduced localized level density can be formed.
<第1の導電膜の形成>
次に、酸化物半導体層122上にソース電極層130、ドレイン電極層140となる第1の導電膜を形成する。第1の導電膜は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む。)、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法等を用いて形成することができる。
<Formation of first conductive film>
Next, a first conductive film to be the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 is formed over the oxide semiconductor layer 122. The first conductive film is formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD) (metal organic chemical deposition (MOCVD), metal chemical vapor deposition, atomic layer deposition (ALD), or plasma chemical vapor deposition ( PECVD) method), vapor deposition method, pulsed laser deposition (PLD) method and the like.
第1の導電膜の材料は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。たとえば、積層する場合に、酸化物半導体層122と接触する下側の導電層は酸素と結合しやすい材料を有し、上側の導電層には耐酸化性の強い材料を有することができる。また、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。 The material of the first conductive film is copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel Low (Ni), chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) It is preferable to form a single layer or a stacked layer of a conductive film containing a simple substance made of a resistive material, an alloy, or a compound containing these as a main component. For example, in the case of stacking, the lower conductive layer in contact with the oxide semiconductor layer 122 can include a material that easily binds to oxygen, and the upper conductive layer can include a material having high oxidation resistance. In addition, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.
例えば、厚さ20乃至100nmのタングステン膜をスパッタリング法により第1の導電膜として形成することができる。 For example, a tungsten film with a thickness of 20 to 100 nm can be formed as the first conductive film by a sputtering method.
なお、第1の導電膜を加工して形成される導電層130bは、この後の工程において、ハードマスクとしての機能と、ソース電極、ドレイン電極の機能を有することができ、追加の成膜工程が不要であるため、半導体製造工程の短縮を図ることができる。 Note that the conductive layer 130b formed by processing the first conductive film can have a function of a hard mask and a function of a source electrode and a drain electrode in a subsequent process, and an additional film formation process. Therefore, the semiconductor manufacturing process can be shortened.
<酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122の形成>
次に、リソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて、第1の導電膜の一部をエッチングし、導電層130bを形成する。続いて、導電層130b上のレジストを除去し、導電層130bをハードマスクとして、酸化物半導体膜、第1の酸化物絶縁層膜の一部をそれぞれエッチングし、酸化物半導体層122、酸化物絶縁層121を島状に形成することができる(図16参照)。なお、エッチング方法としては、ドライエッチング法を用いることができる。なお、導電層130bをハードマスクとして用いて酸化物半導体層をエッチングすることで、レジストマスクと比べてエッチングした後の酸化物半導体層のエッジラフネスを低減することができる。
<Formation of Oxide Insulating Layer 121 and Oxide Semiconductor Layer 122>
Next, a resist mask is formed by a lithography process, and part of the first conductive film is etched using the resist mask to form the conductive layer 130b. Subsequently, the resist over the conductive layer 130b is removed, and using the conductive layer 130b as a hard mask, part of the oxide semiconductor film and the first oxide insulating layer film is etched, and the oxide semiconductor layer 122, the oxide The insulating layer 121 can be formed in an island shape (see FIG. 16). Note that a dry etching method can be used as an etching method. Note that when the oxide semiconductor layer is etched using the conductive layer 130b as a hard mask, the edge roughness of the oxide semiconductor layer after etching can be reduced as compared with the resist mask.
<第2の絶縁膜の成膜>
次に、絶縁層119、導電層130b上に絶縁層175となる第2の絶縁膜を成膜する。第2の絶縁膜は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、スパッタ法、またはスピンコーティング法等により、例えば、酸化アルミニウム(SiOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化ゲルマニウム(GeOx)、酸化イットリウム(YOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化ランタン(LaOx)、酸化ネオジム(NdOx)、酸化ハフニウム(HfOx)および酸化タンタル(TaOx)などの酸化物絶縁膜、窒化シリコン(SiNx)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)、窒化アルミニウム(AlNx)、窒化酸化アルミニウム(AlNxOy)などの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよい。
<Deposition of second insulating film>
Next, a second insulating film to be the insulating layer 175 is formed over the insulating layer 119 and the conductive layer 130b. The second insulating film is formed by, for example, aluminum oxide (SiOx), magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx) by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), sputtering, spin coating, or the like. ), Silicon oxynitride (SiOxNy), gallium oxide (GaOx), germanium oxide (GeOx), yttrium oxide (YOx), zirconium oxide (ZrOx), lanthanum oxide (LaOx), neodymium oxide (NdOx), hafnium oxide (HfOx) And oxide insulating films such as tantalum oxide (TaOx), nitride insulating films such as silicon nitride (SiNx), silicon nitride oxide (SiNxOy), aluminum nitride (AlNx), aluminum nitride oxide (AlNxOy), or a mixed material thereof Using It can be formed. Alternatively, a laminate of the above materials may be used.
または、第2の絶縁膜は、低誘電率の材料(Low−k材料)を用いてもよい。たとえば、数%のフッ素(F)を導入した酸化シリコン(SiOF)、数%の炭素(C)を導入した酸化シリコン(SiOC)、フッ素化シリケートガラス(FSG)、有機シリケートガラス(OSG)、水素化シルセスキオキサン(HSQ)、メチルシルセスキオキサン(MSQ)、有機ポリマー、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、フッ素を添加したアモルファスカーボンなどを用いて形成することができる。 Alternatively, a low dielectric constant material (Low-k material) may be used for the second insulating film. For example, silicon oxide (SiOF) introduced with several percent of fluorine (F), silicon oxide (SiOC) introduced with several percent of carbon (C), fluorinated silicate glass (FSG), organic silicate glass (OSG), hydrogen Silsesquioxane (HSQ), methyl silsesquioxane (MSQ), organic polymer, fluororesin (polytetrafluoroethylene), polyimide, amorphous carbon to which fluorine is added, or the like can be used.
なお、第2の加熱処理は、第2の絶縁膜成膜後に行ってもよい。 Note that the second heat treatment may be performed after the second insulating film is formed.
<第2の絶縁膜の平坦化>
次に、第2の絶縁膜の平坦化処理を行い、絶縁層175bを形成する。平坦化処理は、CMP法、ドライエッチング法、リフロー法などを用いて行うことができる。また、CMP法を用いて平坦化する場合には、第2の絶縁膜上に第2の絶縁膜と組成の異なる膜を導入することにより、研磨処理後の基板面内の絶縁層175の膜厚を均一にすることができる。
<Planarization of the second insulating film>
Next, planarization treatment of the second insulating film is performed to form the insulating layer 175b. The planarization treatment can be performed using a CMP method, a dry etching method, a reflow method, or the like. In the case where planarization is performed using the CMP method, a film having a composition different from that of the second insulating film is introduced over the second insulating film, whereby the film of the insulating layer 175 in the substrate surface after the polishing treatment is used. The thickness can be made uniform.
なお、第2の加熱処理は、第3の絶縁膜を平坦化した後に行ってもよい。 Note that the second heat treatment may be performed after the third insulating film is planarized.
<溝部の形成、およびソース電極層130、ゲート絶縁層150の形成>
次に、絶縁層175b上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。
<Formation of Groove and Formation of Source Electrode Layer 130 and Gate Insulating Layer 150>
Next, a resist mask is formed over the insulating layer 175b by a lithography process.
なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、少なくともソース電極層130、ドレイン電極層140となる導電層130bを分断する領域において、電子ビーム露光、液浸露光、EUV露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、エッチング工程によって当該領域をエッチングすればよい。なお、電子ビーム露光でレジストマスクを形成する場合、当該レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を100nm以下、さらには30nm以下とするトランジスタを形成することができる。または、極めて波長の短い光(例えば極端紫外光(EUV:Extreme Ultra− violet))や、X線等を用いた露光技術によって微細な加工を行ってもよい。 Note that in the case of forming a transistor with an extremely short channel length, at least in a region where the conductive layer 130b to be the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 is divided, thin line processing such as electron beam exposure, immersion exposure, and EUV exposure is performed. A resist mask process may be performed using a suitable method, and the region may be etched by an etching process. Note that in the case where a resist mask is formed by electron beam exposure, if a positive resist is used as the resist mask, an exposure region can be minimized and throughput can be improved. By using such a method, a transistor with a channel length of 100 nm or less, further 30 nm or less can be formed. Alternatively, fine processing may be performed by an exposure technique using extremely short wavelength light (for example, extreme ultraviolet light (EUV)) or X-rays.
また、酸化膜や導電材料を用いたハードマスクを形成してもよい。 Further, a hard mask using an oxide film or a conductive material may be formed.
上記マスクを用いて、第2の絶縁膜の一部をドライエッチング法によりエッチングし、溝加工処理を行う。選択的にエッチング処理が進行することで、絶縁層175、溝部174が形成される。 Using the mask, a part of the second insulating film is etched by a dry etching method, and groove processing is performed. As the etching process proceeds selectively, the insulating layer 175 and the groove 174 are formed.
続いて、露出した導電層130bを分断する形で選択的にエッチングが進行し、ソース電極層130、ドレイン電極層140を形成することができる(図17参照)。 Subsequently, etching proceeds selectively so as to divide the exposed conductive layer 130b, whereby the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 can be formed (see FIG. 17).
なお、ソース電極層130、ドレイン電極層140を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理を行ってもよい。この洗浄処理を行うことで、ソース電極層130、ドレイン電極層140の短絡を抑制することができる。当該洗浄処理は、TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide)溶液などのアルカリ性の溶液、希釈したフッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液を用いて行うことができる。なお、洗浄処理により、酸化物半導体層122の一部がエッチングされ、酸化物半導体層122に凹部が形成される。 Note that after the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 are formed, a cleaning process may be performed in order to remove etching residues. By performing this cleaning treatment, a short circuit between the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 can be suppressed. The cleaning treatment can be performed using an alkaline solution such as a TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide) solution or an acidic solution such as diluted hydrofluoric acid, oxalic acid, or phosphoric acid. Note that part of the oxide semiconductor layer 122 is etched by the cleaning treatment, so that a depression is formed in the oxide semiconductor layer 122.
なお、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122、ソース電極層130、ドレイン電極層140の形成順序については、変更することができる。例えば、ソース電極層130、ドレイン電極を形成するための溝部174を先に設けてから、酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122を形成してもよい。 Note that the order of forming the oxide insulating layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the source electrode layer 130, and the drain electrode layer 140 can be changed. For example, the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 may be formed after the groove 174 for forming the source electrode layer 130 and the drain electrode is provided first.
例えば、第2の絶縁膜として形成した酸化窒化シリコン膜を平坦化後、当該酸化窒化シリコン膜上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクと、炭素、フッ素を有するガスとを用いてドライエッチングすることにより酸化窒化シリコンの開口処理を行い、塩素、フッ素系のガスを用いて導電層130bをドライエッチングすることにより、ソース電極層130、ドレイン電極層140を形成することができる。 For example, after a silicon oxynitride film formed as the second insulating film is planarized, a resist mask is formed over the silicon oxynitride film, and dry etching is performed using the resist mask and a gas containing carbon and fluorine. Thus, the opening process of silicon oxynitride is performed, and the conductive layer 130b is dry-etched using a chlorine or fluorine-based gas, whereby the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 can be formed.
<第2の酸化物半導体膜123aの形成>
次に、酸化物半導体層122、絶縁層175上に酸化物絶縁層123として用いられる第2の酸化物半導体膜123aを成膜する。第2の酸化物半導体膜123aは、第1の酸化物半導体膜と同様の方法で成膜することができ、第2の酸化物半導体膜123aは、第2の酸化物半導体膜よりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。
<Formation of Second Oxide Semiconductor Film 123a>
Next, a second oxide semiconductor film 123 a used as the oxide insulating layer 123 is formed over the oxide semiconductor layer 122 and the insulating layer 175. The second oxide semiconductor film 123a can be formed by a method similar to that of the first oxide semiconductor film, and the second oxide semiconductor film 123a has an electron affinity higher than that of the second oxide semiconductor film. The material can be selected so as to be small.
例えば、第2の酸化物半導体膜123aとして、スパッタリング法により、In:Ga:Zn=1:3:2(原子数比)のターゲットを用いて厚さ5nm成膜した酸化物半導体膜を用いることができる。 For example, as the second oxide semiconductor film 123a, an oxide semiconductor film formed with a thickness of 5 nm by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 2 (atomic ratio) is used. Can do.
<絶縁膜150aの形成>
次に、酸化物半導体膜123a上にゲート絶縁層150となる第3の絶縁膜150aを形成する。第3の絶縁膜150aには、例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化マグネシウム(MgOx)、酸化シリコン(SiOx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy)、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。なお、第3の絶縁膜150aは、上記材料の積層であってもよい。第3の絶縁膜150aは、スパッタ法、CVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、などを用いて形成することができる。また、第3の絶縁膜150aは、絶縁層110と同様の方法を適宜用いて絶縁膜を形成することができる。
<Formation of Insulating Film 150a>
Next, a third insulating film 150a to be the gate insulating layer 150 is formed over the oxide semiconductor film 123a. Examples of the third insulating film 150a include aluminum oxide (AlOx), magnesium oxide (MgOx), silicon oxide (SiOx), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, and oxide. Yttrium, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and the like can be used. Note that the third insulating film 150a may be a stack of any of the above materials. The third insulating film 150a can be formed by sputtering, CVD (plasma CVD, MOCVD, ALD, or the like), MBE, or the like. The third insulating film 150a can be formed using an insulating film as appropriate by using a method similar to that of the insulating layer 110.
例えば、第3の絶縁膜150aとしてプラズマCVD法により酸化窒化シリコンを10nm形成することができる。 For example, 10 nm of silicon oxynitride can be formed as the third insulating film 150a by a plasma CVD method.
<導電膜160aの形成>
次に、第3の絶縁膜150a上にゲート電極層160となる第2の導電膜160aを成膜する。(図18参照)。第2の導電膜160aとしては、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。第2の導電膜160aは、スパッタ法やCVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、蒸着法、めっき法などにより形成することができる。また、第2の導電膜160aとしては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記導電膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。また、第2の導電膜160aは、単層でもよいし、積層でもよい。
<Formation of Conductive Film 160a>
Next, a second conductive film 160a to be the gate electrode layer 160 is formed over the third insulating film 150a. (See FIG. 18). As the second conductive film 160a, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr) Molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), tantalum (Ta), tungsten (W), or an alloy material containing these as a main component can be used. . The second conductive film 160a can be formed by a sputtering method, a CVD method (plasma CVD method, MOCVD method, ALD method, or the like), an MBE method, an evaporation method, a plating method, or the like. As the second conductive film 160a, a conductive film containing nitrogen may be used, or a stacked layer of the above conductive film and a conductive film containing nitrogen may be used. The second conductive film 160a may be a single layer or a stacked layer.
例えば、導電膜160aとしてALD法により窒化チタンを10nm、タングステンをメタルCVD法により150nmの積層構造とすることができる。 For example, the conductive film 160a can have a stacked structure of 10 nm of titanium nitride by ALD and 150 nm of tungsten by metal CVD.
<平坦化処理>
次に、平坦化処理を行う。平坦化処理は、CMP法、ドライエッチング法などを用いて行うことができる。
<Planarization treatment>
Next, a flattening process is performed. The planarization treatment can be performed using a CMP method, a dry etching method, or the like.
なお、平坦化処理は、実施の形態1で説明した方法で処理することが望ましい。第3の絶縁膜150aが露出した時点で終了してもよいし、第2の酸化物半導体膜123aが露出した時点で終了してもよいし、絶縁層175が露出した時点で終了してもよい。これにより、ゲート電極層160、ゲート絶縁層150、酸化物絶縁層123を形成することができる(図19参照)。 Note that the planarization process is preferably performed by the method described in Embodiment 1. The process may end when the third insulating film 150a is exposed, may end when the second oxide semiconductor film 123a is exposed, or may end when the insulating layer 175 is exposed. Good. Thus, the gate electrode layer 160, the gate insulating layer 150, and the oxide insulating layer 123 can be formed (see FIG. 19).
本発明を用いることにより、導電層165の表面をきわめて平坦にすることができる。 By using the present invention, the surface of the conductive layer 165 can be extremely flat.
トランジスタ10においては、酸素欠損が生じにくい酸化物絶縁層123を設けることにより、チャネル幅方向における酸化物絶縁層123の側面からの酸素の脱離が抑制され、酸素欠損の生成を抑制することができる。その結果、電気的特性が向上され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。 In the transistor 10, by providing the oxide insulating layer 123 in which oxygen vacancies are less likely to be generated, desorption of oxygen from the side surfaces of the oxide insulating layer 123 in the channel width direction is suppressed, and generation of oxygen vacancies can be suppressed. it can. As a result, a transistor with improved electrical characteristics and high reliability can be realized.
次に、第3の加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、好ましくは250℃以上500℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とすることができる。当該加熱処理により、絶縁層(例えば絶縁層175)に添加された酸素が拡散し、酸化物半導体層122まで移動し、酸化物半導体層122中に存在する酸素欠損に対して酸素を補填することができる。 Next, third heat treatment may be performed. The heat treatment is typically 150 ° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. By the heat treatment, oxygen added to the insulating layer (eg, the insulating layer 175) diffuses and moves to the oxide semiconductor layer 122, so that oxygen is supplied to oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122. Can do.
例えば、酸素雰囲気下で、400℃1時間の加熱処理を行うことができる。 For example, heat treatment can be performed at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.
<絶縁層170の形成>
次に、絶縁層110、ソース電極層130、ドレイン電極層140、絶縁層172上に、絶縁層170形成する(図9参照)。絶縁層170は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタリング法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよい。
<Formation of Insulating Layer 170>
Next, the insulating layer 170 is formed over the insulating layer 110, the source electrode layer 130, the drain electrode layer 140, and the insulating layer 172 (see FIG. 9). The insulating layer 170 is formed by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), sputtering, or the like, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, Formed using oxide insulating films such as zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can do. Alternatively, a laminate of the above materials may be used.
また、絶縁層170は、スパッタリング法により形成した酸化アルミニウム膜とすることが好ましい。スパッタリング法で酸化アルミニウム膜を成膜する際に、成膜時に使用するガスとして、酸素ガスを有することが望ましい。また、酸素ガスは1体積%以上100体積%以下、好ましくは4体積%以上100体積%以下、さらに好ましくは10体積%以上100体積%以下有することが望ましい。酸素を1体積%以上とすることで、絶縁層170と接する絶縁層との間に混合層を形成し、当該接する絶縁層、あるいは当該混合層に余剰酸素を供給することができる。また、当該膜に接した層に対して余剰酸素を添加することができる。 The insulating layer 170 is preferably an aluminum oxide film formed by a sputtering method. When forming an aluminum oxide film by a sputtering method, it is desirable to have an oxygen gas as a gas used at the time of film formation. In addition, the oxygen gas is desirably contained in an amount of 1% to 100% by volume, preferably 4% to 100% by volume, and more preferably 10% to 100% by volume. By setting oxygen to 1% by volume or more, a mixed layer can be formed between the insulating layer 170 and the insulating layer in contact with the insulating layer 170, and excess oxygen can be supplied to the insulating layer in contact with the insulating layer or the mixed layer. Further, excess oxygen can be added to the layer in contact with the film.
例えば、絶縁層170として、酸化アルミニウムをターゲットに用いて、スパッタリング時に用いるガスとして、酸素ガスを50体積%含有させて成膜を行い、厚さは20nm乃至40nmとすることができる。 For example, the insulating layer 170 can be formed using aluminum oxide as a target and oxygen gas as a gas used at the time of sputtering in an amount of 50% by volume, and the thickness can be 20 nm to 40 nm.
次に、第4の加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、好ましくは250℃以上500℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とすることができる。当該加熱処理により、絶縁層(例えば絶縁層110)に添加された余剰酸素が拡散し、酸化物半導体層122まで移動し、酸化物半導体層122中に存在する酸素欠損に対して余剰酸素を添加することができる。 Next, fourth heat treatment may be performed. The heat treatment is typically 150 ° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. By the heat treatment, surplus oxygen added to the insulating layer (eg, the insulating layer 110) diffuses, moves to the oxide semiconductor layer 122, and adds surplus oxygen to oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122. can do.
本実施の形態では、酸素雰囲気下で、400℃1時間の加熱処理を行うことができる。 In this embodiment, heat treatment can be performed at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.
<絶縁層180の成膜>
次に、絶縁層170上に絶縁層180を成膜する。絶縁層180は、絶縁層110と同様の方法で成膜することができる。
<Deposition of Insulating Layer 180>
Next, the insulating layer 180 is formed over the insulating layer 170. The insulating layer 180 can be formed by a method similar to that of the insulating layer 110.
絶縁層180は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタ法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよい。 The insulating layer 180 is formed by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), sputtering, or the like, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, Formed using oxide insulating films such as zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can do. Alternatively, a laminate of the above materials may be used.
なお、絶縁層180成膜後に加熱処理を行ってよいし、各工程でその都度行ってもよい。 Note that heat treatment may be performed after the insulating layer 180 is formed, or may be performed each time in each step.
<余剰酸素の添加>
また、余剰酸素を添加する処理は、絶縁層170を介した処理に限らず行ってもよい。酸素を添加する処理は、絶縁層110、絶縁層180に行ってもよいし、第1の酸化物絶縁層膜、第2の酸化物絶縁層膜に対して行ってもよいし、その他の絶縁層に行ってもよい。添加する酸素として、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等のいずれか一以上を用いる。また、酸素を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法等がある。
<Addition of excess oxygen>
Further, the process of adding excess oxygen is not limited to the process through the insulating layer 170. The treatment for adding oxygen may be performed on the insulating layer 110 and the insulating layer 180, or may be performed on the first oxide insulating layer film and the second oxide insulating layer film, or may be performed on other insulating materials. You may go to the layer. As oxygen to be added, one or more of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen atom ions, oxygen molecular ions, and the like are used. As a method for adding oxygen, there are an ion doping method, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, and the like.
余剰酸素を添加する方法としてイオン注入法を用いる場合、酸素原子イオンを用いてもよいし、酸素分子イオンを用いてもよい。酸素分子イオンを用いると、添加される膜へのダメージを低減することが可能である。酸素分子イオンは、当該余剰酸素が添加される膜表面で分離し、酸素原子イオンとなって添加される。酸素分子から酸素原子に分離するためにエネルギーが使用されるため、酸素分子イオンを当該余剰酸素が添加される膜に添加した場合における酸素原子イオンあたりのエネルギーは、酸素原子イオンを当該余剰酸素が添加される膜に添加した場合と比較して低い。このため、当該余剰酸素が添加される膜のダメージを低減できる。 When an ion implantation method is used as a method for adding surplus oxygen, oxygen atom ions may be used, or oxygen molecular ions may be used. When oxygen molecular ions are used, damage to the added film can be reduced. The oxygen molecular ions are separated on the surface of the film to which the excess oxygen is added and added as oxygen atom ions. Since energy is used to separate oxygen molecules from oxygen atoms, the energy per oxygen atom ion when oxygen molecule ions are added to the film to which the excess oxygen is added is the oxygen atom ions that the excess oxygen has. Low compared to the case of adding to the added film. For this reason, damage to the film to which the excess oxygen is added can be reduced.
また、酸素分子イオンを用いることで、当該余剰酸素が添加される膜に注入される酸素原子イオンそれぞれのエネルギーが低減するため、酸素原子イオンが注入される位置が浅い。このため、のちの加熱処理において、酸素原子が移動しやすくなり、酸化物半導体膜に、より多くの余剰酸素を供給することができる。 Further, by using oxygen molecular ions, the energy of each oxygen atom ion implanted into the film to which the excess oxygen is added is reduced, so that the position where the oxygen atom ions are implanted is shallow. Therefore, oxygen atoms easily move in the subsequent heat treatment, and more excess oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film.
また、酸素分子イオンを注入する場合は、酸素原子イオンを注入する場合と比較して、酸素原子イオンあたりのエネルギーが低い。このため、酸素分子イオンを用いて注入することで、加速電圧を高めることが可能であり、スループットを高めることが可能である。また、酸素分子イオンを用いて注入することで、酸素原子イオンを用いた場合と比較して、ドーズ量を半分にすることが可能である。この結果、スループットを高めることができる。 Also, when oxygen molecular ions are implanted, the energy per oxygen atom ion is lower than when oxygen atom ions are implanted. Therefore, by using oxygen molecular ions for implantation, the acceleration voltage can be increased, and the throughput can be increased. In addition, by implanting using oxygen molecular ions, the dose can be halved compared to when oxygen atom ions are used. As a result, the throughput can be increased.
当該余剰酸素が添加される膜に酸素を添加する場合、当該余剰酸素が添加される膜に酸素原子イオンの濃度プロファイルのピークが位置するような条件を用いて、当該余剰酸素が添加される膜に酸素を添加することが好ましい。この結果、酸素原子イオンを注入する場合に比べて、注入時の加速電圧を下げることができ、当該余剰酸素が添加される膜のダメージを低減することが可能である。即ち、当該余剰酸素が添加される膜の欠陥量を低減することができ、トランジスタの電気特性の変動を抑制することが可能である。さらには、絶縁層110および酸化物絶縁層121界面における酸素原子の添加量が、1×1021atoms/cm3未満、または1×1020atoms/cm3未満、または1×1019atoms/cm3未満となるように、当該余剰酸素が添加される膜に酸素を添加することで、絶縁層110に添加される酸素の量を低減できる。この結果、当該余剰酸素が添加される膜へのダメージを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。 When oxygen is added to the film to which the excess oxygen is added, the film to which the excess oxygen is added using conditions such that the peak of the concentration profile of oxygen atom ions is located in the film to which the excess oxygen is added It is preferable to add oxygen. As a result, the acceleration voltage at the time of implantation can be lowered compared with the case of implanting oxygen atom ions, and damage to the film to which excess oxygen is added can be reduced. That is, the amount of defects in the film to which the excess oxygen is added can be reduced, and fluctuations in electrical characteristics of the transistor can be suppressed. Further, the amount of oxygen atoms added at the interface between the insulating layer 110 and the oxide insulating layer 121 is less than 1 × 10 21 atoms / cm 3 , or less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , or 1 × 10 19 atoms / cm 3. By adding oxygen to the film to which excess oxygen is added so as to be less than 3, the amount of oxygen added to the insulating layer 110 can be reduced. As a result, damage to the film to which the excess oxygen is added can be reduced, and variation in electrical characteristics of the transistor can be suppressed.
また、酸素を有する雰囲気で発生させたプラズマに当該余剰酸素が添加される膜を曝すプラズマ処理(プラズマ浸漬イオン注入法)により、当該余剰酸素が添加される膜に酸素を添加してもよい。酸素を有する雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等の酸化性気体を有する雰囲気がある。なお、基板100側にバイアスを印加した状態で発生したプラズマに当該余剰酸素が添加される膜を曝すことで、当該余剰酸素が添加される膜への酸素添加量を増加させることが可能であり好ましい。このようなプラズマ処理を行う装置の一例として、アッシング装置がある。 Alternatively, oxygen may be added to the film to which the excess oxygen is added by plasma treatment (plasma immersion ion implantation method) in which the film to which the excess oxygen is added is exposed to plasma generated in an atmosphere containing oxygen. As an atmosphere containing oxygen, there is an atmosphere containing an oxidizing gas such as oxygen, ozone, dinitrogen monoxide, and nitrogen dioxide. Note that the amount of oxygen added to the film to which surplus oxygen is added can be increased by exposing the film to which the surplus oxygen is added to plasma generated with a bias applied to the substrate 100 side. preferable. An example of an apparatus that performs such plasma processing is an ashing apparatus.
例えば、加速電圧を60kVとし、ドーズ量が1×1016ions/cm2の酸素分子イオンをイオン注入法により絶縁層110に添加することができる。 For example, oxygen molecular ions having an acceleration voltage of 60 kV and a dose of 1 × 10 16 ions / cm 2 can be added to the insulating layer 110 by an ion implantation method.
次に、絶縁層180に対して、開口部を設けて導電層195を形成することができる。なお、導電層195形成時に実施の形態1で説明した方法を用いてもよい。 Next, the conductive layer 195 can be formed with an opening provided in the insulating layer 180. Note that the method described in Embodiment Mode 1 may be used when the conductive layer 195 is formed.
次に、導電層195上に、導電層を形成することができる。 Next, a conductive layer can be formed over the conductive layer 195.
以上の工程により、酸化物半導体膜の局在準位密度が低減され、ゲート絶縁層端部が保護され、さらにゲート電極層の酸化が抑制された優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる(図11)。また、経時変化やストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。 Through the above steps, a transistor having excellent electrical characteristics in which the localized state density of the oxide semiconductor film is reduced, the edge of the gate insulating layer is protected, and oxidation of the gate electrode layer is suppressed can be manufactured. Yes (FIG. 11). In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to aging and stress tests can be manufactured.
また、本発明を用いることで、容量素子の耐圧不良や、配線の接触不良も抑制することができ、半導体装置の安定動作が可能となる。 Further, by using the present invention, it is possible to suppress a breakdown voltage failure of the capacitor and a contact failure of the wiring, and the semiconductor device can be stably operated.
なお、本実施の形態で説明するトランジスタの製造方法は、従来の半導体製造設備に容易に導入することができる。 Note that the method for manufacturing a transistor described in this embodiment can be easily introduced into a conventional semiconductor manufacturing facility.
<トランジスタ10の変形例1:トランジスタ11>
図9に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ11について、図20を用いて説明する。
<Modification Example 1 of Transistor 10: Transistor 11>
A transistor 11 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 9 will be described with reference to FIGS.
図20(A)、図20(B)、図20(C)は、トランジスタ11の上面図および断面図である。図20(A)はトランジスタ11の上面図であり、図20(B)は、図20(A)の一点鎖線C1−C2間、図20(C)は、C3−C4間の断面図である。 20A, 20B, and 20C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 11, respectively. 20A is a top view of the transistor 11, FIG. 20B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line C1-C2 in FIG. 20A, and FIG. 20C is a cross-sectional view between C3-C4. .
トランジスタ11は、ソース電極層130、およびドレイン電極層140が酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122の側面と接する領域を有する点、絶縁層180を有する点で、トランジスタ10と異なる。絶縁層180は、絶縁層110と同様の材料を用いることができる。 The transistor 11 is different from the transistor 10 in that the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 have regions in contact with side surfaces of the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 and an insulating layer 180. The insulating layer 180 can be formed using a material similar to that of the insulating layer 110.
上記構造とすることで、トランジスタのオン電流を増加させることができる With the above structure, the on-state current of the transistor can be increased.
<トランジスタ10の変形例2、3、4:トランジスタ12、トランジスタ13、トランジスタ14>
図9に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ12について、図21を用いて説明する。
<Modifications 2, 3, and 4 of Transistor 10: Transistor 12, Transistor 13, and Transistor 14>
A transistor 12 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIGS. 9A and 9B will be described with reference to FIGS.
図21(A)、図21(B)、図21(C)は、トランジスタ12の上面図および断面図である。図21(A)はトランジスタ12の上面図であり、図21(B)は、図21(A)の一点鎖線D1−D2間、図21(C)は、D3−D4間の断面図である。 21A, 21B, and 21C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 12, respectively. 21A is a top view of the transistor 12, FIG. 21B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line D1-D2 in FIG. 21A, and FIG. 21C is a cross-sectional view between D3-D4. .
トランジスタ12は、酸化物絶縁層123、ゲート絶縁層150、およびゲート電極層160がソース電極層130、およびドレイン電極層140と重なる点が、トランジスタ10と異なる。 The transistor 12 is different from the transistor 10 in that the oxide insulating layer 123, the gate insulating layer 150, and the gate electrode layer 160 overlap with the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140.
トランジスタ12において、図22のようにゲート電極層160の端部と、ゲート絶縁層150および酸化物絶縁層123の端部をずらした構造(トランジスタ13)としてもよいし、図23のようにソース電極層130、およびドレイン電極層140が酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122の側面と接する領域を有する構造(トランジスタ14)としてもよい。 The transistor 12 may have a structure (transistor 13) in which the end portion of the gate electrode layer 160 is shifted from the end portions of the gate insulating layer 150 and the oxide insulating layer 123 as shown in FIG. A structure in which the electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 have regions in contact with side surfaces of the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 (the transistor 14) may be employed.
<トランジスタ10の変形例5、6:トランジスタ15、トランジスタ16> <Modifications 5 and 6 of transistor 10: transistor 15 and transistor 16>
図24(A)、図24(B)、図24(C)は、トランジスタ12の上面図および断面図である。図24(A)はトランジスタ12の上面図であり、図24(B)は、図24(A)の一点鎖線G1−G2間、図24(C)は、G3−G4間の断面図である。 24A, 24B, and 24C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 12, respectively. 24A is a top view of the transistor 12, FIG. 24B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line G1-G2 in FIG. 24A, and FIG. 24C is a cross-sectional view between G3-G4. .
トランジスタ15は、導電層165をメインのゲート電極層として用いている点で、トランジスタ10と異なる。そのため、酸化物絶縁層123を設けた構造としてもよいし、図25のように酸化物絶縁層123を設けない構造(トランジスタ16)としてもよい。 The transistor 15 is different from the transistor 10 in that the conductive layer 165 is used as a main gate electrode layer. Therefore, a structure in which the oxide insulating layer 123 is provided may be employed, or a structure in which the oxide insulating layer 123 is not provided (transistor 16) as illustrated in FIG.
<トランジスタ10の変形例7、8:トランジスタ17、トランジスタ18>
図9に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ16について、図26を用いて説明する。
<Modifications 7 and 8 of Transistor 10: Transistor 17, Transistor 18>
A transistor 16 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIGS. 9A and 9B will be described with reference to FIGS.
図26(A)、図26(B)、図26(C)は、トランジスタ16の上面図および断面図である。図26(A)はトランジスタ16の上面図であり、図26(B)は、図26(A)の一点鎖線G1−G2間、図26(C)は、G3−G4間の断面図である。 26A, 26B, and 26C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 16, respectively. 26A is a top view of the transistor 16, FIG. 26B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line G1-G2 in FIG. 26A, and FIG. 26C is a cross-sectional view between G3-G4. .
トランジスタ17は、酸化物半導体層122上にソース電極層130が重なる領域、ドレイン電極層140が重なる領域、ゲート電極層160が重なる領域、ソース電極層130、ドレイン電極層140、あるいはゲート電極層160のいずれも重ならない領域(オフセット領域)を有している点で、トランジスタ10と異なる。なお、ゲート電極層160とソース電極層130間、あるいはゲート電極層160とドレイン電極層140間のオフセット領域に対して、低抵抗領域124を形成することが好ましい。低抵抗領域124は、例えばイオンの添加処理により形成することができる。また、トランジスタ17は、ゲート電極層160とソース電極層130との間の寄生容量、ゲート電極層160とドレイン電極層140との間の寄生容量を低減させることができるため、トランジスタの遮断周波数特性が向上するなど、トランジスタの高速動作が可能となる。 The transistor 17 includes a region where the source electrode layer 130 overlaps with the oxide semiconductor layer 122, a region where the drain electrode layer 140 overlaps, a region where the gate electrode layer 160 overlaps, the source electrode layer 130, the drain electrode layer 140, and the gate electrode layer 160. Both of these are different from the transistor 10 in that they have a non-overlapping region (offset region). Note that the low resistance region 124 is preferably formed in the offset region between the gate electrode layer 160 and the source electrode layer 130 or between the gate electrode layer 160 and the drain electrode layer 140. The low resistance region 124 can be formed by, for example, ion addition treatment. In addition, since the transistor 17 can reduce the parasitic capacitance between the gate electrode layer 160 and the source electrode layer 130 and the parasitic capacitance between the gate electrode layer 160 and the drain electrode layer 140, the cutoff frequency characteristics of the transistor can be reduced. Thus, the transistor can be operated at high speed.
また、図27のようにソース電極層130、およびドレイン電極層140が酸化物絶縁層121、酸化物半導体層122の側面と接する領域を有する構造(トランジスタ18)としてもよい。 In addition, a structure in which the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 have regions in contact with side surfaces of the oxide insulating layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 as illustrated in FIG.
<イオン添加>
イオンの添加処理の材料として、水素、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ホウ素、リン、タングステン、アルミニウムなどを用いることができる。添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法などを用いることができる。微細化においては、イオン注入法により所定のイオン以外の不純物の添加を抑えることができるので望ましい。また、イオンドーピング法、プラズマ浸漬イオン注入法は、大面積を処理する場合に優れている。
<Ion addition>
As a material for the ion addition treatment, hydrogen, nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, boron, phosphorus, tungsten, aluminum, or the like can be used. As the addition method, an ion doping method, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, or the like can be used. In miniaturization, the addition of impurities other than predetermined ions can be suppressed by an ion implantation method, which is desirable. In addition, the ion doping method and the plasma immersion ion implantation method are excellent when a large area is processed.
イオン添加処理により、酸化物半導体層122に酸素欠損が形成され、低抵抗領域124を有することができる。 By the ion addition treatment, oxygen vacancies are formed in the oxide semiconductor layer 122 and the low resistance region 124 can be provided.
また、ゲート電極層160に側壁を設け、当該イオンを添加することで、電界緩和を図ることができ、トランジスタの電気特性(例えば信頼性)を向上させることができる。 Further, by providing a sidewall in the gate electrode layer 160 and adding the ions, electric field relaxation can be achieved, and electrical characteristics (eg, reliability) of the transistor can be improved.
また、ソース電極層130、ドレイン電極層140を設けない構造としてもよい。 Alternatively, the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 may be omitted.
また、水素を有した絶縁膜を形成し、その後加熱処理を行うことで低抵抗領域を形成することができる。当該絶縁膜を用いた場合、低抵抗化させると同時に不活化機能も有することができ、トランジスタの製造工程を短縮することができる。 Further, the low resistance region can be formed by forming an insulating film containing hydrogen and then performing heat treatment. In the case where the insulating film is used, the resistance can be lowered and the inactivation function can be provided, and the manufacturing process of the transistor can be shortened.
また、高密度プラズマ処理法を用いて低抵抗領域を形成することもできる。 Further, the low resistance region can be formed by using a high density plasma treatment method.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態3)
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the structure of the oxide semiconductor is described.
<酸化物半導体の構造>
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、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。
<Structure of oxide semiconductor>
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS (c-axis-aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor) : Amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体およびnc−OSなどがある。 From another point of view, oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. Examples of a crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and an nc-OS.
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。 Amorphous structures are generally isotropic, have no heterogeneous structure, are metastable, have no fixed atomic arrangement, have a flexible bond angle, have short-range order, but long-range order It is said that it does not have.
逆の見方をすると、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a−like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。 In other words, a stable oxide semiconductor cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (for example, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. On the other hand, an a-like OS is not isotropic but has an unstable structure having a void (also referred to as a void). In terms of being unstable, a-like OS is physically close to an amorphous oxide semiconductor.
<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
<CAAC-OS>
First, the CAAC-OS will be described.
CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。 A CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).
CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図28(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。 A case where the CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) is described. For example, when CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal classified into the space group R-3m is subjected to structural analysis by an out-of-plane method, a diffraction angle (2θ) as illustrated in FIG. Shows a peak near 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has a c-axis orientation, and the plane on which the c-axis forms a CAAC-OS film (formation target) It can also be confirmed that it faces a direction substantially perpendicular to the upper surface. In addition to the peak where 2θ is around 31 °, a peak may also appear when 2θ is around 36 °. The peak where 2θ is around 36 ° is attributed to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, the CAAC-OS preferably does not show the peak.
一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図28(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnO4に対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図28(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。 On the other hand, when structural analysis is performed on the CAAC-OS by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction parallel to a formation surface, a peak appears at 2θ of around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Even if 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and the analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and φ scan is performed on single crystal InGaZnO 4 , as shown in FIG. 28C, six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. Is done. Therefore, structural analysis using XRD can confirm that the CAAC-OS has irregular orientations in the a-axis and the b-axis.
次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図28(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnO4の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図28(E)に示す。図28(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図28(E)における第1リングは、InGaZnO4の結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図28(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。 Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS including an InGaZnO 4 crystal in parallel with a formation surface of the CAAC-OS, a diffraction pattern (restricted field of view) illustrated in FIG. Sometimes referred to as an electron diffraction pattern). This diffraction pattern includes spots caused by the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, electron diffraction shows that the pellets included in the CAAC-OS have c-axis alignment, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 28E shows a diffraction pattern obtained when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample in a direction perpendicular to the sample surface. A ring-like diffraction pattern is confirmed from FIG. Therefore, it can be seen that the a-axis and the b-axis of the pellet included in the CAAC-OS have no orientation even by electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm. Note that the first ring in FIG. 28E is considered to be derived from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 28E is considered to be due to the (110) plane or the like.
また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC−OSは、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。 In addition, when a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a bright field image and a diffraction pattern of a CAAC-OS is observed with a transmission electron microscope (TEM), a plurality of pellets are confirmed. Can do. On the other hand, even in a high-resolution TEM image, the boundary between pellets, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) may not be clearly confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS does not easily lower the electron mobility due to the crystal grain boundary.
図29(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって観察することができる。 FIG. 29A shows a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS observed from a direction substantially parallel to the sample surface. For observation of the high-resolution TEM image, a spherical aberration correction function was used. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly referred to as a Cs-corrected high-resolution TEM image. The Cs-corrected high resolution TEM image can be observed, for example, with an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.
図29(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−OSの膜を被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。 From FIG. 29A, a pellet which is a region where metal atoms are arranged in layers can be confirmed. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. Therefore, the pellet can also be referred to as a nanocrystal (nc). In addition, the CAAC-OS can be referred to as an oxide semiconductor including CANC (C-Axis aligned nanocrystals). The pellet reflects the unevenness of the surface or top surface of the CAAC-OS film, and is parallel to the surface or top surface of the CAAC-OS.
また、図29(B)および図29(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図29(D)および図29(E)は、それぞれ図29(B)および図29(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図29(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。 FIGS. 29B and 29C show Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of the CAAC-OS observed from the direction substantially perpendicular to the sample surface. FIGS. 29D and 29E are images obtained by performing image processing on FIGS. 29B and 29C, respectively. Hereinafter, an image processing method will be described. First, an FFT image is obtained by performing Fast Fourier Transform (FFT) processing on FIG. Then, relative to the origin in the FFT image acquired, for masking leaves a range between 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Next, the FFT-processed mask image is subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT) process to obtain an image-processed image. The image acquired in this way is called an FFT filtered image. The FFT filtered image is an image obtained by extracting periodic components from the Cs-corrected high-resolution TEM image, and shows a lattice arrangement.
図29(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。 In FIG. 29D, the portion where the lattice arrangement is disturbed is indicated by a broken line. A region surrounded by a broken line is one pellet. And the location shown with the broken line is the connection part of a pellet and a pellet. Since the broken line has a hexagonal shape, it can be seen that the pellet has a hexagonal shape. In addition, the shape of a pellet is not necessarily a regular hexagonal shape, and is often a non-regular hexagonal shape.
図29(E)では、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点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形が形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子間の結合距離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。 In FIG. 29E, a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned is indicated by a dotted line, and the change in the orientation of the lattice arrangement is shown. It is indicated by a broken line. A clear crystal grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. A distorted hexagon can be formed by connecting the surrounding lattice points around the lattice points near the dotted line. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the bond distance between atoms is not dense in the ab plane direction, or the bond distance between atoms changes when a metal element is substituted. This is thought to be possible.
以上に示すように、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ペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−alingned a−b−plane−anchored crystal)と称することもできる。 As described above, the CAAC-OS has a c-axis alignment and a crystal structure in which a plurality of pellets (nanocrystals) are connected in the ab plane direction to have a strain. Therefore, the CAAC-OS can also be referred to as a CAA crystal (c-axis-allocated a-b-plane-anchored crystal).
CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。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、逆の見方をすると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。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated by entry of impurities, generation of defects, or the like, in reverse, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies).
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。 Note that the impurity means an element other than the main components of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. For example, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element included in an oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen, thereby reducing crystallinity. It becomes a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and decreases crystallinity.
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。 In the case where an oxide semiconductor has impurities or defects, characteristics may fluctuate due to light, heat, or the like. For example, an impurity contained in the oxide semiconductor might serve as a carrier trap or a carrier generation source. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor may serve as carrier traps or may serve as carrier generation sources by capturing hydrogen.
不純物および酸素欠損の少ないCAAC−OSは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、8×1011個/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010個/cm3未満であり、1×10−9個/cm3以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。 A CAAC-OS with few impurities and oxygen vacancies is an oxide semiconductor with low carrier density. Specifically, less than 8 × 10 11 atoms / cm 3, preferably 1 × 10 11 / cm less than 3, more preferably less than 1 × 10 10 atoms / cm 3, 1 × 10 -9 / cm 3 or An oxide semiconductor having the above carrier density can be obtained. Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. The CAAC-OS has a low impurity concentration and a low density of defect states. That is, it can be said that the oxide semiconductor has stable characteristics.
<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
<Nc-OS>
Next, the nc-OS will be described.
nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。 A case where the nc-OS is analyzed by XRD will be described. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS by an out-of-plane method, a peak indicating orientation does not appear. That is, the nc-OS crystal has no orientation.
また、例えば、InGaZnO4の結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図30(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図30(B)に示す。図30(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。 For example, when an nc-OS including an InGaZnO 4 crystal is thinned and an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident on a region with a thickness of 34 nm in parallel to the formation surface, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. FIG. 30B shows a diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. From FIG. 30B, a plurality of spots are observed in the ring-shaped region. Therefore, nc-OS does not confirm order when an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident, but confirms order when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident.
また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図30(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。 Further, when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on a region having a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagon is observed as shown in FIG. There is a case. Therefore, it can be seen that the nc-OS has a highly ordered region, that is, a crystal in a thickness range of less than 10 nm. Note that there are some regions where a regular electron diffraction pattern is not observed because the crystal faces in various directions.
図30(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(fine crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。 FIG. 30D shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of a cross section of the nc-OS observed from a direction substantially parallel to the formation surface. The nc-OS has a region in which a crystal part can be confirmed, such as a portion indicated by an auxiliary line, and a region in which a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. A crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, particularly a size of 1 nm to 3 nm in many cases. Note that an oxide semiconductor in which the size of a crystal part is greater than 10 nm and less than or equal to 100 nm is sometimes referred to as a fine crystal oxide semiconductor. For example, the nc-OS may not be able to clearly confirm a crystal grain boundary in a high-resolution TEM image. Note that the nanocrystal may have the same origin as the pellet in the CAAC-OS. Therefore, the crystal part of nc-OS is sometimes referred to as a pellet below.
このように、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)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に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。 Thus, the nc-OS has a periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.
なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。 Note that since the crystal orientation is not regular between pellets (nanocrystals), nc-OS is an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned Nanocrystals), or an oxide having NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called a semiconductor.
nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS is an oxide semiconductor that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. Therefore, the nc-OS has a lower density of defect states than an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor. Note that the nc-OS does not have regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, the nc-OS has a higher density of defect states than the CAAC-OS.
<a−like OS>
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>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
図31に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図31(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図31(B)は4.3×108e−/nm2の電子(e−)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図31(A)および図31(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。 FIG. 31 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of an a-like OS. Here, FIG. 31A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 31B is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS after irradiation with electrons (e − ) of 4.3 × 10 8 e − / nm 2 . From FIG. 31A and FIG. 31B, it can be seen that in the a-like OS, a striped bright region extending in the vertical direction is observed from the start of electron irradiation. It can also be seen that the shape of the bright region changes after electron irradiation. The bright region is assumed to be a void or a low density region.
鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。 Since it has a void, the a-like OS has an unstable structure. Hereinafter, in order to show that the a-like OS has an unstable structure as compared with the CAAC-OS and the nc-OS, changes in the structure due to electron irradiation are shown.
試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。 As samples, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS are prepared. Each sample is an In—Ga—Zn oxide.
まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。 First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. Each sample has a crystal part by a high-resolution cross-sectional TEM image.
なお、InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnO4の結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。 Note that a unit cell of an InGaZnO 4 crystal has a structure in which three In—O layers and six Ga—Zn—O layers have a total of nine layers stacked in the c-axis direction. Are known. The spacing between these adjacent layers is about the same as the lattice spacing (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, in the following, a portion where the interval between lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less is regarded as a crystal part of InGaZnO 4 . Note that the lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.
図32は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図32より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図32より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e−)の累積照射量が4.2×108e−/nm2においては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図32より、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×105e−/(nm2・s)、照射領域の直径を230nmとした。 FIG. 32 is an example in which the average size of crystal parts (22 to 30 locations) of each sample was investigated. Note that the length of the lattice stripes described above is the size of the crystal part. From FIG. 32, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger according to the cumulative dose of electrons related to the acquisition of the TEM image and the like. According to FIG. 32, the crystal part (also referred to as initial nucleus) having a size of about 1.2 nm in the initial observation by TEM has an accumulated electron (e − ) irradiation dose of 4.2 × 10 8 e − / nm. In FIG. 2 , it can be seen that the crystal has grown to a size of about 1.9 nm. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, there is no change in the size of the crystal part in the range of the cumulative electron dose from the start of electron irradiation to 4.2 × 10 8 e − / nm 2. I understand. FIG. 32 shows that the crystal part sizes of the nc-OS and the CAAC-OS are approximately 1.3 nm and 1.8 nm, respectively, regardless of the cumulative electron dose. Note that a Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used for electron beam irradiation and TEM observation. The electron beam irradiation conditions were an acceleration voltage of 300 kV, a current density of 6.7 × 10 5 e − / (nm 2 · s), and an irradiation region diameter of 230 nm.
このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。 As described above, in the a-like OS, a crystal part may be grown by electron irradiation. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, the crystal part is hardly grown by electron irradiation. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure compared to the nc-OS and the CAAC-OS.
また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満となる。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満となる。単結晶の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。 In addition, since it has a void, the a-like OS has a lower density than the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of the single crystal having the same composition. Further, the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS are 92.3% or more and less than 100% of the density of the single crystal having the same composition. An oxide semiconductor that is less than 78% of the density of a single crystal is difficult to form.
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、a−like OSの密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3未満となる。 For example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Thus, for example, in an oxide semiconductor that satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of a-like OS is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3. . For example, in the oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS is 5.9 g / cm 3 or more and 6.3 g / less than cm 3 .
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。 Note that when single crystals having the same composition do not exist, it is possible to estimate a density corresponding to a single crystal having a desired composition by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to estimate the density corresponding to the single crystal of a desired composition using a weighted average with respect to the ratio which combines the single crystal from which a composition differs. However, the density is preferably estimated by combining as few kinds of single crystals as possible.
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 As described above, oxide semiconductors have various structures and various properties. Note that the oxide semiconductor may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS, for example.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a circuit using the transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.
<断面構造>
図33(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図33(A)において、X1−X2方向はチャネル長方向、Y1−Y2方向はチャネル幅方向を示す。図33(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。図33(A)では、第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100として、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
<Cross-section structure>
FIG. 33A is a cross-sectional view of the semiconductor device of one embodiment of the present invention. In FIG. 33A, the X1-X2 direction indicates the channel length direction, and the Y1-Y2 direction indicates the channel width direction. A semiconductor device illustrated in FIG. 33A includes a transistor 2200 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 2100 using a second semiconductor material in an upper portion. FIG. 33A illustrates an example in which the transistor illustrated in the above embodiment is applied as the transistor 2100 including the second semiconductor material. Note that the left side of the alternate long and short dash line is a cross section in the channel length direction of the transistor, and the right side is a cross section in the channel width direction.
第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体層以外の半導体材料(シリコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、有機半導体など)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体層とすることができる。酸化物半導体層以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することで、S値(サブスレッショルド値)を小さくすることができ、微細なトランジスタとすることが可能である。また、スイッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電流が低いためリーク電流が小さい。 The first semiconductor material and the second semiconductor material are preferably materials having different band gaps. For example, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor layer (silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, organic semiconductor The second semiconductor material can be an oxide semiconductor layer. A transistor using single crystal silicon or the like as a material other than the oxide semiconductor layer can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor layer can have a small S value (subthreshold value) and can be a minute transistor by using the transistor described in the above embodiment. It is. Further, since the switch speed is high, high speed operation is possible, and since the off current is low, the leakage current is small.
トランジスタ2200は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸化物半導体層を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。 The transistor 2200 may be either an n-channel transistor or a p-channel transistor, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit. In addition to the use of the transistor of one embodiment of the present invention using an oxide semiconductor layer, the specific structure of the semiconductor device, such as a material and a structure to be used, is not necessarily limited to that described here.
図33(A)に示す構成では、トランジスタ2200の上部に、絶縁体2201、絶縁体2207を介してトランジスタ2100が設けられている。また、トランジスタ2200とトランジスタ2100の間には、複数の配線2202が設けられている。また、各種絶縁体に埋め込まれた複数のプラグ2203により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ2100を覆う絶縁体2204と、絶縁体2204上に配線2205と、が設けられている。 In the structure illustrated in FIG. 33A, the transistor 2100 is provided over the transistor 2200 with the insulator 2201 and the insulator 2207 provided therebetween. A plurality of wirings 2202 are provided between the transistors 2200 and 2100. In addition, wirings and electrodes provided in the upper layer and the lower layer are electrically connected by a plurality of plugs 2203 embedded in various insulators. An insulator 2204 that covers the transistor 2100 and a wiring 2205 over the insulator 2204 are provided.
このように、2種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、より高密度に複数の回路を配置することができる。 Thus, by stacking two types of transistors, the area occupied by the circuit is reduced, and a plurality of circuits can be arranged at a higher density.
ここで、下層に設けられるトランジスタ2200にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ2200の半導体膜の近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ2200の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ2100に酸化物半導体層を用いた場合、トランジスタ2100の半導体膜の近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体層中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ2100の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸化物半導体層を用いたトランジスタ2100を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁体2207を設けることは特に効果的である。絶縁体2207により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ2100の信頼性も同時に向上させることができる。 Here, in the case where a silicon-based semiconductor material is used for the transistor 2200 provided in the lower layer, hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the semiconductor film of the transistor 2200 terminates dangling bonds of silicon, and the reliability of the transistor 2200 is increased. There is an effect to improve. On the other hand, in the case where an oxide semiconductor layer is used for the transistor 2100 provided as an upper layer, hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the semiconductor film of the transistor 2100 is one of the factors for generating carriers in the oxide semiconductor layer. Therefore, the reliability of the transistor 2100 may be reduced. Therefore, in the case where the transistor 2100 including an oxide semiconductor layer is provided over the transistor 2200 including a silicon-based semiconductor material, the insulator 2207 having a function of preventing hydrogen diffusion is provided between them. It is particularly effective. In addition to improving the reliability of the transistor 2200 by confining hydrogen in the lower layer with the insulator 2207, it is possible to simultaneously improve the reliability of the transistor 2100 by suppressing diffusion of hydrogen from the lower layer to the upper layer. it can.
絶縁体2207としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。 As the insulator 2207, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.
また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ2100を覆うように、トランジスタ2100上に水素の拡散を防止する機能を有するブロック膜を形成することが好ましい。当該ブロック膜としては、絶縁体2207と同様の材料を用いることができ、特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い。したがって、トランジスタ2100を覆う当該ブロック膜として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ2100に含まれる酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防止することができる。なお、当該ブロック膜は、絶縁体2204を積層にすることで用いてもよいし、絶縁体2204の下側に設けてもよい。 In addition, a block film having a function of preventing hydrogen diffusion is preferably formed over the transistor 2100 so as to cover the transistor 2100 including the oxide semiconductor film. As the block film, a material similar to that of the insulator 2207 can be used, and aluminum oxide is particularly preferably used. The aluminum oxide film has a high blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture and oxygen. Therefore, by using an aluminum oxide film as the block film covering the transistor 2100, desorption of oxygen from the oxide semiconductor film included in the transistor 2100 is prevented, and mixing of water and hydrogen into the oxide semiconductor film is prevented. Can be prevented. Note that the block film may be used by stacking the insulators 2204 or may be provided below the insulators 2204.
なお、トランジスタ2200は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、FIN(フィン)型、TRI−GATE(トライゲート)型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図33(D)に示す。半導体基板2211の上に、絶縁体2212が設けられている。半導体基板2211は、先端の細い凸部(フィンともいう)を有する。なお、凸部の上には、絶縁体が設けられていてもよい。その絶縁体は、凸部を形成するときに、半導体基板2211がエッチングされないようにするためのマスクとして機能するものである。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板2211の凸部の上には、ゲート絶縁体2214が設けられ、その上には、ゲート電極2213が設けられている。半導体基板2211には、ソース領域およびドレイン領域2215が形成されている。なお、ここでは、半導体基板2211が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。 Note that the transistor 2200 can be a transistor of various types as well as a planar transistor. For example, a transistor of FIN (fin) type, TRI-GATE (trigate) type, or the like can be used. An example of a cross-sectional view in that case is shown in FIG. An insulator 2212 is provided over the semiconductor substrate 2211. The semiconductor substrate 2211 has a convex portion (also referred to as a fin) with a thin tip. Note that an insulator may be provided on the convex portion. The insulator functions as a mask for preventing the semiconductor substrate 2211 from being etched when the convex portion is formed. In addition, the convex part does not need to have a thin tip, for example, it may be a substantially rectangular parallelepiped convex part or a thick convex part. A gate insulator 2214 is provided on the convex portion of the semiconductor substrate 2211, and a gate electrode 2213 is provided thereon. A source region and a drain region 2215 are formed in the semiconductor substrate 2211. Note that although the example in which the semiconductor substrate 2211 includes a convex portion is described here, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, an SOI substrate may be processed to form a semiconductor region having a convex portion.
<回路構成例>
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極を適宜接続することにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
<Circuit configuration example>
In the above structure, a variety of circuits can be formed by appropriately connecting the electrodes of the transistor 2100 and the transistor 2200. An example of a circuit configuration that can be realized by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below.
<CMOSインバータ回路>
図33(B)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOSインバータの構成を示している。
<CMOS inverter circuit>
The circuit diagram shown in FIG. 33B shows a structure of a so-called CMOS inverter in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and gates thereof are connected.
<CMOSアナログスイッチ>
また、図33(C)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。図33(A)において、X1−X2方向はチャネル長方向、Y1−Y2方向はチャネル幅方向を示す。このような構成とすることで、いわゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
<記憶装置の例>
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図34に示す。
<CMOS analog switch>
A circuit diagram illustrated in FIG. 33C illustrates a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected to each other. In FIG. 33A, the X1-X2 direction indicates the channel length direction, and the Y1-Y2 direction indicates the channel width direction. With such a configuration, it can function as a so-called CMOS analog switch.
<Example of storage device>
FIG. 34 shows an example of a semiconductor device (memory device) which uses a transistor which is one embodiment of the present invention and can hold stored data even when power is not supplied and has no limit on the number of writing times.
図34(A)に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、実施の形態1乃至3で説明したトランジスタを用いることができる。 A semiconductor device illustrated in FIG. 34A includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, the transistor described in any of Embodiments 1 to 3 can be used.
図34(B)に図34(A)に示す半導体装置の断面図を示す。当該断面図の半導体装置では、トランジスタ3300にバックゲートを設けた構成を示しているが、バックゲートを設けない構成であってもよい。 FIG. 34B is a cross-sectional view of the semiconductor device illustrated in FIG. In the semiconductor device in the cross-sectional view, the transistor 3300 is provided with a back gate; however, the back gate may not be provided.
トランジスタ3300は、酸化物半導体層を有する半導体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3300は、オフ電流が小さいため、これを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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 3300 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor including an oxide semiconductor layer. Since the transistor 3300 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 3300. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.
図34(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極は、トランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方、および容量素子3400の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。 In FIG. 34A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to a gate electrode of the transistor 3300. The gate electrode of the transistor 3200 is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 3300 and one of the electrodes of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 3400. Connected.
図34(A)に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 34A, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held.
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷が保持される(保持)。 Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the gate electrode of the transistor 3200 and the capacitor 3400. That is, predetermined charge is supplied to the gate of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off, so that the transistor 3300 is turned off, whereby the charge given to the gate of the transistor 3200 is held (held).
トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 3300 is extremely small, the charge of the gate of the transistor 3200 is held for a long time.
次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ3200のゲートに保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, according to the amount of charge held in the gate of the transistor 3200, The second wiring 3002 has different potentials. In general, when the transistor 3200 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H in the case where a high-level charge is applied to the gate electrode of the transistor 3200 is a low-level charge applied to the gate electrode of the transistor 3200. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of the case. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for turning on the transistor 3200. Therefore, the charge applied to the gate of the transistor 3200 can be determined by setting the potential of the fifth wiring 3005 to a potential V 0 between V th_H and V th_L . For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 3200 is turned on when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). In the case where a low-level charge is supplied , the transistor 3200 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (<V th_L ). Therefore, the stored information can be read by determining the potential of the second wiring 3002.
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, the fifth wiring 3005 may be supplied with a potential at which the transistor 3200 is turned off regardless of the state of the gate, that is, a potential lower than V th_H . Alternatively , a potential that turns on the transistor 3200 regardless of the state of the gate, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the fifth wiring 3005.
図34(C)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を設けていない点で図34(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。 A semiconductor device illustrated in FIG. 34C is different from FIG. 34A in that the transistor 3200 is not provided. In this case, information can be written and held by the same operation as described above.
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300がオン状態となると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の第1の端子の電位(あるいは容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。 Next, reading of information will be described. When the transistor 3300 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 3400 are brought into conduction, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400. As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in potential of the third wiring 3003 varies depending on the potential of the first terminal of the capacitor 3400 (or charge accumulated in the capacitor 3400).
例えば、容量素子3400の第1の端子の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子3400の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。 For example, the potential of the first terminal of the capacitor 3400 is V, the capacitance of the capacitor 3400 is C, the capacitance component of the third wiring 3003 is CB, and the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed Is VB0, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, when the potential of the first terminal of the capacitor 3400 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the third wiring 3003 in the case where the potential V1 is held. The potential (= (CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential of the third wiring 3003 when the potential V0 is held (= (CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)). I understand that
そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。 Then, information can be read by comparing the potential of the third wiring 3003 with a predetermined potential.
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。 In this case, a transistor to which the first semiconductor material is applied is used for a driver circuit for driving the memory cell, and a transistor to which the second semiconductor material is applied is stacked over the driver circuit as the transistor 3300. And it is sufficient.
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて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、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor layer for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。 In addition, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that the problem of deterioration of the gate insulating layer does not occur at all. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.
なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数のケースが考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。 Note that in this specification and the like, a person skilled in the art can connect all terminals of an active element (a transistor, a diode, etc.), a passive element (a capacitor element, a resistance element, etc.) without specifying connection destinations. Thus, it may be possible to constitute an aspect of the invention. That is, it can be said that one aspect of the invention is clear without specifying the connection destination. And, when the content specifying the connection destination is described in this specification etc., it is possible to determine that one aspect of the invention that does not specify the connection destination is described in this specification etc. There is. In particular, when a plurality of cases can be considered as the connection destination of the terminal, it is not necessary to limit the connection destination of the terminal to a specific location. Therefore, it is possible to constitute one embodiment of the present invention by specifying connection destinations of only some terminals of active elements (transistors, diodes, etc.) and passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.). There are cases.
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であると言える。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。 Note that in this specification and the like, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the connection portion of a circuit is specified. Alternatively, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the function of a circuit is specified. That is, if the function is specified, it can be said that one aspect of the invention is clear. Then, it may be possible to determine that one embodiment of the invention whose function is specified is described in this specification and the like. Therefore, if a connection destination is specified for a certain circuit without specifying a function, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. Alternatively, if a function is specified for a certain circuit without specifying a connection destination, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention.
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。そのため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体、有機材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数または複数記載された図面または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(Nは整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。 Note that in this specification and the like, a part of the drawings or texts described in one embodiment can be extracted to constitute one embodiment of the present invention. Therefore, when a figure or a sentence describing a certain part is described, the content of the extracted part of the figure or the sentence is also disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention. It shall be possible. Therefore, for example, active elements (transistors, diodes, etc.), wiring, passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.), conductive layers, insulating layers, semiconductors, organic materials, inorganic materials, parts, devices, operating methods, manufacturing methods, etc. In the drawings or texts in which one or more are described, a part thereof can be taken out to constitute one embodiment of the present invention. For example, from a circuit diagram having N (N is an integer) circuit elements (transistors, capacitors, etc.), M (M is an integer, M <N) circuit elements (transistors, capacitors) Etc.) can be extracted to constitute one embodiment of the invention. As another example, M (M is an integer and M <N) layers are extracted from a cross-sectional view including N layers (N is an integer) to form one embodiment of the invention. It is possible to do. As another example, M elements (M is an integer and M <N) are extracted from a flowchart including N elements (N is an integer) to form one aspect of the invention. It is possible to do.
<撮像装置>
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
<Imaging device>
The imaging device according to one embodiment of the present invention is described below.
図35(A)は、本発明の一態様に係る撮像装置200の例を示す平面図である。撮像装置200は、画素部210と、画素部210を駆動するための周辺回路260と、周辺回路270、周辺回路280と、周辺回路290と、を有する。画素部210は、p行q列(pおよびqは2以上の整数)のマトリクス状に配置された複数の画素211を有する。周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290は、それぞれ複数の画素211に接続し、複数の画素211を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路260は周辺回路の一部といえる。 FIG. 35A is a plan view illustrating an example of an imaging device 200 according to one embodiment of the present invention. The imaging device 200 includes a pixel unit 210, a peripheral circuit 260 for driving the pixel unit 210, a peripheral circuit 270, a peripheral circuit 280, and a peripheral circuit 290. The pixel unit 210 includes a plurality of pixels 211 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are integers of 2 or more). The peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, and the peripheral circuit 290 are connected to the plurality of pixels 211 and have a function of supplying signals for driving the plurality of pixels 211, respectively. Note that in this specification and the like, the peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, the peripheral circuit 290, and the like are all referred to as “peripheral circuits” or “driving circuits” in some cases. For example, the peripheral circuit 260 can be said to be part of the peripheral circuit.
また、撮像装置200は、光源291を有することが好ましい。光源291は、検出光P1を放射することができる。 The imaging apparatus 200 preferably includes a light source 291. The light source 291 can emit the detection light P1.
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の1つを有する。また、周辺回路は、画素部210を形成する基板上に配置してもよい。また、周辺回路は、その一部または全部をIC等の半導体装置で実装してもよい。なお、周辺回路は、周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290のいずれか一以上を省略してもよい。 The peripheral circuit includes at least one of a logic circuit, a switch, a buffer, an amplifier circuit, and a conversion circuit. In addition, the peripheral circuit may be disposed on a substrate over which the pixel portion 210 is formed. The peripheral circuit may be partially or entirely mounted with a semiconductor device such as an IC. Note that one or more of the peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, and the peripheral circuit 290 may be omitted from the peripheral circuit.
また、図35(B)に示すように、撮像装置200が有する画素部210において、画素211を傾けて配置してもよい。画素211を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔(ピッチ)を短くすることができる。これにより、撮像装置200における撮像の品質をより高めることができる。 In addition, as illustrated in FIG. 35B, in the pixel portion 210 included in the imaging device 200, the pixel 211 may be inclined. By arranging the pixels 211 at an angle, the pixel interval (pitch) in the row direction and the column direction can be shortened. Thereby, the quality of imaging in the imaging apparatus 200 can be further improved.
<画素の構成例1>
撮像装置200が有する1つの画素211を複数の副画素212で構成し、それぞれの副画素212に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ(カラーフィルタ)を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
<Pixel Configuration Example 1>
A single pixel 211 included in the imaging apparatus 200 is configured by a plurality of sub-pixels 212, and a color image display is realized by combining each sub-pixel 212 with a filter (color filter) that transmits light in a specific wavelength band. Information can be acquired.
図36(A)は、カラー画像を取得するための画素211の一例を示す平面図である。図36(A)に示す画素211は、赤(R)の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212R」ともいう)、緑(G)の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212G」ともいう)および青(B)の波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212B」ともいう)を有する。副画素212は、フォトセンサとして機能させることができる。 FIG. 36A is a plan view illustrating an example of a pixel 211 for obtaining a color image. A pixel 211 illustrated in FIG. 36A includes a sub-pixel 212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 212R”) provided with a color filter that transmits a red (R) wavelength band, and a green (G) wavelength band. Sub-pixel 212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 212G”) provided with a transparent color filter and sub-pixel 212 (hereinafter referred to as “sub-pixel 212B”) provided with a color filter that transmits the blue (B) wavelength band. Also called). The sub-pixel 212 can function as a photosensor.
副画素212(副画素212R、副画素212G、および副画素212B)は、配線231、配線247、配線248、配線249、配線250と電気的に接続される。また、副画素212R、副画素212G、および副画素212Bは、それぞれが独立した配線253に接続している。また、本明細書等において、例えばn行目の画素211に接続された配線248および配線249を、それぞれ配線248[n]および配線249[n]と記載する。また、例えばm列目の画素211に接続された配線253を、配線253[m]と記載する。なお、図36(A)において、m列目の画素211が有する副画素212Rに接続する配線253を配線253[m]R、副画素212Gに接続する配線253を配線253[m]G、および副画素212Bに接続する配線253を配線253[m]Bと記載している。副画素212は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。 The subpixel 212 (subpixel 212R, subpixel 212G, and subpixel 212B) is electrically connected to the wiring 231, the wiring 247, the wiring 248, the wiring 249, and the wiring 250. Further, the sub-pixel 212R, the sub-pixel 212G, and the sub-pixel 212B are each connected to an independent wiring 253. In this specification and the like, for example, the wiring 248 and the wiring 249 connected to the pixel 211 in the n-th row are referred to as a wiring 248 [n] and a wiring 249 [n], respectively. For example, the wiring 253 connected to the pixel 211 in the m-th column is referred to as a wiring 253 [m]. Note that in FIG. 36A, the wiring 253 connected to the subpixel 212R included in the pixel 211 in the m-th column is the wiring 253 [m] R, the wiring 253 connected to the subpixel 212G is the wiring 253 [m] G, and A wiring 253 connected to the subpixel 212B is described as a wiring 253 [m] B. The subpixel 212 is electrically connected to a peripheral circuit through the wiring.
また、撮像装置200は、隣接する画素211の、同じ波長帯域を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図36(B)に、n行(nは1以上p以下の整数)m列(mは1以上q以下の整数)に配置された画素211が有する副画素212と、該画素211に隣接するn+1行m列に配置された画素211が有する副画素212の接続例を示す。図36(B)において、n行m列に配置された副画素212Rと、n+1行m列に配置された副画素212Rがスイッチ201を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素212Gと、n+1行m列に配置された副画素212Gがスイッチ202を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素212Bと、n+1行m列に配置された副画素212Bがスイッチ203を介して接続されている。 In addition, the imaging apparatus 200 has a configuration in which subpixels 212 provided with color filters that transmit the same wavelength band of adjacent pixels 211 are electrically connected to each other via a switch. In FIG. 36B, the sub-pixel 212 included in the pixel 211 arranged in n rows (n is an integer of 1 to p) and m columns (m is an integer of 1 to q) is adjacent to the pixel 211. A connection example of the sub-pixel 212 included in the pixel 211 arranged in n + 1 rows and m columns is shown. In FIG. 36B, a subpixel 212R arranged in n rows and m columns and a subpixel 212R arranged in n + 1 rows and m columns are connected through a switch 201. Further, the sub-pixel 212G arranged in n rows and m columns and the sub-pixel 212G arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 202. Further, the sub-pixel 212B arranged in n rows and m columns and the sub-pixel 212B arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 203.
なお、副画素212に用いるカラーフィルタは、赤(R)、緑(G)、青(B)に限定されず、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。1つの画素211に3種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素212を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。 Note that the color filter used for the sub-pixel 212 is not limited to red (R), green (G), and blue (B), and transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, respectively. A color filter may be used. A full color image can be acquired by providing the sub-pixel 212 that detects light of three different wavelength bands in one pixel 211.
または、それぞれ赤(R)、緑(G)および青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212に加えて、黄(Y)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212を有する画素211を用いてもよい。または、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212に加えて、青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212を有する画素211を用いてもよい。1つの画素211に4種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素212を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。 Alternatively, in addition to the sub-pixel 212 provided with a color filter that transmits red (R), green (G), and blue (B) light, a color filter that transmits yellow (Y) light is provided. A pixel 211 having a sub-pixel 212 may be used. Alternatively, in addition to the sub-pixel 212 provided with a color filter that transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, a color filter that transmits blue (B) light is provided. A pixel 211 having a sub-pixel 212 may be used. By providing the sub-pixel 212 that detects light of four different wavelength bands in one pixel 211, the color reproducibility of the acquired image can be further enhanced.
また、例えば、図36(A)において、赤の波長帯域を検出する副画素212、緑の波長帯域を検出する副画素212、および青の波長帯域を検出する副画素212の画素数比(または受光面積比)は、1:1:1でなくても構わない。例えば、画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:2:1とするBayer配列としてもよい。または、画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:6:1としてもよい。 For example, in FIG. 36A, the pixel number ratio (or the sub-pixel 212 that detects the red wavelength band, the sub-pixel 212 that detects the green wavelength band, and the sub-pixel 212 that detects the blue wavelength band) (or (Light receiving area ratio) may not be 1: 1: 1. For example, a Bayer array in which the pixel number ratio (light receiving area ratio) is red: green: blue = 1: 2: 1 may be used. Alternatively, the pixel number ratio (light receiving area ratio) may be red: green: blue = 1: 6: 1.
なお、画素211に設ける副画素212は1つでもよいが、2つ以上が好ましい。例えば、同じ波長帯域を検出する副画素212を2つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置200の信頼性を高めることができる。 Note that the number of subpixels 212 provided in the pixel 211 may be one, but two or more are preferable. For example, by providing two or more sub-pixels 212 that detect the same wavelength band, redundancy can be increased and the reliability of the imaging apparatus 200 can be increased.
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するIR(IR:Infrared)フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置200を実現することができる。 In addition, by using an IR (IR: Infrared) filter that absorbs or reflects visible light and transmits infrared light, the imaging device 200 that detects infrared light can be realized.
また、ND(ND:Neutral Density)フィルタ(減光フィルタ)を用いることで、光電変換素子(受光素子)に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるNDフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。 Further, by using an ND (ND: Neutral Density) filter (a neutral density filter), it is possible to prevent output saturation that occurs when a large amount of light enters the photoelectric conversion element (light receiving element). By using a combination of ND filters having different light reduction amounts, the dynamic range of the imaging apparatus can be increased.
また、前述したフィルタ以外に、画素211にレンズを設けてもよい。ここで、図37の断面図を用いて、画素211、フィルタ254、レンズ255の配置例を説明する。レンズ255を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図37(A)に示すように、画素211に形成したレンズ255、フィルタ254(フィルタ254R、フィルタ254Gおよびフィルタ254B)、および画素回路230等を通して光256を光電変換素子220に入射させる構造とすることができる。 In addition to the filters described above, a lens may be provided in the pixel 211. Here, an arrangement example of the pixel 211, the filter 254, and the lens 255 will be described with reference to a cross-sectional view of FIG. By providing the lens 255, the photoelectric conversion element can receive incident light efficiently. Specifically, as illustrated in FIG. 37A, the light 256 is supplied to the photoelectric conversion element 220 through the lens 255, the filter 254 (filter 254R, the filter 254G, and the filter 254B) formed in the pixel 211, the pixel circuit 230, and the like. It can be set as the structure made to enter.
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光256の一部が配線257の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図37(B)に示すように光電変換素子220側にレンズ255およびフィルタ254を配置して、光電変換素子220が光256を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子220側から光256を光電変換素子220に入射させることで、検出感度の高い撮像装置200を提供することができる。 However, as illustrated in the region surrounded by the alternate long and short dash line, part of the light 256 indicated by the arrow may be blocked by part of the wiring 257. Therefore, a structure in which a lens 255 and a filter 254 are disposed on the photoelectric conversion element 220 side as illustrated in FIG. 37B so that the photoelectric conversion element 220 receives light 256 efficiently is preferable. By making the light 256 incident on the photoelectric conversion element 220 from the photoelectric conversion element 220 side, the imaging device 200 with high detection sensitivity can be provided.
図37に示す光電変換素子220として、pn型接合またはpin型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。 As the photoelectric conversion element 220 illustrated in FIG. 37, a photoelectric conversion element in which a pn-type junction or a pin-type junction is formed may be used.
また、光電変換素子220を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。 Alternatively, the photoelectric conversion element 220 may be formed using a substance having a function of generating charges by absorbing radiation. Examples of the substance having a function of absorbing radiation and generating a charge include selenium, lead iodide, mercury iodide, gallium arsenide, cadmium telluride, and cadmium zinc alloy.
例えば、光電変換素子220にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、X線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子220を実現できる。 For example, when selenium is used for the photoelectric conversion element 220, the photoelectric conversion element 220 having a light absorption coefficient over a wide wavelength band such as X-rays and gamma rays in addition to visible light, ultraviolet light, and infrared light can be realized.
ここで、撮像装置200が有する1つの画素211は、図36に示す副画素212に加えて、第1のフィルタを有する副画素212を有してもよい。 Here, one pixel 211 included in the imaging apparatus 200 may include a sub-pixel 212 including a first filter in addition to the sub-pixel 212 illustrated in FIG.
<画素の構成例2>
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体層を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
<Pixel Configuration Example 2>
Hereinafter, an example in which a pixel is formed using a transistor including silicon and a transistor including an oxide semiconductor layer will be described.
図38(A)、図38(B)は、撮像装置を構成する素子の断面図である。 38A and 38B are cross-sectional views of elements included in the imaging device.
図38(A)に示す撮像装置は、シリコン基板300に設けられたシリコンを用いたトランジスタ351、トランジスタ351上に積層して配置された酸化物半導体層を用いたトランジスタ353、およびシリコン基板300に設けられた、アノード361と、カソード362を有するフォトダイオード360を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード360は、種々のプラグ370および配線371、配線372、配線373と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード360のアノード361は、低抵抗領域363を介してプラグ370と電気的に接続を有する。 An imaging device illustrated in FIG. 38A includes a transistor 351 using silicon provided on a silicon substrate 300, a transistor 353 using an oxide semiconductor layer stacked over the transistor 351, and the silicon substrate 300. A photodiode 360 having an anode 361 and a cathode 362 is provided. Each transistor and photodiode 360 has electrical connection with various plugs 370, wirings 371, wirings 372, and wirings 373. Further, the anode 361 of the photodiode 360 is electrically connected to the plug 370 through the low resistance region 363.
また撮像装置は、シリコン基板300に設けられたトランジスタ351およびフォトダイオード360を有する層310と、層310と接して設けられ、配線371を有する層320と、層320と接して設けられ、トランジスタ353を有する層330と、層330と接して設けられ、配線372および配線373を有する層340を備えている。 The imaging device is provided in contact with the layer 310 including the transistor 351 and the photodiode 360 provided over the silicon substrate 300, the layer 320 including the wiring 371, and the layer 320 including the wiring 371. And a layer 340 which is provided in contact with the layer 330 and includes a wiring 372 and a wiring 373.
なお、図38(A)の断面図の一例では、シリコン基板300において、トランジスタ351が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード360の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード360の受光面をトランジスタ351が形成された面と同じとすることもできる。 Note that in the example of the cross-sectional view in FIG. 38A, the light-receiving surface of the photodiode 360 is provided on the surface of the silicon substrate 300 opposite to the surface on which the transistor 351 is formed. With this configuration, an optical path can be secured without being affected by various transistors and wirings. Therefore, a pixel with a high aperture ratio can be formed. Note that the light receiving surface of the photodiode 360 may be the same as the surface on which the transistor 351 is formed.
なお、トランジスタを用いて画素を構成する場合には、層310を、トランジスタを有する層とすればよい。または層310を省略し、トランジスタのみで画素を構成してもよい。 Note that in the case where a pixel is formed using a transistor, the layer 310 may be a layer including a transistor. Alternatively, the layer 310 may be omitted, and the pixel may be formed using only transistors.
また、図38(A)の断面図において、層310に設けるフォトダイオード360と、層330に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。 38A, the photodiode 360 provided in the layer 310 and the transistor provided in the layer 330 can be formed to overlap with each other. Then, the integration degree of pixels can be increased. That is, the resolution of the imaging device can be increased.
また、図38(B)は、撮像装置は層340側にフォトダイオード365をトランジスタの上に配置した構造とすることができる。図38(B)において、例えば層310には、シリコン用いたトランジスタ351と、トランジスタ352を有し、層320には配線371を有し、層330には酸化物半導体層を用いたトランジスタ352、トランジスタ353、絶縁層380を有し、層340にはフォトダイオード365有しており、配線373と、プラグ370を介した配線374と電気的に接続している。 In FIG. 38B, the imaging device can have a structure in which a photodiode 365 is provided over a transistor on the layer 340 side. In FIG. 38B, for example, the layer 310 includes a transistor 351 using silicon and the transistor 352, the layer 320 includes a wiring 371, the layer 330 includes a transistor 352 including an oxide semiconductor layer, A transistor 353 and an insulating layer 380 are provided. The layer 340 includes a photodiode 365, and is electrically connected to the wiring 373 and the wiring 374 through the plug 370.
図38(B)に示す素子構成とすることで、開口率を広くすることができる。 With the element structure illustrated in FIG. 38B, the aperture ratio can be increased.
また、フォトダイオード365には、非晶質シリコン膜や微結晶シリコン膜などを用いたpin型ダイオード素子などを用いてもよい。フォトダイオード365は、n型の半導体368、i型の半導体367、およびp型の半導体366が順に積層された構成を有している。i型の半導体367には非晶質シリコンを用いることが好ましい。また、p型の半導体366およびn型の半導体368には、それぞれの導電型を付与するドーパントを含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンなどを用いることができる。非晶質シリコンを光電変換層とするフォトダイオード365は可視光の波長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。 As the photodiode 365, a pin-type diode element using an amorphous silicon film, a microcrystalline silicon film, or the like may be used. The photodiode 365 has a structure in which an n-type semiconductor 368, an i-type semiconductor 367, and a p-type semiconductor 366 are sequentially stacked. Amorphous silicon is preferably used for the i-type semiconductor 367. For the p-type semiconductor 366 and the n-type semiconductor 368, amorphous silicon, microcrystalline silicon, or the like containing a dopant imparting each conductivity type can be used. The photodiode 365 using amorphous silicon as a photoelectric conversion layer has high sensitivity in the wavelength region of visible light and can easily detect weak visible light.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態5)
<RFタグ>
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むRFタグについて、図39を用いて説明する。
(Embodiment 5)
<RF tag>
In this embodiment, an RF tag including the transistor or the memory device described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施の形態におけるRFタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには極めて高い信頼性が要求される。 The RF tag in this embodiment has a storage circuit inside, stores necessary information in the storage circuit, and exchanges information with the outside using non-contact means, for example, wireless communication. Because of these characteristics, the RF tag can be used in an individual authentication system that identifies an article by reading individual information about the article. Note that extremely high reliability is required for use in these applications.
RFタグの構成について図39を用いて説明する。図39は、RFタグの構成例を示すブロック図である。 The configuration of the RF tag will be described with reference to FIG. FIG. 39 is a block diagram illustrating a configuration example of an RF tag.
図39に示すようにRFタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどともいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体層、が用いられた構成としてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。 As shown in FIG. 39, the RF tag 800 includes an antenna 804 that receives a radio signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also referred to as an interrogator or a reader / writer). The RF tag 800 includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a storage circuit 810, and a ROM 811. Note that the transistor included in the demodulation circuit 807 that exhibits a rectifying action may be formed using a material that can sufficiently suppress a reverse current, such as an oxide semiconductor layer. Thereby, the fall of the rectification effect | action resulting from a reverse current can be suppressed, and it can prevent that the output of a demodulation circuit is saturated. That is, the output of the demodulation circuit with respect to the input of the demodulation circuit can be made closer to linear. Note that there are three major data transmission formats: an electromagnetic coupling method in which a pair of coils are arranged facing each other to perform communication by mutual induction, an electromagnetic induction method in which communication is performed by an induction electromagnetic field, and a radio wave method in which communication is performed using radio waves. Separated. The RF tag 800 described in this embodiment can be used for any of the methods.
次に各回路の構成について説明する。アンテナ804は、通信器801に接続されたアンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。 Next, the configuration of each circuit will be described. The antenna 804 is for transmitting and receiving a radio signal 803 to and from the antenna 802 connected to the communication device 801. Further, the rectifier circuit 805 rectifies an input AC signal generated by receiving a radio signal by the antenna 804, for example, half-wave double voltage rectification, and the signal rectified by a capacitive element provided in the subsequent stage. It is a circuit for generating an input potential by smoothing. Note that a limiter circuit may be provided on the input side or the output side of the rectifier circuit 805. The limiter circuit is a circuit for controlling not to input more than a certain amount of power to a subsequent circuit when the amplitude of the input AC signal is large and the internally generated voltage is large.
定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路809のリセット信号を生成するための回路である。 The constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from the input potential and supplying it to each circuit. Note that the constant voltage circuit 806 may include a reset signal generation circuit. The reset signal generation circuit is a circuit for generating a reset signal of the logic circuit 809 using a stable rise of the power supply voltage.
復調回路807は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応じて変調を行うための回路である。 The demodulation circuit 807 is a circuit for demodulating an input AC signal by detecting an envelope and generating a demodulated signal. The modulation circuit 808 is a circuit for performing modulation in accordance with data output from the antenna 804.
論理回路809は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路810は、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。 A logic circuit 809 is a circuit for analyzing and processing the demodulated signal. The memory circuit 810 is a circuit that holds input information and includes a row decoder, a column decoder, a storage area, and the like. The ROM 811 is a circuit for storing a unique number (ID) or the like and outputting it according to processing.
なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 Note that the above-described circuits can be appropriately disposed as necessary.
ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路810に用いることができる。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。 Here, the memory circuit described in the above embodiment can be used for the memory circuit 810. Since the memory circuit of one embodiment of the present invention can retain information even when the power is turned off, the memory circuit can be preferably used for an RF tag. Further, the memory circuit of one embodiment of the present invention does not cause a difference in maximum communication distance between data reading and writing because power (voltage) necessary for data writing is significantly smaller than that of a conventional nonvolatile memory. It is also possible. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of malfunction or erroneous writing due to insufficient power during data writing.
また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。 The memory circuit of one embodiment of the present invention can also be applied to the ROM 811 because it can be used as a nonvolatile memory. In that case, it is preferable that the producer separately prepares a command for writing data in the ROM 811 so that the user cannot freely rewrite the command. By shipping the product after the producer writes the unique number before shipping, it is possible to assign a unique number only to the good products to be shipped, rather than assigning a unique number to all the produced RF tags, The unique number of the product after shipment does not become discontinuous, and customer management corresponding to the product after shipment becomes easy.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態6)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a CPU including the storage device described in the above embodiment will be described.
図40は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。 FIG. 40 is a block diagram illustrating a configuration example of a CPU using at least part of the transistor described in the above embodiment.
<CPUの回路図>
図40に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図40に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図40に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。
<Circuit diagram of CPU>
40 includes an ALU 1191 (ALU: arithmetic logic unit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, and a bus interface 1198. A rewritable ROM 1199 and a ROM interface 1189. As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 40 is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application. For example, the configuration including the CPU or the arithmetic circuit illustrated in FIG. 40 may be a single core, and a plurality of the cores may be included, and each core may operate in parallel. Further, the number of bits that the CPU can handle with the internal arithmetic circuit or the data bus can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, or the like.
バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。 Instructions input to the CPU via the bus interface 1198 are input to the instruction decoder 1193, decoded, and then input to the ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195.
ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行う。 The ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. The interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The register controller 1197 generates an address of the register 1196, and reads and writes the register 1196 according to the state of the CPU.
また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。 In addition, the timing controller 1195 generates a signal for controlling the operation timing of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates the internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal, and supplies the internal clock signal to the various circuits.
図40に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、実施の形態1乃至3に示したトランジスタを用いることができる。 In the CPU illustrated in FIG. 40, a memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in any of Embodiments 1 to 3 can be used.
図40に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。 In the CPU shown in FIG. 40, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, whether to hold data by a flip-flop or to hold data by a capacitor in a memory cell included in the register 1196 is selected. When data retention by the flip-flop is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When holding of data in the capacitor is selected, data is rewritten to the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.
<記録回路>
図41は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
<Recording circuit>
FIG. 41 is an example of a circuit diagram of a memory element that can be used as the register 1196. The memory element 1200 includes a circuit 1201 in which stored data is volatilized by power-off, a circuit 1202 in which stored data is not volatilized by power-off, a switch 1203, a switch 1204, a logic element 1206, a capacitor 1207, and a selection function. Circuit 1220 having. The circuit 1202 includes a capacitor 1208, a transistor 1209, and a transistor 1210. Note that the memory element 1200 may further include other elements such as a diode, a resistance element, and an inductor, as necessary.
ここで、回路1202には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209の第1ゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。 Here, the memory device described in the above embodiment can be used for the circuit 1202. When supply of power supply voltage to the memory element 1200 is stopped, the gate of the transistor 1209 in the circuit 1202 is continuously input with the ground potential (0 V) or the potential at which the transistor 1209 is turned off. For example, the first gate of the transistor 1209 is grounded through a load such as a resistor.
スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。 The switch 1203 is configured using a transistor 1213 of one conductivity type (eg, n-channel type), and the switch 1204 is configured using a transistor 1214 of conductivity type (eg, p-channel type) opposite to the one conductivity type. An example is shown. Here, the first terminal of the switch 1203 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1213, the second terminal of the switch 1203 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1213, and the switch 1203 corresponds to the gate of the transistor 1213. In accordance with the control signal RD input to the second terminal, conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1213) is selected. The first terminal of the switch 1204 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1214, the second terminal of the switch 1204 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1214, and the switch 1204 is input to the gate of the transistor 1214. The control signal RD selects the conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1214).
トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。 One of a source and a drain of the transistor 1209 is electrically connected to one of a pair of electrodes of the capacitor 1208 and a gate of the transistor 1210. Here, the connection part is referred to as a node M2. One of a source and a drain of the transistor 1210 is electrically connected to a wiring that can supply a low power supply potential (eg, a GND line), and the other is connected to the first terminal of the switch 1203 (the source and the drain of the transistor 1213 On the other hand). A second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is electrically connected to a first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214). A second terminal of the switch 1204 (the other of the source and the drain of the transistor 1214) is electrically connected to a wiring that can supply the power supply potential VDD. A second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213), a first terminal of the switch 1204 (one of a source and a drain of the transistor 1214), an input terminal of the logic element 1206, and the capacitor 1207 One of the pair of electrodes is electrically connected. Here, the connection part is referred to as a node M1. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1207 can be configured to receive a constant potential. For example, a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) can be input. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1207 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) that can supply a low power supply potential. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1208 can have a constant potential. For example, a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) can be input. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1208 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) that can supply a low power supply potential.
なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。 Note that the capacitor 1207 and the capacitor 1208 can be omitted by positively using a parasitic capacitance of a transistor or a wiring.
トランジスタ1209の第1ゲート(第1のゲート電極)には、制御信号WEが入力される。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態となる。 A control signal WE is input to a first gate (first gate electrode) of the transistor 1209. The switch 1203 and the switch 1204 are selected to be in a conductive state or a non-conductive state between the first terminal and the second terminal by a control signal RD different from the control signal WE. When the terminals of the other switch are in a conductive state, the first terminal and the second terminal of the other switch are in a non-conductive state.
なお、図41におけるトランジスタ1209では第2ゲート(第2のゲート電極:バックゲート)を有する構成を図示している。第1ゲートには制御信号WEを入力し、第2ゲートには制御信号WE2を入力することができる。制御信号WE2は、一定の電位の信号とすればよい。当該一定の電位には、例えば、接地電位GNDやトランジスタ1209のソース電位よりも小さい電位などが選ばれる。このとき、制御信号WE2は、トランジスタ1209のしきい値電圧を制御するための電位信号であり、ゲート電圧VGが0V時の電流)をより低減することができる。また、制御信号WE2は、制御信号WEと同じ電位信号であってもよい。なお、トランジスタ1209としては、第2ゲートを有さないトランジスタを用いることもできる。 Note that the transistor 1209 in FIG. 41 has a structure including a second gate (second gate electrode: back gate). A control signal WE can be input to the first gate, and a control signal WE2 can be input to the second gate. The control signal WE2 may be a signal having a constant potential. As the certain potential, for example, a ground potential GND or a potential smaller than the source potential of the transistor 1209 is selected. At this time, the control signal WE2 is a potential signal for controlling the threshold voltage of the transistor 1209 and can further reduce a current when the gate voltage VG is 0V. The control signal WE2 may be the same potential signal as the control signal WE. Note that as the transistor 1209, a transistor having no second gate can be used.
トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図40では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。 A signal corresponding to data held in the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. FIG. 40 illustrates an example in which the signal output from the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. A signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is an inverted signal obtained by inverting the logic value by the logic element 1206 and is input to the circuit 1201 through the circuit 1220. .
なお、図41では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。 Note that FIG. 41 illustrates an example in which a signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is input to the circuit 1201 through the logic element 1206 and the circuit 1220. It is not limited to. A signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) may be input to the circuit 1201 without inversion of the logical value. For example, when there is a node in the circuit 1201 that holds a signal in which the logical value of the signal input from the input terminal is inverted, the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) An output signal can be input to the node.
また、図41において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体層以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体層以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。 41, a transistor other than the transistor 1209 among the transistors used for the memory element 1200 can be a transistor formed in a semiconductor layer other than the oxide semiconductor layer or a channel in the substrate 1190. For example, a transistor in which a channel is formed in a silicon layer or a silicon substrate can be used. Further, all the transistors used for the memory element 1200 can be transistors whose channel is formed using an oxide semiconductor layer. Alternatively, the memory element 1200 may include a transistor whose channel is formed using an oxide semiconductor layer in addition to the transistor 1209, and the remaining transistors may be connected to a layer formed using a semiconductor other than the oxide semiconductor layer or the substrate 1190. It can also be a transistor in which is formed.
図41における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。 For the circuit 1201 in FIG. 41, for example, a flip-flop circuit can be used. As the logic element 1206, for example, an inverter, a clocked inverter, or the like can be used.
本発明の一態様における半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。 In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, data stored in the circuit 1201 can be held by the capacitor 1208 provided in the circuit 1202 while the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200.
また、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能である。 In addition, a transistor in which a channel is formed in the oxide semiconductor layer has extremely low off-state current. For example, the off-state current of a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor layer is significantly lower than the off-state current of a transistor in which a channel is formed in crystalline silicon. Therefore, by using the transistor as the transistor 1209, the signal held in the capacitor 1208 is maintained for a long time even when the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200. In this manner, the memory element 1200 can hold stored data (data) even while the supply of power supply voltage is stopped.
また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。 Further, by providing the switch 1203 and the switch 1204, the memory element is characterized by performing a precharge operation; therefore, after the supply of power supply voltage is resumed, the time until the circuit 1201 retains the original data again is shortened. be able to.
また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。 In the circuit 1202, the signal held by the capacitor 1208 is input to the gate of the transistor 1210. Therefore, after the supply of the power supply voltage to the memory element 1200 is restarted, the signal held by the capacitor 1208 can be converted into the state of the transistor 1210 (on state or off state) and read from the circuit 1202. it can. Therefore, the original signal can be accurately read even if the potential corresponding to the signal held in the capacitor 1208 slightly fluctuates.
このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。 By using such a storage element 1200 for a storage device such as a register or a cache memory included in the processor, loss of data in the storage device due to stop of supply of power supply voltage can be prevented. In addition, after the supply of the power supply voltage is resumed, the state before the power supply stop can be restored in a short time. Accordingly, power can be stopped in a short time in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits constituting the processor, so that power consumption can be suppressed.
本実施の形態では、記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF(Radio Frequency)タグにも応用可能である。 In this embodiment, the memory element 1200 is described as an example of using the CPU. However, the memory element 1200 is an LSI such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, or a PLD (Programmable Logic Device), or an RF (Radio Frequency) tag. It can also be applied to.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した表示装置の構成例について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of a structure of a display device using the transistor of one embodiment of the present invention will be described.
<表示装置回路構成例>
図42(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図42(B)は、本発明の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図42(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
<Display device circuit configuration example>
FIG. 42A is a top view of a display device of one embodiment of the present invention, and FIG. 42B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention. It is a circuit diagram for demonstrating a pixel circuit. FIG. 42C is a circuit diagram illustrating a pixel circuit that can be used when an organic EL element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention.
画素部に配置するトランジスタは、実施の形態1乃至3に従って形成することができる。また、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。 The transistor provided in the pixel portion can be formed according to Embodiment Modes 1 to 3. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, a part of the driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. In this manner, a highly reliable display device can be provided by using the transistor described in the above embodiment for the pixel portion and the driver circuit.
アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図42(A)に示す。表示装置の基板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、および第2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。 An example of a top view of the active matrix display device is shown in FIG. A pixel portion 701, a first scan line driver circuit 702, a second scan line driver circuit 703, and a signal line driver circuit 704 are provided over a substrate 700 of the display device. In the pixel portion 701, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 704, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 702 and the second scan line driver circuit 703. Has been placed. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 700 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection unit such as an FPC (Flexible Printed Circuit).
図42(A)では、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板700の外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。なお、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704のいずれかが基板700上に実装された構成や基板700の外部に設けられた構成としてもよい。 In FIG. 42A, the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 are formed over the same substrate 700 as the pixel portion 701. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when the drive circuit is provided outside the substrate 700, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings is increased. In the case where a driver circuit is provided over the same substrate 700, the number of connections between the wirings can be reduced, so that reliability or yield can be improved. Note that any of the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 may be mounted on the substrate 700 or provided outside the substrate 700. .
<液晶表示装置>
また、画素の回路構成の一例を図42(B)に示す。ここでは、一例としてVA型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
<Liquid crystal display device>
An example of a circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel circuit that can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display device is shown as an example.
この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。 This pixel circuit can be applied to a configuration having a plurality of pixel electrode layers in one pixel. Each pixel electrode layer is connected to a different transistor, and each transistor is configured to be driven by a different gate signal. Thereby, the signals applied to the individual pixel electrode layers of the multi-domain designed pixels can be controlled independently.
トランジスタ716の走査線712と、トランジスタ717の走査線713には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、信号線714は、トランジスタ716とトランジスタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は実施の形態1乃至3で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。 The scan line 712 of the transistor 716 and the scan line 713 of the transistor 717 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the signal line 714 is used in common by the transistor 716 and the transistor 717. As the transistor 716 and the transistor 717, any of the transistors described in Embodiments 1 to 3 can be used as appropriate. Thereby, a highly reliable liquid crystal display device can be provided.
また、トランジスタ716には、第1の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ717には、第2の画素電極が電気的に接続される。第1の画素電極と第2の画素電極とは、それぞれ分離されている。なお、第1の画素電極及び第2の画素電極の形状としては、特に限定は無い。例えば、第1の画素電極は、V字状とすればよい。 In addition, a first pixel electrode is electrically connected to the transistor 716, and a second pixel electrode is electrically connected to the transistor 717. The first pixel electrode and the second pixel electrode are separated from each other. Note that there is no particular limitation on the shape of the first pixel electrode and the second pixel electrode. For example, the first pixel electrode may be V-shaped.
トランジスタ716のゲート電極は走査線712と接続され、トランジスタ717のゲート電極は走査線713と接続されている。走査線712と走査線713に異なるゲート信号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。 A gate electrode of the transistor 716 is connected to the scan line 712, and a gate electrode of the transistor 717 is connected to the scan line 713. By applying different gate signals to the scan line 712 and the scan line 713, the operation timings of the transistor 716 and the transistor 717 are made different so that the alignment of the liquid crystal can be controlled.
また、容量配線710と、誘電体として機能するゲート絶縁層と、第1の画素電極層または第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。 Further, a storage capacitor may be formed using the capacitor wiring 710, the gate insulating layer functioning as a dielectric, and the capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.
マルチドメイン設計では、一画素に第1の液晶素子718と第2の液晶素子719を備える。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。 In the multi-domain design, a first liquid crystal element 718 and a second liquid crystal element 719 are provided in one pixel. The first liquid crystal element 718 includes a first pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween, and the second liquid crystal element 719 includes a second pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween. Consists of.
なお、図42(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図42(B)に示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回路などを追加してもよい。 Note that the pixel circuit illustrated in FIG. 42B is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel circuit illustrated in FIG.
図43(A)、および図43(B)は、液晶表示装置の上面図および断面図の一例である。なお、図43(A)では表示装置20、表示領域21、周辺回路22、およびFPC(フレキシブルプリント基板)42を有する代表的な構成を図示している。図43で示す表示パネルは反射型液晶を用いている。 43A and 43B are examples of a top view and a cross-sectional view of a liquid crystal display device. Note that FIG. 43A illustrates a typical structure including the display device 20, the display region 21, the peripheral circuit 22, and an FPC (flexible printed circuit board). The display panel shown in FIG. 43 uses reflective liquid crystal.
図43(B)に図43(A)の破線A−A’間、B−B’間、C−C’間、およびD−D’間の断面図を示す。A−A’間は周辺回路部を示し、B−B’間は表示領域を示し、C−C’間はFPCとの接続部を示す。 FIG. 43B is a cross-sectional view taken along broken lines A-A ′, B-B ′, C-C ′, and D-D ′ in FIG. A-A 'indicates a peripheral circuit portion, B-B' indicates a display area, and C-C 'indicates a connection portion with the FPC.
液晶素子を用いた表示装置20は、トランジスタ50およびトランジスタ52(実施の形態2で示したトランジスタ17)の他、導電層165、導電層190、導電層195、絶縁層420、液晶層490、液晶素子80、容量素子60、容量素子62、絶縁層430、スペーサ440、着色層460、接着層470、導電層480、遮光層418、基板400、接着層473、接着層474、接着層475、接着層476、偏光板103、偏光板403、保護基板105、保護基板402、異方性導電層510を有する。 In addition to the transistor 50 and the transistor 52 (the transistor 17 described in Embodiment 2), the display device 20 including a liquid crystal element includes a conductive layer 165, a conductive layer 190, a conductive layer 195, an insulating layer 420, a liquid crystal layer 490, and a liquid crystal Element 80, capacitive element 60, capacitive element 62, insulating layer 430, spacer 440, colored layer 460, adhesive layer 470, conductive layer 480, light-shielding layer 418, substrate 400, adhesive layer 473, adhesive layer 474, adhesive layer 475, adhesive A layer 476, a polarizing plate 103, a polarizing plate 403, a protective substrate 105, a protective substrate 402, and an anisotropic conductive layer 510 are included.
<有機EL表示装置>
画素の回路構成の他の一例を図42(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
<Organic EL display device>
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display device using an organic EL element is shown.
有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。 In the organic EL element, by applying a voltage to the light-emitting element, electrons are injected from one of the pair of electrodes and holes from the other into the layer containing the light-emitting organic compound, and a current flows. Then, by recombination of electrons and holes, the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element.
図42(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のトランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。 FIG. 42C illustrates an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used for one pixel is shown. In addition, digital time grayscale driving can be applied to the pixel circuit.
適用可能な画素回路の構成およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。 An applicable pixel circuit configuration and pixel operation when digital time gray scale driving is applied will be described.
画素720は、スイッチング用トランジスタ721、駆動用トランジスタ722、発光素子724および容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、ゲート電極層が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極層およびドレイン電極層の一方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極層およびドレイン電極層の他方)が駆動用トランジスタ722のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ722は、ゲート電極層が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が電源線727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続されている。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。 The pixel 720 includes a switching transistor 721, a driving transistor 722, a light-emitting element 724, and a capacitor 723. In the switching transistor 721, the gate electrode layer is connected to the scanning line 726, the first electrode (one of the source electrode layer and the drain electrode layer) is connected to the signal line 725, and the second electrode (the source electrode layer and the drain electrode layer) Is connected to the gate electrode layer of the driving transistor 722. In the driving transistor 722, the gate electrode layer is connected to the power supply line 727 via the capacitor 723, the first electrode is connected to the power supply line 727, and the second electrode is connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 724. It is connected. The second electrode of the light emitting element 724 corresponds to the common electrode 728. The common electrode 728 is electrically connected to a common potential line formed over the same substrate.
スイッチング用トランジスタ721および駆動用トランジスタ722には実施の形態1乃至3で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL表示装置を提供することができる。 The transistors described in Embodiments 1 to 3 can be used as appropriate as the switching transistor 721 and the driving transistor 722. Thereby, an organic EL display device with high reliability can be provided.
発光素子724の第2電極(共通電極728)の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線727に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばGND、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子724に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子724の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。 The potential of the second electrode (common electrode 728) of the light-emitting element 724 is set to a low power supply potential. Note that the low power supply potential is lower than the high power supply potential supplied to the power supply line 727. For example, GND, 0V, or the like can be set as the low power supply potential. A high power supply potential and a low power supply potential are set so as to be equal to or higher than the threshold voltage in the forward direction of the light emitting element 724, and by applying the potential difference to the light emitting element 724, a current is caused to flow through the light emitting element 724. Note that the forward voltage of the light-emitting element 724 refers to a voltage for obtaining desired luminance, and includes at least a forward threshold voltage.
なお、容量素子723は駆動用トランジスタ722のゲート容量を代用することにより省略できる。 Note that the capacitor 723 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 722.
次に、駆動用トランジスタ722に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジスタ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ722のゲート電極層にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆動用トランジスタ722のしきい値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。 Next, a signal input to the driving transistor 722 will be described. In the case of the voltage input voltage driving method, a video signal that causes the driving transistor 722 to be sufficiently turned on or off is input to the driving transistor 722. Note that a voltage higher than the voltage of the power supply line 727 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722 in order to operate the driving transistor 722 in a linear region. In addition, a voltage equal to or higher than a value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 to the power supply line voltage is applied to the signal line 725.
アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ722のゲート電極層に発光素子724の順方向電圧に駆動用トランジスタ722のしきい値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作させるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。 In the case of performing analog gradation driving, a voltage equal to or higher than the value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 to the forward voltage of the light emitting element 724 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722. Note that a video signal is input so that the driving transistor 722 operates in a saturation region, and a current is supplied to the light-emitting element 724. Further, in order to operate the driving transistor 722 in the saturation region, the potential of the power supply line 727 is set higher than the gate potential of the driving transistor 722. By making the video signal analog, current corresponding to the video signal can be passed through the light-emitting element 724 to perform analog gradation driving.
なお、画素回路の構成は、図42(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図42(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。 Note that the structure of the pixel circuit is not limited to the pixel structure illustrated in FIG. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit illustrated in FIG.
図42で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位を印加するなど、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。 When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 42, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed that it is connected. Furthermore, the potential illustrated above can be input, for example, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown) is applied to the second gate electrode. What is necessary is just to make it a structure.
図44(A)、および図44(B)は発光素子を用いた表示装装置の上面図および断面図の一例である。なお、図44(A)では表示装置24、表示領域21、周辺回路22、およびFPC(フレキシブルプリント基板)42を有する代表的な構成を図示している。 44A and 44B are examples of a top view and a cross-sectional view of a display device using a light-emitting element. Note that FIG. 44A illustrates a typical structure including the display device 24, the display region 21, the peripheral circuit 22, and an FPC (flexible printed circuit board).
図44(B)に図44(A)の破線A−A’間、B−B’間、C−C’間の断面図を示す。A−A’間は周辺回路部を示し、B−B’間は表示領域を示し、C−C’間およびD−D’間はFPCとの接続部を示す。 FIG. 44B is a cross-sectional view taken along broken lines A-A ′, B-B ′, and C-C ′ in FIG. A-A 'represents a peripheral circuit portion, B-B' represents a display area, and C-C 'and D-D' represent FPC connection portions.
発光素子を用いた表示装置24は、トランジスタ50およびトランジスタ52(実施の形態2で示したトランジスタ17)の他、導電層195、導電層410、光学調整層530、EL層450、発光素子70、容量素子60、スペーサ440、着色層460、接着層470、導電層480、遮光層418、基板400、接着層473、接着層474、接着層475、接着層476、偏光板103、偏光板403、保護基板105、保護基板402、異方性導電層510を有する。 In addition to the transistor 50 and the transistor 52 (the transistor 17 described in Embodiment Mode 2), the display device 24 using a light-emitting element includes a conductive layer 195, a conductive layer 410, an optical adjustment layer 530, an EL layer 450, a light-emitting element 70, Capacitor element 60, spacer 440, colored layer 460, adhesive layer 470, conductive layer 480, light shielding layer 418, substrate 400, adhesive layer 473, adhesive layer 474, adhesive layer 475, adhesive layer 476, polarizing plate 103, polarizing plate 403, A protective substrate 105, a protective substrate 402, and an anisotropic conductive layer 510 are provided.
本明細書等において、例えば、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。 In this specification and the like, for example, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. Can do. A display element, a display device, a light emitting element, or a light emitting device includes, for example, an EL (electroluminescence) element (an EL element including an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, red LED, green LED, Blue LEDs, etc.), transistors (transistors that emit light in response to current), electron-emitting devices, liquid crystal devices, electronic ink, electrophoretic devices, grating light valves (GLV), plasma displays (PDP), MEMS (micro electro mechanical) System), digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, electrowetting element, piezoelectric ceramic display Has at least one such display device using a carbon nanotube. In addition to these, a display medium in which contrast, luminance, reflectance, transmittance, or the like is changed by an electric or magnetic action may be included. An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態8)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、図45を用いて説明を行う。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a display module to which the semiconductor device of one embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIGS.
<表示モジュール>
図45に示す表示モジュール6000は、上部カバー6001と下部カバー6002との間に、FPC6003に接続されたタッチパネル6004、FPC6005に接続された表示パネル6006、バックライトユニット6007、フレーム6009、プリント基板6010、バッテリー6011を有する。なお、バックライトユニット6007、バッテリー6011、タッチパネル6004などは、設けられない場合もある。
<Display module>
A display module 6000 shown in FIG. 45 includes a touch panel 6004 connected to the FPC 6003, a display panel 6006 connected to the FPC 6005, a backlight unit 6007, a frame 6009, a printed circuit board 6010, between the upper cover 6001 and the lower cover 6002. A battery 6011 is included. Note that the backlight unit 6007, the battery 6011, the touch panel 6004, and the like may not be provided.
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル6006であったり、プリント基板に実装された集積回路に用いることができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for, for example, the display panel 6006 or an integrated circuit mounted on a printed board.
上部カバー6001および下部カバー6002は、タッチパネル6004および表示パネル6006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。 The shapes and dimensions of the upper cover 6001 and the lower cover 6002 can be changed as appropriate in accordance with the sizes of the touch panel 6004 and the display panel 6006.
タッチパネル6004は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル6006に重畳して用いることができる。また、表示パネル6006の対向基板(封止基板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。または、表示パネル6006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネル機能を付加することも可能である。または、表示パネル6006の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタッチパネル機能を付加することも可能である。 As the touch panel 6004, a resistive touch panel or a capacitive touch panel can be used by being superimposed on the display panel 6006. Further, the counter substrate (sealing substrate) of the display panel 6006 can have a touch panel function. Alternatively, an optical sensor can be provided in each pixel of the display panel 6006 and an optical touch panel function can be added. Alternatively, a touch sensor electrode may be provided in each pixel of the display panel 6006 to add a capacitive touch panel function.
バックライトユニット6007は、光源6008を有する。光源6008をバックライトユニット6007の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。 The backlight unit 6007 has a light source 6008. The light source 6008 may be provided at the end of the backlight unit 6007 and a light diffusing plate may be used.
フレーム6009は、表示パネル6006の保護機能の他、プリント基板6010から発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム6009は、放熱板としての機能を有していてもよい。 The frame 6009 has a function as an electromagnetic shield for blocking electromagnetic waves generated from the printed board 6010 in addition to a protective function of the display panel 6006. The frame 6009 may function as a heat sink.
プリント基板6010は、電源回路、ビデオ信号およびクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても良いし、別途設けたバッテリー6011であってもよい。なお、商用電源を用いる場合には、バッテリー6011を省略することができる。 The printed board 6010 includes a power supply circuit, a signal processing circuit for outputting a video signal and a clock signal. As a power source for supplying power to the power circuit, an external commercial power source or a battery 6011 provided separately may be used. Note that the battery 6011 can be omitted when a commercial power source is used.
また、表示モジュール6000には、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。 Further, the display module 6000 may be additionally provided with a member such as a polarizing plate, a retardation plate, and a prism sheet.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の使用例について説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, usage examples of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.
<リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージ>
図46(A)に、リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図を示す。図46(A)に示すパッケージは、本発明の一態様に係る半導体装置に相当するチップ1751が、ワイヤボンディング法により、インターポーザ1750上の端子1752と接続されている。端子1752は、インターポーザ1750のチップ1751がマウントされている面上に配置されている。そしてチップ1751はモールド樹脂1753によって封止されていてもよいが、各端子1752の一部が露出した状態で封止されるようにする。
<Package using lead frame type interposer>
FIG. 46A is a perspective view showing a cross-sectional structure of a package using a lead frame type interposer. In the package illustrated in FIG. 46A, a chip 1751 corresponding to a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is connected to a terminal 1752 over an interposer 1750 by a wire bonding method. The terminal 1752 is disposed on the surface on which the chip 1751 of the interposer 1750 is mounted. The chip 1751 may be sealed with a mold resin 1753, but is sealed with a part of each terminal 1752 exposed.
パッケージが回路基板に実装されている電子機器(携帯電話)のモジュールの構成を、図46(B)に示す。図46(B)に示す携帯電話のモジュールは、プリント配線基板1801に、パッケージ1802と、バッテリー1804とが実装されている。また、表示素子が設けられたパネル1800に、プリント配線基板1801がFPC1803によって実装されている。 FIG. 46B illustrates the structure of a module of an electronic device (mobile phone) in which a package is mounted on a circuit board. In the cellular phone module illustrated in FIG. 46B, a package 1802 and a battery 1804 are mounted on a printed wiring board 1801. In addition, a printed wiring board 1801 is mounted with an FPC 1803 on a panel 1800 provided with a display element.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
(実施の形態10)
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器及び照明装置について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 10)
In this embodiment, an electronic device and a lighting device of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.
<電子機器>
本発明の一態様の半導体装置を用いて、電子機器や照明装置を作製できる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いて、信頼性の高い電子機器や照明装置を作製できる。また本発明の一態様の半導体装置を用いて、タッチセンサの検出感度が向上した電子機器や照明装置を作製できる。
<Electronic equipment>
An electronic device or a lighting device can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention. A highly reliable electronic device or lighting device can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention. Further, an electronic device or a lighting device with improved detection sensitivity of a touch sensor can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention.
電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。 Examples of the electronic device include a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (also referred to as a mobile phone or a mobile phone device). ), Large game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproducing devices, and pachinko machines.
また、本発明の一態様の電子機器又は照明装置は可撓性を有する場合、家屋やビルの内壁もしくは外壁、又は、自動車の内装もしくは外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。 In the case where the electronic device or the lighting device of one embodiment of the present invention has flexibility, the electronic device or the lighting device can be incorporated along an inner wall or an outer wall of a house or a building, or a curved surface of an interior or exterior of an automobile.
また、本発明の一態様の電子機器は、二次電池を有していてもよく、非接触電力伝送を用いて、二次電池を充電することができると好ましい。 The electronic device of one embodiment of the present invention may include a secondary battery, and it is preferable that the secondary battery can be charged using non-contact power transmission.
二次電池としては、例えば、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池(リチウムイオンポリマー電池)等のリチウムイオン二次電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池などが挙げられる。 Secondary batteries include, for example, lithium ion secondary batteries such as lithium polymer batteries (lithium ion polymer batteries) using a gel electrolyte, lithium ion batteries, nickel metal hydride batteries, nickel-cadmium batteries, organic radical batteries, lead storage batteries, air batteries A secondary battery, a nickel zinc battery, a silver zinc battery, etc. are mentioned.
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器が二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。 The electronic device of one embodiment of the present invention may include an antenna. By receiving a signal with an antenna, video, information, and the like can be displayed on the display unit. Further, when the electronic device has a secondary battery, the antenna may be used for non-contact power transmission.
図47(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体7101、筐体7102、表示部7103、表示部7104、マイク7105、スピーカー7106、操作キー7107、スタイラス7108等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体7101に内蔵されている集積回路、CPUなどに用いることができる。CPUにはノーマリオフ型のCPUを用いることで、低消費電力化することができ、従来よりも長い時間ゲームを楽しむことができる。表示部7103または表示部7104に本発明の一態様に係る発光装置を用いることで、ユーザーの使用感に優れ、品質の低下が起こりにくい携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図47(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部7103と表示部7104とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 47A illustrates a portable game machine including a housing 7101, a housing 7102, a display portion 7103, a display portion 7104, a microphone 7105, speakers 7106, operation keys 7107, a stylus 7108, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit, a CPU, or the like incorporated in the housing 7101. By using a normally-off CPU as a CPU, power consumption can be reduced and games can be enjoyed for a longer time than before. With the use of the light-emitting device according to one embodiment of the present invention for the display portion 7103 or the display portion 7104, a portable game machine that has an excellent usability and is unlikely to deteriorate in quality can be provided. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 47A includes two display portions 7103 and 7104, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.
図47(B)は、スマートウオッチであり、筐体7302、表示部7304、操作ボタン7311、7312、接続端子7313、バンド7321、留め金7322、等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は筐体7302に内蔵されているメモリ、CPUなどに用いることができる。なお、図47(B)に用いるディスプレイには反射型の液晶パネル、CPUにはノーマリオフ型のCPUを用いることで、低消費電力化することができて、日常における充電回数を減らすことができる。 FIG. 47B illustrates a smart watch, which includes a housing 7302, a display portion 7304, operation buttons 7311 and 7312, a connection terminal 7313, a band 7321, a clasp 7322, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a memory, a CPU, or the like incorporated in the housing 7302. Note that a reflective liquid crystal panel is used for the display used in FIG. 47B and a normally-off CPU is used for the CPU, so that power consumption can be reduced and the number of daily charging operations can be reduced.
図47(C)は、携帯情報端末であり、筐体7501に組み込まれた表示部7502の他、操作ボタン7503、外部接続ポート7504、スピーカー7505、マイク7506、表示部7502などを備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体7501に内蔵されているモバイル用メモリ、CPUなどに用いることができる。なお、ノーマリオフ型のCPUを用いることで、充電回数を減らすことができる。また、表示部7502は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながらフルハイビジョン、4k、または8kなど、様々な表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。 FIG. 47C illustrates a portable information terminal which includes an operation button 7503, an external connection port 7504, a speaker 7505, a microphone 7506, a display portion 7502, and the like in addition to a display portion 7502 incorporated in a housing 7501. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a mobile memory, a CPU, or the like incorporated in the housing 7501. Note that the number of times of charging can be reduced by using a normally-off type CPU. In addition, since the display portion 7502 can have extremely high definition, the display portion 7502 can perform various displays such as full high-definition, 4k, or 8k while being small and medium, and can obtain a very clear image. it can.
図47(D)はビデオカメラであり、第1筐体7701、第2筐体7702、表示部7703、操作キー7704、レンズ7705、接続部7706等を有する。操作キー7704およびレンズ7705は第1筐体7701に設けられており、表示部7703は第2筐体7702に設けられている。そして、第1筐体7701と第2筐体7702とは、接続部7706により接続されており、第1筐体7701と第2筐体7702の間の角度は、接続部7706により変更が可能である。表示部7703における映像を、接続部7706における第1筐体7701と第2筐体7702との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ7705の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。本発明の一態様に係る半導体装置は、第1筐体7701に内蔵されている集積回路、CPUなどに用いることができる。 FIG. 47D illustrates a video camera, which includes a first housing 7701, a second housing 7702, a display portion 7703, operation keys 7704, a lens 7705, a connection portion 7706, and the like. The operation key 7704 and the lens 7705 are provided in the first housing 7701, and the display portion 7703 is provided in the second housing 7702. The first housing 7701 and the second housing 7702 are connected by a connection portion 7706, and the angle between the first housing 7701 and the second housing 7702 can be changed by the connection portion 7706. is there. The video on the display portion 7703 may be switched in accordance with the angle between the first housing 7701 and the second housing 7702 in the connection portion 7706. The imaging device of one embodiment of the present invention can be provided at a position where the lens 7705 is focused. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit, a CPU, or the like incorporated in the first housing 7701.
図47(E)は、デジタルサイネージであり、電柱7901に設置された表示部7902を備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部7902の表示パネルおよび内蔵されている制御回路に用いることができる。 FIG. 47E illustrates digital signage, which includes a display portion 7902 installed on a utility pole 7901. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for the display panel of the display portion 7902 and a built-in control circuit.
図48(A)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体8121、表示部8122、キーボード8123、ポインティングデバイス8124等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体8121内に内蔵されているCPUや、メモリに適用することができる。なお、表示部8122は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながら8kの表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。 FIG. 48A illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 8121, a display portion 8122, a keyboard 8123, a pointing device 8124, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be applied to a CPU or a memory built in the housing 8121. Note that since the display portion 8122 can have very high definition, the display portion 8122 can display 8k while being small and medium-sized, and a very clear image can be obtained.
図48(B)に自動車9700の外観を示す。図48(C)に自動車9700の運転席を示す。自動車9700は、車体9701、車輪9702、ダッシュボード9703、ライト9704等を有する。本発明の一態様の半導体装置は、自動車9700の表示部、および制御用の集積回路に用いることができる。例えば、図48(C)に示す表示部9710乃至表示部9715に本発明の一態様の半導体を設けることができる。 FIG. 48B shows the appearance of an automobile 9700. FIG. 48C illustrates a driver seat of a car 9700. The automobile 9700 includes a vehicle body 9701, wheels 9702, a dashboard 9703, lights 9704, and the like. The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for a display portion of the automobile 9700 and an integrated circuit for control. For example, the semiconductor of one embodiment of the present invention can be provided in the display portion 9710 to the display portion 9715 illustrated in FIG.
表示部9710と表示部9711は、自動車のフロントガラスに設けられた表示装置、または入出力装置である。本発明の一態様の表示装置、または入出力装置は、表示装置、または入出力装置が有する電極を、透光性を有する導電性材料で作製することによって、反対側が透けて見える、いわゆるシースルー状態の表示装置、または入出力装置とすることができる。シースルー状態の表示装置、または入出力装置であれば、自動車9700の運転時にも視界の妨げになることがない。よって、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を自動車9700のフロントガラスに設置することができる。なお、表示装置、または入出力装置に、表示装置、または入出力装置を駆動するためのトランジスタなどを設ける場合には、有機半導体材料を用いた有機トランジスタや、酸化物半導体層を用いたトランジスタなど、透光性を有するトランジスタを用いるとよい。 The display portion 9710 and the display portion 9711 are display devices or input / output devices provided on a windshield of an automobile. A display device or an input / output device of one embodiment of the present invention is a so-called see-through state in which an electrode of the display device or the input / output device is made of a light-transmitting conductive material so that the opposite side can be seen through. Display devices or input / output devices. If the display device or the input / output device is in a see-through state, the view is not hindered even when the automobile 9700 is driven. Thus, the display device or the input / output device of one embodiment of the present invention can be provided on the windshield of the automobile 9700. Note that in the case where a transistor for driving the display device or the input / output device is provided in the display device or the input / output device, an organic transistor using an organic semiconductor material, a transistor using an oxide semiconductor layer, or the like A transistor having a light-transmitting property is preferably used.
表示部9712はピラー部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9712に映し出すことによって、ピラーで遮られた視界を補完することができる。表示部9713はダッシュボード部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9713に映し出すことによって、ダッシュボードで遮られた視界を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像手段からの映像を映し出すことによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。 A display portion 9712 is a display device provided in the pillar portion. For example, the field of view blocked by the pillar can be complemented by displaying an image from the imaging means provided on the vehicle body on the display portion 9712. A display portion 9713 is a display device provided in the dashboard portion. For example, by displaying an image from an imaging unit provided on the vehicle body on the display portion 9713, the view blocked by the dashboard can be complemented. That is, by projecting an image from the imaging means provided outside the automobile, the blind spot can be compensated and safety can be improved. Also, by displaying a video that complements the invisible part, it is possible to confirm the safety more naturally and without a sense of incongruity.
また、図48(D)は、運転席と助手席にベンチシートを採用した自動車の室内を示している。表示部9721は、ドア部に設けられた表示装置、または入出力装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9721に映し出すことによって、ドアで遮られた視界を補完することができる。また、表示部9722は、ハンドルに設けられた表示装置である。表示部9723は、ベンチシートの座面の中央部に設けられた表示装置である。なお、表示装置を座面や背もたれ部分などに設置して、当該表示装置を、当該表示装置の発熱を熱源としたシートヒーターとして利用することもできる。 FIG. 48D shows the interior of an automobile in which bench seats are used for the driver seat and the passenger seat. The display portion 9721 is a display device or an input / output device provided in the door portion. For example, the field of view blocked by the door can be complemented by displaying an image from an imaging unit provided on the vehicle body on the display portion 9721. The display portion 9722 is a display device provided on the handle. The display unit 9723 is a display device provided at the center of the seat surface of the bench seat. Note that the display device can be installed on a seating surface or a backrest portion, and the display device can be used as a seat heater using heat generated by the display device as a heat source.
表示部9714、表示部9715、または表示部9722はナビゲーション情報、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示部に表示される表示項目やレイアウトなどは、使用者の好みに合わせて適宜変更することができる。なお、上記情報は、表示部9710乃至表示部9713、表示部9721、表示部9723にも表示することができる。また、表示部9710乃至表示部9715、表示部9721乃至表示部9723は照明装置として用いることも可能である。また、表示部9710乃至表示部9715、表示部9721乃至表示部9723は加熱装置として用いることも可能である。 The display portion 9714, the display portion 9715, or the display portion 9722 can provide various other information such as navigation information, a speedometer and a tachometer, a travel distance, an oil supply amount, a gear state, and an air conditioner setting. In addition, display items, layouts, and the like displayed on the display unit can be changed as appropriate according to the user's preference. Note that the above information can also be displayed on the display portion 9710 to the display portion 9713, the display portion 9721, and the display portion 9723. The display portions 9710 to 9715 and the display portions 9721 to 9723 can also be used as lighting devices. The display portions 9710 to 9715 and the display portions 9721 to 9723 can also be used as heating devices.
また、図49(A)に、カメラ8000の外観を示す。カメラ8000は、筐体8001、表示部8002、操作ボタン8003、シャッターボタン8004、結合部8005等を有する。またカメラ8000には、レンズ8006を取り付けることができる。 FIG. 49A shows the appearance of the camera 8000. FIG. A camera 8000 includes a housing 8001, a display portion 8002, operation buttons 8003, a shutter button 8004, a coupling portion 8005, and the like. A lens 8006 can be attached to the camera 8000.
結合部8005は、電極を有し、後述するファインダー8100のほか、ストロボ装置等を接続することができる。 The coupling portion 8005 includes electrodes, and can connect a strobe device or the like in addition to a finder 8100 described later.
ここではカメラ8000として、レンズ8006を筐体8001から取り外して交換することが可能な構成としたが、レンズ8006と筐体が一体となっていてもよい。 Here, the camera 8000 is configured such that the lens 8006 can be removed from the housing 8001 and replaced, but the lens 8006 and the housing may be integrated.
シャッターボタン8004を押すことにより、撮像することができる。また、表示部8002はタッチパネルとしての機能を有し、表示部8002をタッチすることにより撮像することも可能である。 An image can be taken by pressing a shutter button 8004. In addition, the display portion 8002 has a function as a touch panel and can capture an image by touching the display portion 8002.
表示部8002に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を適用することができる。 The display device or the input / output device of one embodiment of the present invention can be applied to the display portion 8002.
図49(B)には、カメラ8000にファインダー8100を取り付けた場合の例を示している。 FIG. 49B shows an example in which a finder 8100 is attached to a camera 8000.
ファインダー8100は、筐体8101、表示部8102、ボタン8103等を有する。 The viewfinder 8100 includes a housing 8101, a display portion 8102, a button 8103, and the like.
筐体8101には、カメラ8000の結合部8005と係合する結合部を有しており、ファインダー8100をカメラ8000に取り付けることができる。また当該結合部には電極を有し、当該電極を介してカメラ8000から受信した映像等を表示部8102に表示させることができる。 The housing 8101 includes a coupling portion that engages with the coupling portion 8005 of the camera 8000, and the finder 8100 can be attached to the camera 8000. In addition, the coupling portion includes an electrode, and an image received from the camera 8000 via the electrode can be displayed on the display portion 8102.
ボタン8103は、電源ボタンとしての機能を有する。ボタン8103により、表示部8102の表示のオン・オフを切り替えることができる。 The button 8103 has a function as a power button. A button 8103 can be used to switch display on the display portion 8102 on and off.
筐体8101の中にある、集積回路、イメージセンサに本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to an integrated circuit or an image sensor in the housing 8101.
なお、図49(A)(B)では、カメラ8000とファインダー8100とを別の電子機器とし、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ8000の筐体8001に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を備えるファインダーが内蔵されていてもよい。 Note that in FIGS. 49A and 49B, the camera 8000 and the viewfinder 8100 are separate electronic devices and can be attached to and detached from each other. However, a display of one embodiment of the present invention is displayed on the housing 8001 of the camera 8000. A finder provided with a device or an input / output device may be incorporated.
また、図49(C)には、ヘッドマウントディスプレイ8200の外観を示している。 FIG. 49C shows the appearance of the head mounted display 8200.
ヘッドマウントディスプレイ8200は、装着部8201、レンズ8202、本体8203、表示部8204、ケーブル8205等を有している。また装着部8201には、バッテリー8206が内蔵されている。 The head mounted display 8200 includes a mounting portion 8201, a lens 8202, a main body 8203, a display portion 8204, a cable 8205, and the like. In addition, a battery 8206 is built in the mounting portion 8201.
ケーブル8205は、バッテリー8206から本体8203に電力を供給する。本体8203は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部8204に表示させることができる。また、本体8203に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を入力手段として用いることができる。 A cable 8205 supplies power from the battery 8206 to the main body 8203. The main body 8203 includes a wireless receiver and the like, and can display video information such as received image data on the display portion 8204. In addition, it is possible to use the user's viewpoint as an input unit by capturing the movement of the user's eyeball or eyelid with a camera provided in the main body 8203 and calculating the coordinates of the user's viewpoint based on the information. it can.
また、装着部8201には、使用者に触れる位置に複数の電極が設けられていてもよい。本体8203は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、使用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知することにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部8201には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用者の生体情報を表示部8204に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭部の動きなどを検出し、表示部8204に表示する映像をその動きに合わせて変化させてもよい。 In addition, the mounting portion 8201 may be provided with a plurality of electrodes at a position where the user touches the user. The main body 8203 may have a function of recognizing the user's viewpoint by detecting a current flowing through the electrode in accordance with the movement of the user's eyeball. Moreover, you may have a function which monitors a user's pulse by detecting the electric current which flows into the said electrode. The mounting portion 8201 may have various sensors such as a temperature sensor, a pressure sensor, and an acceleration sensor, and may have a function of displaying the user's biological information on the display portion 8204. Further, the movement of the user's head or the like may be detected, and the video displayed on the display unit 8204 may be changed in accordance with the movement.
本体8203の内部の集積回路に、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to the integrated circuit in the main body 8203.
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.
(実施の形態11)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いたRFタグの使用例について図50を用いながら説明する。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of using an RF tag using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<RFタグの使用例>
RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図50(A)参照)、乗り物類(自転車等、図50(B)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図50(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等身の回り品(鞄や眼鏡等、図50(D)参照)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図50(E)、図50(F)参照)等に設けて使用することができる。
<Usage example of RF tag>
Applications of RF tags are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident's card, etc., see FIG. 50A), vehicles (bicycles, FIG. 50, etc.) (See (B)), packaging containers (wrapping paper, bottles, etc., see FIG. 50 (C)), recording media (DVDs, video tapes and other personal items (such as bags and glasses, see FIG. 50 (D)), food , Plants, animals, human bodies, clothing, daily necessities, medical products including medicines and drugs, or articles such as electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, television devices, or mobile phones), or each It can be used by being provided on a tag attached to an article (see FIGS. 50E and 50F).
本発明の一態様に係るRFタグ4000は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFタグ4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るRFタグ4000を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るRFタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFタグを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。 The RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention is fixed to an article by being attached to the surface or embedded. For example, a book is embedded in paper, and a package made of an organic resin is embedded in the organic resin and fixed to each article. The RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention achieves small size, thinness, and light weight, and thus does not impair the design of the article itself even after being fixed to the article. In addition, by providing the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention to bills, coins, securities, bearer bonds, or certificates, etc., an authentication function can be provided. Counterfeiting can be prevented. In addition, by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention to packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, electronic devices, etc., the efficiency of a system such as an inspection system can be improved. Can be planned. Even in the case of vehicles, the security against theft or the like can be improved by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention.
以上のように、本発明の一態様に係わる半導体装置を用いたRFタグを、本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。 As described above, operating power including writing and reading of information can be reduced by using an RF tag including a semiconductor device according to one embodiment of the present invention for each application described in this embodiment. It is possible to increase the communication distance. In addition, since the information can be held for a very long period even when the power is cut off, it can be suitably used for applications where the frequency of writing and reading is low.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.
本実施例では、本発明を用いて研磨処理を行い、処理後の基板表面の平坦性評価を行った。その結果について説明する。 In this example, polishing treatment was performed using the present invention, and the flatness of the substrate surface after the treatment was evaluated. The result will be described.
サンプルは、図51(A)に示すサンプルを作製し、研磨処理を行い、平坦性評価を行った。サンプルは、基板100、絶縁層110、導電層165を有する。サンプルの作製方法は、実施の形態1にて説明した方法を用いた。なお、サンプルの作製方法は、この方法に限定されない。 As the sample, a sample shown in FIG. 51A was manufactured, polished, and evaluated for flatness. The sample includes a substrate 100, an insulating layer 110, and a conductive layer 165. The method described in Embodiment 1 was used as a sample manufacturing method. Note that a sample manufacturing method is not limited to this method.
絶縁層110には、プラズマCVD法で100nm成膜した酸化窒化シリコンを用いた。当該酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン27sccm、一酸化二窒素1000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびAPCバルブ制御により133.30Paとし、RF電源周波数を13.56MHzとし、成膜時のパワーは35Wとし、電極間の距離を20mmとし、成膜時の基板加熱温度を325℃とした。 As the insulating layer 110, silicon oxynitride formed to a thickness of 100 nm by a plasma CVD method was used. The film formation conditions for the silicon oxynitride film are as follows: the gas flow rate for film formation is 27 sccm of silane and 1000 sccm of dinitrogen monoxide, and the pressure in the chamber at the time of film formation is 133.30 Pa by the diaphragm type baratron sensor and APC valve control. The RF power supply frequency was 13.56 MHz, the power during film formation was 35 W, the distance between the electrodes was 20 mm, and the substrate heating temperature during film formation was 325 ° C.
導電層165として、メタルCVD法により5nm成膜した窒化チタンと、250nm成膜したタングステンを用いた。窒化チタン膜は、ALD法により成膜した。タングステン膜はメタルCVD法により成膜した。 As the conductive layer 165, titanium nitride formed with a thickness of 5 nm by metal CVD and tungsten formed with a thickness of 250 nm were used. The titanium nitride film was formed by the ALD method. The tungsten film was formed by a metal CVD method.
当該窒化チタンの成膜条件は、四塩化チタン50sccmで0.05sec導入してゲート絶縁層150上に吸着後、窒素ガスを4500sccmで0.2sec導入してパージ処理を行い、次いでアンモニアガスを2700sccmで0.3sec導入しゲート絶縁層に吸着後、窒素ガスを4000sccmで0.3sec導入し、これを一つのサイクルとして、サイクル数により膜厚制御した。また、基板ステージ設定温度を412℃、圧力を667Pa、基板ステージーガス射出ステージ間距離を3mmとした。 The titanium nitride film is formed by introducing titanium tetrachloride at 50 sccm for 0.05 sec and adsorbing on the gate insulating layer 150, introducing nitrogen gas at 4500 sccm for 0.2 sec, purging, and then ammonia gas at 2700 sccm. Was introduced for 0.3 sec., And nitrogen gas was introduced for 0.3 sec at 4000 sccm. This was taken as one cycle, and the film thickness was controlled by the number of cycles. The substrate stage set temperature was 412 ° C., the pressure was 667 Pa, and the distance between the substrate stage and the gas injection stage was 3 mm.
当該タングステンの成膜は、3ステップで実施した。 The tungsten film was formed in three steps.
第1の研磨処理として、成膜用ガス流量を6フッ化タングステン160sccm、シラン400sccm、アルゴン6000sccm、窒素2000sccm、ステージ裏側用アルゴン4000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を1000Paとし、基板ステージの設定温度を390℃とし、3サイクルで3nm成膜した。 As the first polishing process, the film forming gas flow rate is set to 160 sccm of tungsten hexafluoride, 400 sccm of silane, 6000 sccm of argon, 2000 sccm of nitrogen, and 4000 sccm of argon for the back side of the stage. The temperature was set to 390 ° C., and a film having a thickness of 3 nm was formed in three cycles.
第2の研磨処理として、成膜用ガス流量を6フッ化タングステン250sccm、水素4000sccm、および1700sccm(ガスラインを2系統に分けて使用)、アルゴン2000sccm、窒素200sccm、ステージ裏側用アルゴン4000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を10666Paとし、基板ステージの設定温度を390℃とし、15secで41nm成膜した。 As the second polishing process, the film formation gas flow rate was tungsten hexafluoride 250 sccm, hydrogen 4000 sccm, and 1700 sccm (the gas line was divided into two systems), argon 2000 sccm, nitrogen 200 sccm, and backside argon 4000 sccm. The chamber internal pressure during film formation was 10666 Pa, the substrate stage temperature was 390 ° C., and a film of 41 nm was formed in 15 seconds.
3rdステップとして、成膜用ガス流量を6フッ化タングステン250sccm、水素2200sccm、および1700sccm(ガスラインを2系統に分けて使用)、アルゴン2000sccm、窒素200sccm、ステージ裏側用アルゴン4000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を10666Paとし、基板ステージの設定温度を390℃として、残りの膜厚分を成膜した。 As the 3rd step, the film formation gas flow rate was tungsten hexafluoride 250 sccm, hydrogen 2200 sccm, and 1700 sccm (the gas line was divided into two systems), argon 2000 sccm, nitrogen 200 sccm, and backside argon 4000 sccm. The pressure inside the chamber was 10666 Pa, the set temperature of the substrate stage was 390 ° C., and the remaining film thickness was formed.
次に、CMPの処理を行った。各サンプルの共通条件を以下に示す。 Next, a CMP process was performed. The common conditions for each sample are shown below.
研磨処理は、東京精密社製のCMP装置(ChaMP−211−01)を用いて行った。研磨布は、ニッタハース社製IC1000/SUBA400 XY−Pを用いた。研磨用ヘッドのテンプレートの高さは650μmの物を用いた。研磨処理時、基板吸着せずにエアーを吹き付けながら処理を行った。また、研磨処理時のヘッドの回転数は93rpm、ステージの回転数は90rpmとした。また、研磨処理時のスラリーは150ml/minとした。 The polishing treatment was performed using a CMP apparatus (ChaMP-211-01) manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. As the polishing cloth, IC1000 / SUBA400 XY-P manufactured by Nitta Haas was used. A polishing head template having a height of 650 μm was used. During the polishing process, the process was performed while blowing air without adsorbing the substrate. Further, the rotational speed of the head during the polishing process was 93 rpm, and the rotational speed of the stage was 90 rpm. The slurry during the polishing treatment was 150 ml / min.
CMPの処理条件において、サンプルごとに異なる条件を以下に示す。 In the CMP processing conditions, different conditions for each sample are shown below.
条件1のサンプルにおいては、スラリーとして、ヒュームドシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のSS−W2000を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、61secとした。 In the sample of Condition 1, SS-W2000 manufactured by Cabot, which is an acidic slurry containing fumed silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 61 sec.
条件2のサンプルにおいては、スラリーとして、コロイダルシリカを含むキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、60secとした。 In the sample of Condition 2, W7300-B21 manufactured by Cabot Corp. containing colloidal silica was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 60 seconds.
条件3のサンプルにおいては、スラリーとして、コロイダルシリカを含むキャボット社製の酸性のスラリーであるW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、過酸化水素を1体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、80secとした。 In the sample of Condition 3, W7300-B21, which is an acidic slurry manufactured by Cabot Corporation containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. Hydrogen peroxide was added at a rate of 1% by volume to the slurry. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 80 sec.
条件4のサンプルにおいては、スラリーとして、コロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を0.5体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、5.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は2.50psiとした。処理時間は、85secとした。 In the sample of Condition 4, W7300-B21 manufactured by Cabot, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 0.5% by volume. The pressure on the wafer was 5.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 2.50 psi. The processing time was 85 sec.
条件5のサンプルにおいては、2ステップの研磨処理を行った。 In the sample of Condition 5, a two-step polishing process was performed.
第1の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、60secとした。 In the first polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot Corporation, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 60 seconds.
第2の研磨処理において、スラリーとしてヒュームドシリカを含むキャボット社製のアルカリ性のスラリーであるSemi−Sperse 25を用いた。水によるスラリーの希釈率は10倍とした。なお、スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水の添加は行っていない。ウェーハへの加圧は、2.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は2.0psiとした。処理時間は、20secとした。 In the second polishing treatment, Semi-Sperse 25, which is an alkaline slurry made by Cabot and containing fumed silica as a slurry, was used. The dilution ratio of the slurry with water was 10 times. Note that 31% by weight of hydrogen peroxide water was not added to the slurry. The pressure on the wafer was 2.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 2.0 psi. The processing time was 20 sec.
条件6のサンプルにおいては、2ステップの研磨処理を行った。 In the sample of Condition 6, a two-step polishing process was performed.
第1の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、55secとした。 In the first polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot Corporation, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 55 seconds.
第2の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水の添加は無しとした。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、90secとした。 In the second polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot Corporation, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. No addition of 31% by weight of hydrogen peroxide water was added to the slurry. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 90 sec.
サンプルごとに異なる条件のまとめを表1に示す。 A summary of the conditions that differ for each sample is shown in Table 1.
平坦性評価は、日立ハイテクノロジーズ社製の走査型プローブ顕微鏡システム(ステージSPA500、プローブステーションSPI3800N)を用いて行った。評価領域は、1μm×1μmとした。また、平坦性評価は、基板中央、基板周辺部の基板面内2か所に対して行った。 The flatness evaluation was performed using a scanning probe microscope system (stage SPA500, probe station SPI3800N) manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation. The evaluation area was 1 μm × 1 μm. In addition, the flatness evaluation was performed at two locations within the substrate surface at the center of the substrate and at the periphery of the substrate.
図51(B)に、上記にて説明した研磨処理後のサンプルの平坦性評価結果を示す。なお、評価指標として平均面粗さ(Ra)を用いた。 FIG. 51B shows the flatness evaluation result of the sample after the polishing process described above. In addition, average surface roughness (Ra) was used as an evaluation index.
図51(B)より、条件6を用いることで、Ra=0.20nmとなっており、条件1、2に比べて大幅に平坦性を向上させることができることが分かった。 From FIG. 51 (B), it was found that Ra = 0.20 nm by using Condition 6, and the flatness can be significantly improved as compared with Conditions 1 and 2.
図52に条件1と条件2、条件6について、研磨処理後の表面のAFM測定結果の鳥瞰図を示す。 FIG. 52 shows a bird's-eye view of the AFM measurement result of the surface after the polishing process for Condition 1, Condition 2, and Condition 6.
図52より、条件1および条件2に比べて本発明である条件6を用いて研磨処理することで、W表面の平坦性が向上していることがわかる。 From FIG. 52, it can be seen that the flatness of the W surface is improved by polishing using Condition 6 according to the present invention as compared with Conditions 1 and 2.
図53に、条件2と条件6における第2の研磨処理時のタングステン、および酸化窒化シリコン研磨速度を示す。 FIG. 53 shows the polishing rates of tungsten and silicon oxynitride during the second polishing process under conditions 2 and 6.
図53より、酸化シリコンの研磨速度は、条件2と条件6では52nm/minと略同じであることが分かった。一方で、タングステンの研磨速度は、条件2では127.3nm/minであるのに対して、条件6では4.4nm/minであることが分かった。酸化膜も研磨しながら、タングステンの凸部を除去することで、きわめて平坦性の高い導電層表面を形成することができる。 From FIG. 53, it was found that the polishing rate of silicon oxide was approximately the same as 52 nm / min under conditions 2 and 6. On the other hand, it was found that the polishing rate of tungsten was 127.3 nm / min in Condition 2, whereas it was 4.4 nm / min in Condition 6. By removing the tungsten protrusion while polishing the oxide film, a highly flat conductive layer surface can be formed.
したがって、本発明を用いることで、非常に平坦性の高い表面を有する導電層形成することができる。 Therefore, by using the present invention, a conductive layer having a highly flat surface can be formed.
本実施例では、図54に示したトランジスタの一部を作製し、形状評価を行った。断面観察結果について説明する。 In this example, a part of the transistor illustrated in FIGS. 54A and 54B was manufactured and subjected to shape evaluation. A cross-sectional observation result will be described.
サンプルは、実施の形態1にて説明した方法により作製した。なお、サンプルの作製方法は、この方法に限定されない。作製方法において、実施例1と重複する部分については、説明を援用する。 The sample was manufactured by the method described in Embodiment 1. Note that a sample manufacturing method is not limited to this method. In the manufacturing method, the description of the same part as in Example 1 is incorporated.
導電層164には、スパッタリング法によりタングステン(W)のターゲットを用いて100nmを成膜したものを用いた。タングステンの成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を0.8Paとし、成膜時のパワーはDC電源を用いて1.0kWとし、スパッタリング用のガス流量を加熱したアルゴンガス10sccmとし、基板ーターゲット間の距離を60mmとし、成膜時の基板加熱温度を130℃とした。 As the conductive layer 164, a film having a thickness of 100 nm formed using a tungsten (W) target by a sputtering method was used. The tungsten film formation conditions are as follows: the chamber pressure during film formation is 0.8 Pa; the power during film formation is 1.0 kW using a DC power supply; the sputtering gas flow rate is 10 sccm of heated argon gas; The distance between the target was 60 mm, and the substrate heating temperature during film formation was 130 ° C.
次に、絶縁層115となる第2の絶縁膜として、プラズマCVD法で成膜した酸化窒化シリコン膜の積層膜を用いた。第1の酸化窒化シリコン膜は300nm、第2の酸化窒化シリコン膜は200nm成膜した。第1の酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン27sccm、一酸化二窒素1000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびAPCバルブ制御により133.30Paとし、RF電源周波数を13.56MHzとし、成膜時のパワーは35Wとし、電極間の距離を20mmとし、成膜時の基板加熱温度を325℃とした。 Next, a stacked film of a silicon oxynitride film formed by a plasma CVD method was used as the second insulating film to be the insulating layer 115. The first silicon oxynitride film was formed with a thickness of 300 nm, and the second silicon oxynitride film was formed with a thickness of 200 nm. The deposition conditions for the first silicon oxynitride film are as follows: the deposition gas flow rate is set to 27 sccm of silane and 1000 sccm of dinitrogen monoxide, and the pressure in the chamber at the time of deposition is 133.30 Pa by the diaphragm type baratron sensor and APC valve control. The RF power frequency was 13.56 MHz, the power during film formation was 35 W, the distance between the electrodes was 20 mm, and the substrate heating temperature during film formation was 325 ° C.
続いて、当該酸化窒化シリコン膜上にタングステン膜、窒化シリコン膜を形成した。当該タングステン膜、窒化シリコン膜は、ハードマスクとしての機能を有する。 Subsequently, a tungsten film and a silicon nitride film were formed over the silicon oxynitride film. The tungsten film and the silicon nitride film function as a hard mask.
次に、窒化シリコン膜上に、有機樹脂膜、および感光性レジストを塗布し、EB露光機を用いたパターニングによりレジストマスクを形成した。当該酸化窒化シリコン膜は、レジストマスク、有機樹脂膜、タングステン膜を介してICPドライエッチング法により開口部の加工処理を行った。 Next, an organic resin film and a photosensitive resist were applied on the silicon nitride film, and a resist mask was formed by patterning using an EB exposure machine. The silicon oxynitride film was processed for opening by an ICP dry etching method through a resist mask, an organic resin film, and a tungsten film.
ICPドライエッチング法による加工処理は、7ステップにて行った。 Processing by the ICP dry etching method was performed in 7 steps.
第1の研磨処理の処理条件は、上部電極―基板間距離を80mm、圧力を3.0Pa、RF電源の電力を上部側500W、下側を100W、エッチングガス流量として四フッ化メタン80sccm、チャンバー下部の温度20℃として、13sec処理を行った。 The processing conditions of the first polishing process are: the upper electrode-substrate distance is 80 mm, the pressure is 3.0 Pa, the power of the RF power source is 500 W on the upper side, the lower side is 100 W, the etching gas flow rate is 80 sccm of tetrafluoromethane, the chamber The treatment was carried out for 13 sec at a lower temperature of 20 ° C.
第2の研磨処理の処理条件は、上部電極―基板間距離を80mm、圧力を5.3Pa、RF電源の電力を上部側550W、下側を350W、エッチングガス流量として3フッ化メタン67sccm、酸素13sccm、チャンバー下部の温度20℃として、28sec処理を行った。 The processing conditions of the second polishing process are: the upper electrode-substrate distance is 80 mm, the pressure is 5.3 Pa, the power of the RF power source is 550 W on the upper side, the lower side is 350 W, the etching gas flow rate is 67 sccm of trifluoromethane, oxygen The treatment was performed at 13 sccm and the temperature at the bottom of the chamber at 20 ° C. for 28 seconds.
3rdステップの処理条件は、上部電極―基板間距離を115mm、圧力を1.3Pa、RF電源の電力を上部側1000W、下側を100W、エッチングガス流量として4フッ化メタン28sccm、酸素28sccm、塩素14sccm、チャンバー下部の温度20℃として、3sec処理を行った。 The processing conditions of the 3rd step are as follows: the distance between the upper electrode and the substrate is 115 mm, the pressure is 1.3 Pa, the power of the RF power source is 1000 W on the upper side, the lower side is 100 W, the etching gas flow rate is 28 sccm of tetrafluoromethane, 28 sccm of oxygen, chlorine The treatment was performed at 14 sccm and the temperature at the bottom of the chamber at 20 ° C. for 3 seconds.
4thステップの処理条件は、上部電極―基板間距離を115mm、圧力を0.6Pa、RF電源の電力を上部側1000W、下側を100W、エッチングガス流量として4フッ化メタン28sccm、酸素28sccm、塩素14sccm、チャンバー下部の温度20℃として、38sec処理を行った。 The processing conditions of the 4th step are: the distance between the upper electrode and the substrate is 115 mm, the pressure is 0.6 Pa, the power of the RF power source is 1000 W on the upper side, the lower side is 100 W, the etching gas flow rate is 28 sccm of tetrafluoromethane, 28 sccm of oxygen, chlorine The treatment was performed at 14 sccm and the temperature at the bottom of the chamber at 20 ° C. for 38 seconds.
5thステップの処理条件は、上部電極―基板間距離を25mm、圧力を3.3Pa、RF電源の電力を上部側1800W、下側2000W、エッチングガス流量としてアルゴン800sccm、酸素30sccm、ヘキサフルオロ1,3ブタジエン14sccm、チャンバー下部の温度20℃として、70sec処理を行った。 The processing conditions of the 5th step are as follows: the distance between the upper electrode and the substrate is 25 mm, the pressure is 3.3 Pa, the power of the RF power source is 1800 W on the upper side, 2000 W on the lower side, the argon gas is 800 sccm, the oxygen is 30 sccm, the hexafluoro 1,3 The treatment was performed for 70 sec at a butadiene of 14 sccm and a temperature at the bottom of the chamber of 20 ° C.
6thステップの処理条件は、上部電極―基板間距離を40mm、圧力を5.2Pa、RF電源の電力を上部側500W、下側を100W、エッチングガス流量として酸素200sccm、チャンバー下部の温度20℃として、3sec処理を行った。 The processing conditions for the 6th step are as follows: the distance between the upper electrode and the substrate is 40 mm, the pressure is 5.2 Pa, the power of the RF power source is 500 W on the upper side, the lower side is 100 W, the oxygen gas is 200 sccm as the etching gas flow rate, and the temperature at the bottom of the chamber is 20 ° C. 3 sec treatment was performed.
7thステップの処理条件は、上部電極―基板間距離を40mm、圧力を2.6Pa、RF電源の電力を上部側500W、下側を100W、エッチングガス流量として酸素200sccm、チャンバー下部の温度20℃として、10sec処理を行った。 The processing conditions of the 7th step are as follows: the distance between the upper electrode and the substrate is 40 mm, the pressure is 2.6 Pa, the power of the RF power source is 500 W on the upper side, the lower side is 100 W, the oxygen gas is 200 sccm as the etching gas flow rate, and the temperature at the bottom of the chamber is 20 ° C. The treatment was performed for 10 seconds.
続いて、上記処理により露出したタングステン膜に対してICPドライエッチング法により加工処理を行った。エッチング条件は、圧力を2.0Pa、RF電源の電力を上部側1000W、下側を25W、エッチングガス流量として塩素40sccm、四フッ化メタン40sccm、基板温度をー10℃として、20sec処理を行った。 Subsequently, the tungsten film exposed by the above process was processed by an ICP dry etching method. Etching conditions were as follows: the pressure was 2.0 Pa, the power of the RF power source was 1000 W on the upper side, the lower side was 25 W, the etching gas flow rate was 40 sccm of chlorine, 40 sccm of tetrafluoromethane, and the substrate temperature was −10 ° C. for 20 sec. .
次に導電層165として、メタルCVD法により5nm成膜した窒化チタンと、150nm成膜したタングステンを用いた。窒化チタン膜は、ALD法により成膜した。タングステン膜はめたるCVD法により成膜した。 Next, as the conductive layer 165, titanium nitride formed with a thickness of 5 nm by metal CVD and tungsten formed with a thickness of 150 nm were used. The titanium nitride film was formed by the ALD method. The tungsten film was formed by a full CVD method.
当該窒化チタンの成膜条件は、四塩化チタン50sccmで0.05sec導入してゲート絶縁層150上に吸着後、窒素ガスを4500sccmで0.2sec導入してパージ処理を行い、次いでアンモニアガスを2700sccmで0.3sec導入しゲート絶縁層に吸着後、窒素ガスを4000sccmで0.3sec導入し、これを一つのサイクルとして、サイクル数により膜厚制御した。また、基板ステージ設定温度を412℃、圧力を667Pa、基板ステージーガス射出ステージ間距離を3mmとした。 The titanium nitride film is formed by introducing titanium tetrachloride at 50 sccm for 0.05 sec and adsorbing on the gate insulating layer 150, introducing nitrogen gas at 4500 sccm for 0.2 sec, purging, and then ammonia gas at 2700 sccm. Was introduced for 0.3 sec., And nitrogen gas was introduced for 0.3 sec at 4000 sccm. This was taken as one cycle, and the film thickness was controlled by the number of cycles. The substrate stage set temperature was 412 ° C., the pressure was 667 Pa, and the distance between the substrate stage and the gas injection stage was 3 mm.
当該タングステンの成膜は、3ステップで実施した。 The tungsten film was formed in three steps.
第1の研磨処理として、成膜用ガス流量を6フッ化タングステン160sccm、シラン400sccm、アルゴン6000sccm、窒素2000sccm、ステージ裏側用アルゴン4000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を1000Paとし、基板ステージの設定温度を390℃とし、3サイクルで3nm成膜した。 As the first polishing process, the film forming gas flow rate is set to 160 sccm of tungsten hexafluoride, 400 sccm of silane, 6000 sccm of argon, 2000 sccm of nitrogen, and 4000 sccm of argon for the back side of the stage. The temperature was set to 390 ° C., and a film having a thickness of 3 nm was formed in three cycles.
第2の研磨処理として、成膜用ガス流量を6フッ化タングステン250sccm、水素4000sccm、および1700sccm(ガスラインを2系統に分けて使用)、アルゴン2000sccm、窒素200sccm、ステージ裏側用アルゴン4000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を10666Paとし、基板ステージの設定温度を390℃とし、15secで41nm成膜した。 As the second polishing process, the film formation gas flow rate was tungsten hexafluoride 250 sccm, hydrogen 4000 sccm, and 1700 sccm (the gas line was divided into two systems), argon 2000 sccm, nitrogen 200 sccm, and backside argon 4000 sccm. The chamber internal pressure during film formation was 10666 Pa, the substrate stage temperature was 390 ° C., and a film of 41 nm was formed in 15 seconds.
第3の研磨処理として、成膜用ガス流量を6フッ化タングステン250sccm、水素2200sccm、および1700sccm(ガスラインを2系統に分けて使用)、アルゴン2000sccm、窒素200sccm、ステージ裏側用アルゴン4000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を10666Paとし、基板ステージの設定温度を390℃として、残りの膜厚分を成膜した。 As a third polishing process, the film formation gas flow rate was tungsten hexafluoride 250 sccm, hydrogen 2200 sccm, and 1700 sccm (the gas line was divided into two systems), argon 2000 sccm, nitrogen 200 sccm, and stage backside argon 4000 sccm. The chamber pressure during film formation was 10666 Pa, the substrate stage set temperature was 390 ° C., and the remaining film thickness was formed.
当該窒化チタン膜、当該タングステン膜を成膜後、CMP法により絶縁層115が露出するまで平坦化処理を行った。 After the titanium nitride film and the tungsten film were formed, planarization treatment was performed by a CMP method until the insulating layer 115 was exposed.
CMPの処理は、実施例1に示した条件2と本発明である条件6をもとに処理を行った。共通条件については、実施例1の説明を援用する。 The CMP process was performed based on Condition 2 shown in Example 1 and Condition 6 of the present invention. About common conditions, explanation of Example 1 is used.
条件2のサンプルにおいては、3ステップの研磨処理を行った。 In the sample of Condition 2, a three-step polishing process was performed.
第1の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、63.4secとした。 In the first polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot Corporation, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 63.4 sec.
第2の研磨処理において、スラリーとしてヒュームドシリカを含むキャボット社製のアルカリ性のスラリーであるSemi−Sperse 25を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は2.0psiとした。処理時間は、30secとした。なお、この処理では、ヘッドの回転数を73rpm、ステージの回転数を70rpmとした。 In the second polishing treatment, Semi-Sperse 25, which is an alkaline slurry made by Cabot and containing fumed silica as a slurry, was used. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 2.0 psi. The processing time was 30 sec. In this process, the rotational speed of the head was 73 rpm, and the rotational speed of the stage was 70 rpm.
第3の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、25.0secとした。 In the third polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 25.0 sec.
条件6のサンプルにおいては、4ステップの研磨処理を行った。 For the sample of Condition 6, a four-step polishing process was performed.
第1の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、62.1secとした。 In the first polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot Corporation, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 62.1 sec.
第2の研磨処理において、スラリーとしてヒュームドシリカを含むキャボット社製のアルカリ性のスラリーであるSemi−Sperse 25を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は2.0psiとした。処理時間は、20secとした。なお、この処理では、ヘッドの回転数を73rpm、ステージの回転数を70rpmとした。 In the second polishing treatment, Semi-Sperse 25, which is an alkaline slurry made by Cabot and containing fumed silica as a slurry, was used. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 2.0 psi. The processing time was 20 sec. In this process, the rotational speed of the head was 73 rpm, and the rotational speed of the stage was 70 rpm.
第3の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水を2体積%の割合で添加した。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、23.4ecとした。 In the third polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used as the slurry. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide was added to the slurry at a rate of 2% by volume. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 23.4 ec.
第4の研磨処理において、スラリーとしてコロイダルシリカを含む酸性のスラリーであるキャボット社製のW7300−B21を用いた。水によるスラリーの希釈率は2倍とした。スラリーに対して、31重量%の過酸化水素水の添加をなしとした。ウェーハへの加圧は、3.0psiであり、基板保持用治具(リテーナ)への加圧は1.40psiとした。処理時間は、20.0ecとした。 In the fourth polishing treatment, W7300-B21 manufactured by Cabot Corporation, which is an acidic slurry containing colloidal silica, was used. The dilution ratio of the slurry with water was doubled. 31% by weight of hydrogen peroxide water was added to the slurry. The pressure on the wafer was 3.0 psi, and the pressure on the substrate holding jig (retainer) was 1.40 psi. The processing time was 20.0 ec.
次に、研磨処理した導電層165上に絶縁層117を形成した。絶縁層117には、酸化窒化シリコン膜10nm(絶縁層117a)と酸化ハフニウム膜20nm(絶縁層117b)と酸化窒化シリコン膜30nm(絶縁層117c)の積層を用いた。 Next, the insulating layer 117 was formed over the polished conductive layer 165. As the insulating layer 117, a stacked layer of a silicon oxynitride film 10 nm (insulating layer 117a), a hafnium oxide film 20 nm (insulating layer 117b), and a silicon oxynitride film 30 nm (insulating layer 117c) was used.
酸化窒化シリコン膜は、プラズマCVD法で成膜した。当該酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン27sccm、一酸化二窒素1000sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびAPCバルブ制御により133.30Paとし、RF電源周波数を13.56MHzとし、成膜時のパワーは35Wとし、電極間の距離を20mmとし、成膜時の基板加熱温度を325℃とした。 The silicon oxynitride film was formed by a plasma CVD method. The film formation conditions for the silicon oxynitride film are as follows: the gas flow rate for film formation is 27 sccm of silane and 1000 sccm of dinitrogen monoxide, and the pressure in the chamber at the time of film formation is 133.30 Pa by the diaphragm type baratron sensor and APC valve control. The RF power supply frequency was 13.56 MHz, the power during film formation was 35 W, the distance between the electrodes was 20 mm, and the substrate heating temperature during film formation was 325 ° C.
酸化ハフニウム膜はALD法により成膜した。当該酸化ハフニウム膜の成膜条件は、プリカーサとしてHf[N(CH3)2]4 TDMAHf テトラキス(ジメチルアミド)ハフニウムと、オゾンと、を用いて300℃で成膜した。 The hafnium oxide film was formed by the ALD method. The hafnium oxide film was formed at 300 ° C. using Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 TDMAHf tetrakis (dimethylamido) hafnium as a precursor and ozone.
断面観察は、走査型透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmittance Electron Microscope)により行い、装置は日立ハイテクノロジーズ社製HD−2300を用いた。図54に条件2のサンプル断面STEM観察結果、図55に条件6のサンプルの断面観察結果を示す。なお、図55(A)と図56(A)の観察倍率は、100k倍であり、図55(B)と図56(B)の観察倍率は、200k倍である。 Cross-section observation was performed with a scanning transmission electron microscope (STEM), and an HD-2300 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used as the apparatus. FIG. 54 shows a sample cross-sectional STEM observation result of Condition 2, and FIG. 55 shows a cross-sectional observation result of the sample of Condition 6. In addition, the observation magnification of FIG. 55 (A) and FIG. 56 (A) is 100k times, and the observation magnification of FIG. 55 (B) and FIG. 56 (B) is 200k times.
図55、図56より、条件2のサンプルでは、研磨処理後の導電層の表面が凹凸を有しており、その結果導電層上に形成した絶縁層が湾曲していることがわかる。一方で、本発明を用いた条件6のサンプルは、研磨処理した導電層の表面が平坦になっており、その結果当該導電層上の絶縁層も平坦性が高い結果となっている。したがって、本発明を用いることで、トランジスタを安定して作製することができる。その結果、トランジスタの電気特性の向上(ばらつきの低減)が可能となり、半導体装置を安定して動作させることができる。 55 and 56, in the sample of Condition 2, it can be seen that the surface of the conductive layer after the polishing treatment has irregularities, and as a result, the insulating layer formed on the conductive layer is curved. On the other hand, in the sample of Condition 6 using the present invention, the surface of the polished conductive layer is flat, and as a result, the insulating layer on the conductive layer also has high flatness. Therefore, by using the present invention, a transistor can be stably manufactured. As a result, the electrical characteristics of the transistor can be improved (variation can be reduced), and the semiconductor device can be stably operated.
10 トランジスタ
11 トランジスタ
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 トランジスタ
15 トランジスタ
16 トランジスタ
17 トランジスタ
18 トランジスタ
20 表示装置
21 表示領域
22 周辺回路
24 表示装置
40 構造
50 トランジスタ
52 トランジスタ
60 容量素子
62 容量素子
70 発光素子
80 液晶素子
100 基板
103 偏光板
105 保護基板
110 絶縁層
115 絶縁層
115a 絶縁膜
117 絶縁層
117a 絶縁層
117b 絶縁層
117c 絶縁層
119 絶縁層
121 酸化物絶縁層
122 酸化物半導体層
123 酸化物絶縁層
123a 酸化物半導体膜
124 低抵抗領域
130 ソース電極層
130b 導電層
140 ドレイン電極層
150 ゲート絶縁層
150a 絶縁膜
160 ゲート電極層
160a 導電膜
164 導電層
165 導電層
165a 導電膜
165b 導電層
170 絶縁層
172 絶縁層
174 溝部
175 絶縁層
175b 絶縁層
180 絶縁層
190 導電層
195 導電層
200 撮像装置
201 スイッチ
202 スイッチ
203 スイッチ
210 画素部
211 画素
212 副画素
212B 副画素
212G 副画素
212R 副画素
220 光電変換素子
230 画素回路
231 配線
247 配線
248 配線
249 配線
250 配線
253 配線
254 フィルタ
254B フィルタ
254G フィルタ
254R フィルタ
255 レンズ
256 光
257 配線
260 周辺回路
270 周辺回路
280 周辺回路
290 周辺回路
291 光源
300 シリコン基板
310 層
320 層
330 層
340 層
351 トランジスタ
352 トランジスタ
353 トランジスタ
360 フォトダイオード
361 アノード
362 カソード
363 低抵抗領域
365 フォトダイオード
366 半導体
367 半導体
368 半導体
370 プラグ
371 配線
372 配線
373 配線
374 配線
380 絶縁層
400 基板
402 保護基板
403 偏光板
410 導電層
418 遮光層
420 絶縁層
430 絶縁層
440 スペーサ
450 EL層
460 着色層
470 接着層
473 接着層
474 接着層
475 接着層
476 接着層
480 導電層
490 液晶層
510 異方性導電層
530 光学調整層
601 プリカーサ
602 プリカーサ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
711b 原料供給部
712 走査線
713 走査線
714 信号線
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
1000 ニッタハース社製IC
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
1700 基板
1701 チャンバー
1702 ロード室
1703 前処理室
1704 チャンバー
1705 チャンバー
1706 アンロード室
1711a 原料供給部
1711b 原料供給部
1712a 高速バルブ
1712b 高速バルブ
1713a 原料導入口
1713b 原料導入口
1714 原料排出口
1715 排気装置
1716 基板ホルダ
1720 搬送室
1750 インターポーザ
1751 チップ
1752 端子
1753 モールド樹脂
1800 パネル
1801 プリント配線基板
1802 パッケージ
1803 FPC
1804 バッテリー
1900 基板
1901 ヘッド
1902 スラリー供給口
1903 スラリー
1904 研磨布
1905 ステージ
1906 加圧
1907 筐体
2000 SS−W
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁体
2202 配線
2203 プラグ
2204 絶縁体
2205 配線
2207 絶縁体
2211 半導体基板
2212 絶縁体
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁体
2215 ソース領域およびドレイン領域
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFタグ
6000 表示モジュール
6001 上部カバー
6002 下部カバー
6003 FPC
6004 タッチパネル
6005 FPC
6006 表示パネル
6007 バックライトユニット
6008 光源
6009 フレーム
6010 プリント基板
6011 バッテリー
7101 筐体
7102 筐体
7103 表示部
7104 表示部
7105 マイク
7106 スピーカー
7107 操作キー
7108 スタイラス
7302 筐体
7304 表示部
7311 操作ボタン
7312 操作ボタン
7313 接続端子
7321 バンド
7322 金
7501 筐体
7502 表示部
7503 操作ボタン
7504 外部接続ポート
7505 スピーカー
7506 マイク
7701 筐体
7702 筐体
7703 表示部
7704 操作キー
7705 レンズ
7706 接続部
7901 電柱
7902 表示部
8000 カメラ
8001 筐体
8002 表示部
8003 操作ボタン
8004 シャッターボタン
8005 結合部
8006 レンズ
8100 ファインダー
8101 筐体
8102 表示部
8103 ボタン
8121 筐体
8122 表示部
8123 キーボード
8124 ポインティングデバイス
8200 ヘッドマウントディスプレイ
8201 装着部
8202 レンズ
8203 本体
8204 表示部
8205 ケーブル
8206 バッテリー
9700 自動車
9701 車体
9702 車輪
9703 ダッシュボード
9704 ライト
9710 表示部
9711 表示部
9712 表示部
9713 表示部
9714 表示部
9715 表示部
9721 表示部
9722 表示部
9723 表示部
10 transistor 11 transistor 12 transistor 13 transistor 14 transistor 15 transistor 16 transistor 17 transistor 18 transistor 20 display device 21 display region 22 peripheral circuit 24 display device 40 structure 50 transistor 52 transistor 60 capacitor element 62 capacitor element 70 light emitting element 80 liquid crystal element 100 substrate 103 Polarizing plate 105 Protective substrate 110 Insulating layer 115 Insulating layer 115a Insulating film 117 Insulating layer 117a Insulating layer 117b Insulating layer 117c Insulating layer 119 Insulating layer 121 Oxide insulating layer 122 Oxide semiconductor layer 123 Oxide insulating layer 123a Oxide semiconductor film 124 low resistance region 130 source electrode layer 130b conductive layer 140 drain electrode layer 150 gate insulating layer 150a insulating film 160 gate electrode layer 160a conductive film 164 Conductive layer 165 Conductive layer 165a Conductive layer 165b Conductive layer 170 Insulating layer 172 Insulating layer 174 Groove 175 Insulating layer 175b Insulating layer 180 Insulating layer 190 Conductive layer 195 Conductive layer 200 Imaging device 201 Switch 202 Switch 203 Switch 210 Switch unit 210 Pixel unit 211 Pixel 212 Sub Pixel 212B Subpixel 212G Subpixel 212R Subpixel 220 Photoelectric conversion element 230 Pixel circuit 231 Wiring 247 Wiring 248 Wiring 249 Wiring 250 Wiring 253 Wiring 254 Filter 254B Filter 254G Filter 254R Filter 255 Lens 256 Light 257 Wiring 260 Peripheral circuit 270 Peripheral circuit 280 Peripheral circuit 290 Peripheral circuit 291 Light source 300 Silicon substrate 310 Layer 320 Layer 330 Layer 340 Layer 351 Transistor 352 Transistor 353 Transistor 360 Photo diode 361 Anode 362 Cathode 363 Low resistance region 365 Photo diode 366 Semiconductor 367 Semiconductor 368 Semiconductor 370 Plug 371 Wiring 372 Wiring 373 Wiring 374 Wiring 380 Insulating layer 400 Substrate 402 Protective substrate 403 Polarizing plate 410 Conductive layer 418 Light shielding layer 420 Insulating layer 430 Insulating Layer 440 Spacer 450 EL layer 460 Colored layer 470 Adhesive layer 473 Adhesive layer 474 Adhesive layer 475 Adhesive layer 476 Adhesive layer 480 Conductive layer 490 Liquid crystal layer 510 Anisotropic conductive layer 530 Optical adjustment layer 601 Precursor 602 Precursor 700 Substrate 701 Pixel portion 702 Scan line driver circuit 703 Scan line driver circuit 704 Signal line driver circuit 710 Capacitor wiring 711b Raw material supply unit 712 Scan line 713 Scan line 714 Signal line 716 Transistor 717 Transition 718 Liquid crystal element 719 Liquid crystal element 720 Pixel 721 Switching transistor 722 Driving transistor 723 Capacitance element 724 Light emitting element 725 Signal line 726 Scan line 727 Power line 728 Common electrode 800 RF tag 801 Communication device 802 Antenna 803 Radio signal 804 Antenna 805 Rectification Circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulation circuit 808 Modulation circuit 809 Logic circuit 810 Memory circuit 811 ROM
1000 Nitta Haas IC
1189 ROM interface 1190 board 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
1200 memory element 1201 circuit 1202 circuit 1203 switch 1204 switch 1206 logic element 1207 capacitor element 1208 capacitor element 1209 transistor 1210 transistor 1213 transistor 1214 transistor 1220 circuit 1700 substrate 1701 chamber 1702 load chamber 1703 pretreatment chamber 1704 chamber 1705 chamber 1706 unload chamber 1711a Raw material supply unit 1711b Raw material supply unit 1712a High speed valve 1712b High speed valve 1713a Raw material introduction port 1713b Raw material introduction port 1714 Raw material discharge port 1715 Exhaust device 1716 Substrate holder 1720 Transfer chamber 1750 Interposer 1751 Chip 1752 Terminal 1753 Mold resin 1800 Panel 1801 Printed wiring board 1802 Package 1 803 FPC
1804 Battery 1900 Substrate 1901 Head 1902 Slurry supply port 1903 Slurry 1904 Polishing cloth 1905 Stage 1906 Pressure 1907 Case 2000 SS-W
2100 transistor 2200 transistor 2201 insulator 2202 wire 2203 plug 2204 insulator 2205 wire 2207 insulator 2211 semiconductor substrate 2212 insulator 2213 gate electrode 2214 gate insulator 2215 source region and drain region 3001 wire 3002 wire 3003 wire 3004 wire 3005 wire 3200 transistor 3300 Transistor 3400 Capacitance element 4000 RF tag 6000 Display module 6001 Upper cover 6002 Lower cover 6003 FPC
6004 Touch panel 6005 FPC
6006 Display panel 6007 Backlight unit 6008 Light source 6009 Frame 6010 Printed circuit board 6011 Battery 7101 Case 7102 Case 7103 Display portion 7104 Display portion 7105 Microphone 7106 Speaker 7107 Operation key 7108 Stylus 7302 Case 7304 Display portion 7311 Operation button 7312 Operation button 7313 Connection terminal 7321 Band 7322 Gold 7501 Case 7502 Display unit 7503 Operation button 7504 External connection port 7505 Speaker 7506 Microphone 7701 Case 7702 Case 7703 Display unit 7704 Operation key 7705 Lens 7706 Connection unit 7901 Electric pole 7902 Display unit 8000 Camera 8001 Case 8002 Display unit 8003 Operation button 8004 Shutter button 8005 Coupling unit 80 6 Lens 8100 Viewfinder 8101 Case 8102 Display unit 8103 Button 8121 Case 8122 Display unit 8123 Keyboard 8124 Pointing device 8200 Head mounted display 8201 Mounting unit 8202 Lens 8203 Body 8204 Display unit 8205 Cable 8206 Battery 9700 Car 9701 Car body 9702 Wheel 9703 Dashboard 9704 Light 9710 Display unit 9711 Display unit 9712 Display unit 9713 Display unit 9714 Display unit 9715 Display unit 9721 Display unit 9722 Display unit 9723 Display unit
Claims (14)
前記第1の層上に第1の絶縁膜を形成し、
第1のマスクを用いて前記第1の絶縁膜の一部をエッチングすることによって第1の絶縁層を形成し、
前記第1の層、および前記第1の絶縁層上に第1の導電膜を形成し、
前記第1の導電膜に対して研磨を行うことによって第1の導電層を形成し、
前記研磨は、第1の研磨処理と、第2の研磨処理を有し、
前記第1の研磨処理は、金属を酸化させて研磨する処理であって、
前記第2の研磨処理は、金属を酸化させずに研磨する処理であること、
を特徴とする、導電体の作製方法。 Forming a first layer;
Forming a first insulating film on the first layer;
Forming a first insulating layer by etching a portion of the first insulating film using a first mask;
Forming a first conductive film on the first layer and the first insulating layer;
Forming a first conductive layer by polishing the first conductive film;
The polishing has a first polishing process and a second polishing process,
The first polishing process is a process of oxidizing and polishing a metal,
The second polishing process is a process of polishing without oxidizing the metal;
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第1の研磨処理に用いるスラリーは、酸化剤を有し、
前記第2の研磨処理に用いるスラリーは、酸化剤を有さないこと、
を特徴とする、導電体の作製方法。 In claim 1,
The slurry used for the first polishing treatment has an oxidizing agent,
The slurry used for the second polishing treatment does not have an oxidizing agent;
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第2の研磨処理時の前記第1の絶縁層の研磨速度は、40nm/min以上80nm/min以下であって、
前記第2の研磨処理時の前記第1の導電層の研磨速度は、1nm/min以上10min/min以下であること、
を特徴とする、導電体の作製方法。 In claim 1 or 2,
The polishing rate of the first insulating layer during the second polishing process is 40 nm / min or more and 80 nm / min or less,
The polishing rate of the first conductive layer during the second polishing treatment is 1 nm / min or more and 10 min / min or less;
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第2の研磨処理の研磨時間は、30秒以上180秒以下とすること、
を特徴とする、導電体の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The polishing time of the second polishing process is 30 seconds or more and 180 seconds or less,
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第2の研磨処理時の基板への加圧を1psi以上5psi以下とすること、
を特徴とする、導電体の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The pressure applied to the substrate during the second polishing process is set to 1 psi to 5 psi,
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第2の研磨処理時に用いるスラリーは、コロイダルシリカを含有すること、
を特徴とする、導電体の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The slurry used in the second polishing treatment contains colloidal silica;
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第2の研磨処理後の第1の導電層表面は、平均面粗さが0.1nm以上0.35nm以下であること、
を特徴とする、導電体の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
The surface of the first conductive layer after the second polishing treatment has an average surface roughness of 0.1 nm to 0.35 nm,
A method for producing a conductor, characterized by the above.
前記第1の層上に第1の絶縁膜を形成し、
第1のマスクを用いて前記第1の絶縁膜の一部をエッチングして第1の絶縁層を形成し、
前記第1の層、および前記第1の絶縁層上に、第1の導電膜を形成し、
前記第1の導電膜に対して化学機械研磨を行い、第1の導電層を形成し、
前記第1の導電層上にトランジスタを形成し、
前記化学機械研磨は、第1の研磨処理と、第2の研磨処理を有し、
前記第1の研磨処理は、金属を酸化させて研磨する処理であって、
前記第2の研磨処理は、金属を酸化させずに研磨する処理であること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 Forming a first layer;
Forming a first insulating film on the first layer;
Etching a part of the first insulating film using a first mask to form a first insulating layer;
Forming a first conductive film on the first layer and the first insulating layer;
Performing chemical mechanical polishing on the first conductive film to form a first conductive layer;
Forming a transistor on the first conductive layer;
The chemical mechanical polishing has a first polishing process and a second polishing process,
The first polishing process is a process of oxidizing and polishing a metal,
The second polishing process is a process of polishing without oxidizing the metal;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第1の研磨処理に用いるスラリーは、酸化剤を有し、
前記第2の研磨処理に用いるスラリーは、酸化剤を有さないこと、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 In claim 8,
The slurry used for the first polishing treatment has an oxidizing agent,
The slurry used for the second polishing treatment does not have an oxidizing agent;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2の研磨処理時の前記第1の絶縁層の研磨速度は、40nm/min以上80nm/min以下であって、
前記第2の研磨処理時の前記第1の導電層の研磨速度は、1nm/min以上10min/min以下であること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 In claim 8 or 9,
The polishing rate of the first insulating layer during the second polishing process is 40 nm / min or more and 80 nm / min or less,
The polishing rate of the first conductive layer during the second polishing treatment is 1 nm / min or more and 10 min / min or less;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2の研磨処理の研磨時間は、30秒以上180秒以下とすること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 8 thru | or 10,
The polishing time of the second polishing process is 30 seconds or more and 180 seconds or less,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2の研磨処理時の基板への加圧を1psi以上5psi以下とすること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The pressure applied to the substrate during the second polishing process is set to 1 psi to 5 psi,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2の研磨処理時に用いるスラリーは、コロイダルシリカを含有すること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The slurry used in the second polishing treatment contains colloidal silica;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2の研磨処理後の第1の導電層表面は、平均面粗さが0.1nm以上0.35nm以下であること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。 In any one of Claims 1 thru | or 8,
The surface of the first conductive layer after the second polishing treatment has an average surface roughness of 0.1 nm to 0.35 nm,
A method for manufacturing a semiconductor device.
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