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JP6080563B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP6080563B2
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Description

開示する発明は、半導体装置の作製方法に関する。   The disclosed invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

なお、本明細書中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得る装置全般をいい、例えば、トランジスタなどの半導体素子、半導体素子を含む半導体回路、表示装置などの電気光学装置、及び電子機器は全て半導体装置である。   Note that a semiconductor device in this specification refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, for example, semiconductor elements such as transistors, semiconductor circuits including semiconductor elements, electro-optical devices such as display devices, All electronic devices are semiconductor devices.

液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイの多くに用いられているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリコン半導体を用いたトランジスタは、集積回路(IC)などにも利用されている。   Transistors used in many flat panel displays typified by liquid crystal display devices and light-emitting display devices are composed of silicon semiconductors such as amorphous silicon, single crystal silicon, or polycrystalline silicon formed on a glass substrate. . In addition, a transistor including the silicon semiconductor is used for an integrated circuit (IC) or the like.

近年、シリコン半導体に代わって、半導体特性を示す金属酸化物をトランジスタに用いる技術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を酸化物半導体とよぶことにする。   In recent years, a technique using a metal oxide exhibiting semiconductor characteristics for a transistor instead of a silicon semiconductor has attracted attention. Note that in this specification, a metal oxide exhibiting semiconductor characteristics is referred to as an oxide semiconductor.

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はIn−Ga−Zn−O系酸化物を用いたトランジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。   For example, a technique is disclosed in which a transistor using zinc oxide or an In—Ga—Zn—O-based oxide as an oxide semiconductor is manufactured, and the transistor is used for a switching element of a pixel of a display device (patent) Reference 1 and Patent Document 2).

また、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に接して金属膜を形成し、酸素雰囲気下で加熱処理を行う技術が開示されている(特許文献3参照)。具体的には、当該加熱処理によって、当該酸化物半導体膜中の酸素が当該金属膜と反応し、酸素濃度が低減することで、当該酸化物半導体膜を局所的に低抵抗化させて、ソース領域及びドレイン領域を形成すると共に、当該金属膜を酸化させて金属酸化膜を形成し、当該金属酸化膜を外気に対するバリア膜として用いる技術である。   In addition, in a transistor including an oxide semiconductor, a technique is disclosed in which a metal film is formed in contact with an oxide semiconductor film and heat treatment is performed in an oxygen atmosphere (see Patent Document 3). Specifically, by the heat treatment, oxygen in the oxide semiconductor film reacts with the metal film, and the oxygen concentration is reduced, so that the resistance of the oxide semiconductor film is reduced locally, and the source In this technique, the region and the drain region are formed, the metal film is oxidized to form a metal oxide film, and the metal oxide film is used as a barrier film against the outside air.

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A 特開2011−228622号公報JP 2011-228622 A

特許文献3で開示される技術のように、酸素雰囲気下で加熱処理では、酸化物半導体膜を局所的に低抵抗化する工程が十分に行われない可能性がある。例えば、酸素雰囲気下で加熱すると、金属膜の表面からの酸化が支配的に進むと予想でき、酸化物半導体膜を局所的に低抵抗化する前に金属膜が十分に酸化されてしまうと、酸化物半導体膜を局所的に低抵抗化させる工程が不十分となる可能性がある。そのため、トランジスタの作製工程を少なくすることができるが、歩留まりも低下するおそれがある。   As in the technique disclosed in Patent Document 3, in the heat treatment in an oxygen atmosphere, there is a possibility that the step of locally reducing the resistance of the oxide semiconductor film is not sufficiently performed. For example, when heated in an oxygen atmosphere, it can be expected that the oxidation from the surface of the metal film will proceed predominantly, and if the metal film is sufficiently oxidized before the resistance of the oxide semiconductor film is locally reduced, There is a possibility that the step of locally reducing the resistance of the oxide semiconductor film becomes insufficient. Therefore, the number of steps for manufacturing the transistor can be reduced, but the yield may be reduced.

また、金属膜がすべて酸化されず、当該金属膜の一部に導電性を有する領域が残った場合、当該領域を介してソース電極とドレイン電極が導通し、トランジスタとして機能しない可能性がある。   In addition, when the metal film is not completely oxidized and a conductive region remains in part of the metal film, the source electrode and the drain electrode may be conducted through the region, and the transistor may not function.

そこで、本発明の一形態は、酸化物半導体膜の一部を十分に低抵抗化させることができ、歩留まりが良好であるトランジスタの作製方法を提供することを課題の一とする。   In view of the above, an object of one embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a transistor in which part of an oxide semiconductor film can have sufficiently low resistance and yield is high.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタのオン特性(例えば、オン電流や電界効果移動度)が向上すると、半導体装置において高速応答、高速駆動が可能になり、より高性能な半導体装置が実現できる。   Further, when the on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility) of a transistor including an oxide semiconductor are improved, high-speed response and high-speed driving can be performed in the semiconductor device, so that a higher-performance semiconductor device can be realized.

そこで、本発明の一形態は、高いオン特性を有する、酸化物半導体を用いたトランジスタを提供することを課題の一とする。そして、本発明の一形態は、高速応答及び高速駆動の可能なトランジスタを有する高性能の半導体装置を提供することを課題の一とする。   Thus, an object of one embodiment of the present invention is to provide a transistor including an oxide semiconductor that has high on-state characteristics. An object of one embodiment of the present invention is to provide a high-performance semiconductor device including a transistor capable of high-speed response and high-speed driving.

オン電流や電界効果移動度を向上させるためには、トランジスタの寄生抵抗を低減すること、つまり、トランジスタに含まれる半導体膜(酸化物半導体膜)のチャネル形成領域以外の領域において、膜厚方向の抵抗及び膜厚方向に垂直な方向の抵抗を低減することが有効である。そして、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減することも有効である。これらを実施するための一つの手段は、トランジスタに含まれる半導体膜(酸化物半導体膜)のチャネル形成領域以外の領域に濃度差を有する低抵抗領域を設けることである。当該濃度差は、チャネル形成領域以外の領域にドーパントを注入する工程、及び、チャネル形成領域以外の領域に金属元素を含む膜を設けた状態で加熱処理を行って当該金属元素を含む膜の元素を当該領域の一部に拡散させる工程によって設けることができる。また、当該濃度差を有する低抵抗領域を設けることで、トランジスタに含まれる半導体膜(酸化物半導体膜)に加わる電界を段階的にすることができる。   In order to improve on-state current and field-effect mobility, the parasitic resistance of the transistor is reduced, that is, in the region other than the channel formation region of the semiconductor film (oxide semiconductor film) included in the transistor, It is effective to reduce the resistance and the resistance in the direction perpendicular to the film thickness direction. It is also effective to reduce the contact resistance with the source electrode and the drain electrode. One means for implementing these is to provide a low resistance region having a concentration difference in a region other than the channel formation region of the semiconductor film (oxide semiconductor film) included in the transistor. The concentration difference includes the step of injecting a dopant into a region other than the channel formation region, and the element of the film including the metal element by performing heat treatment in a state where the film including the metal element is provided in the region other than the channel formation region. Can be provided by a step of diffusing into a part of the region. Further, by providing the low resistance region having the concentration difference, an electric field applied to a semiconductor film (oxide semiconductor film) included in the transistor can be stepped.

そこで、本発明の一態様は、表面の一部が露出された酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、少なくともゲート電極の側面に接するサイドウォール絶縁膜とを形成し、少なくとも酸化物半導体膜の表面の一部及びサイドウォール絶縁膜上に金属元素を含む膜を形成した後、窒素雰囲気下で加熱処理をして、金属元素を含む膜の酸化物半導体膜に接する領域を酸化し、酸化した領域を有する金属元素を含む膜を除去して、酸化物半導体膜の表面の一部を露出する半導体装置の作製方法である。   Thus, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film in which part of a surface is exposed, a gate insulating film, a gate electrode, and a sidewall insulating film in contact with at least a side surface of the gate electrode are formed, and at least oxidized After forming a film containing a metal element over part of the surface of the semiconductor film and the sidewall insulating film, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere to oxidize a region in contact with the oxide semiconductor film of the film containing the metal element Then, a method for manufacturing a semiconductor device in which a film containing a metal element having an oxidized region is removed to expose part of the surface of the oxide semiconductor film.

さらに、本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上に酸素を含む絶縁膜を形成し、酸素を含む絶縁膜上に第1の絶縁性を有する金属酸化膜を形成し、第1の絶縁性を有する金属酸化膜上に、酸化物半導体膜と重畳するゲート電極を形成し、ゲート電極をマスクとして、酸化物半導体膜にドーパントを注入し、第1の絶縁性を有する金属酸化膜及びゲート電極に接するサイドウォール絶縁膜を形成し、酸素を含む絶縁膜の一部及び第1の絶縁性を有する金属酸化膜の一部を除去して、ドーパントが注入された酸化物半導体膜の一部を露出させると共にゲート絶縁膜を形成し、少なくとも露出した酸化物半導体膜を覆う金属元素を含む膜を形成して、窒素雰囲気下で加熱処理をした後に金属元素を含む膜を除去し、少なくとも金属元素を含む膜が除去された酸化物半導体膜を覆う第2の絶縁性を有する金属酸化膜を形成する半導体装置の作製方法である。   Further, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film is formed over a substrate having an insulating surface, an insulating film containing oxygen is formed over the oxide semiconductor film, and the first insulating film is formed over the insulating film containing oxygen. Forming a metal oxide film having a property, forming a gate electrode overlapping with the oxide semiconductor film on the first metal oxide film having an insulating property, and implanting a dopant into the oxide semiconductor film using the gate electrode as a mask And forming a first insulating metal oxide film and a sidewall insulating film in contact with the gate electrode, and removing a part of the insulating film containing oxygen and a part of the first insulating metal oxide film. Then, a part of the oxide semiconductor film into which the dopant is implanted is exposed and a gate insulating film is formed, and a film containing a metal element covering at least the exposed oxide semiconductor film is formed, and heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. After the metal element Removing the non-film, a method for manufacturing a semiconductor device for forming a metal oxide film having a second insulating covering the oxide semiconductor film which film has been removed, including at least a metal element.

また、上記半導体装置の作製方法において、ソース電極及びドレイン電極は、第2の絶縁性を有する金属酸化膜上に層間絶縁膜を形成し、第2の絶縁性を有する金属酸化膜及び層間絶縁膜に、金属元素を含む膜が除去された酸化物半導体膜(ソース領域及びドレイン領域)に達する開口を形成し、当該開口に形成することができる。   Further, in the above method for manufacturing a semiconductor device, the source electrode and the drain electrode are formed by forming an interlayer insulating film on the second insulating metal oxide film, and the second insulating metal oxide film and interlayer insulating film. An opening reaching the oxide semiconductor film (source region and drain region) from which the film containing the metal element is removed can be formed in the opening.

また、上記半導体装置の作製方法において、酸素を含む絶縁膜を形成する前、及び、酸素を含む絶縁膜を形成した後の一方又は双方で加熱処理を行うことが好ましい。   In the above method for manufacturing a semiconductor device, heat treatment is preferably performed before or after forming the insulating film containing oxygen and after forming the insulating film containing oxygen.

上記半導体装置の作製方法において、絶縁性を有する金属酸化膜は、外気中の水素又は水分などの不純物を透過させない機能を有することが好ましい、当該絶縁性を有する金属酸化膜を設けることで、外気中の水素又は水分などの不純物が混入することを抑制できる。従って、外気によるトランジスタの電気特性劣化を抑制することができる。   In the above method for manufacturing a semiconductor device, it is preferable that the insulating metal oxide film has a function of not allowing impurities such as hydrogen or moisture in the outside air to permeate. By providing the insulating metal oxide film, the outside air It is possible to prevent impurities such as hydrogen or moisture from being mixed therein. Therefore, deterioration of the electrical characteristics of the transistor due to outside air can be suppressed.

上記半導体装置の作製方法において、酸化物半導体膜のドーパントを含む領域に金属元素を含む膜が接した状態で行う加熱処理は、窒素雰囲気下、且つ、ドーパントを含む酸化物半導体膜の金属元素を含む膜と接する領域に、前記金属元素を含む膜の金属元素が拡散し、ドーパントを含む酸化物半導体膜のサイドウォール絶縁膜と重畳する領域よりも低抵抗化する温度で行う。また、当該加熱処理は、窒素雰囲気下だけではなく、希ガス雰囲気下又は減圧雰囲気下で行うことができる。なお、サイドウォール絶縁膜は、窒化絶縁膜で形成することが好ましい。   In the above method for manufacturing a semiconductor device, the heat treatment performed in a state where the film containing the metal element is in contact with the region containing the dopant in the oxide semiconductor film is performed under a nitrogen atmosphere and the metal element in the oxide semiconductor film containing the dopant. The metal element in the film containing the metal element diffuses into a region in contact with the film including the metal element, and the resistance is lower than that in the region overlapping with the sidewall insulating film of the oxide semiconductor film containing the dopant. The heat treatment can be performed not only in a nitrogen atmosphere but also in a rare gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere. Note that the sidewall insulating film is preferably formed using a nitride insulating film.

また、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下又は減圧雰囲気下で加熱処理を行う場合は、金属元素を含む膜全体が酸化せず、少なくとも金属元素を含む膜の酸化物半導体膜と接する部分で酸化が生じるため、この一部が酸化した金属元素を含む膜を除去した後、外気中の水素又は水分などの不純物を透過させない機能を有した絶縁性を有する金属酸化膜を新たに形成することが好ましい。このようにすることで、当該水素又は水分などの不純物によるトランジスタの電気特性劣化が抑制され、且つ良好な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。なお、当該一部のみが酸化した金属元素を含む膜は、当該一部のみが酸化した金属元素を含む膜及び酸化物半導体膜のエッチングガス又はエッチャントに対するエッチング速度の違いを利用して除去することができる。   In the case where heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, a rare gas atmosphere, or a reduced pressure atmosphere, the entire film containing the metal element is not oxidized, and at least a portion of the film containing the metal element is in contact with the oxide semiconductor film. Therefore, it is preferable to newly form an insulating metal oxide film having a function of preventing permeation of impurities such as hydrogen or moisture in the outside air after removing the film containing the metal element partially oxidized. . In this manner, a transistor with favorable electrical characteristics can be manufactured in which deterioration of electrical characteristics of the transistor due to impurities such as hydrogen or moisture is suppressed. Note that the film containing the metal element which is partially oxidized is removed using a difference in etching rate of the film containing the metal element which is only partially oxidized and the oxide semiconductor film with respect to the etching gas or the etchant. Can do.

当該一部のみが酸化した金属元素を含む膜をドライエッチングで除去する場合、当該金属元素を含む膜下に設けられている酸化物半導体膜とエッチング選択比を得ることが難しく、当該酸化物半導体膜の一部が除去(膜減り)される可能性がある。そこで、上記半導体装置の作製方法において、当該一部のみが酸化した金属元素を含む膜はウェットエッチング除去することが好ましい。   In the case where a film containing a metal element which is partially oxidized is removed by dry etching, it is difficult to obtain an etching selectivity with respect to the oxide semiconductor film provided under the film containing the metal element. There is a possibility that a part of the film is removed (film reduction). Therefore, in the above method for manufacturing a semiconductor device, it is preferable that the film containing a metal element oxidized only in part be removed by wet etching.

酸化物半導体は、酸化物半導体膜中に生成する酸素欠損に起因して電荷が生じる。酸化物半導体の酸素欠損は、その一部がドナーとなり、キャリアである電子が生じる。それゆえ、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体の酸素欠損によって、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性を有しやすいなど電気特性が不良になる。   In an oxide semiconductor, electric charges are generated due to oxygen vacancies generated in the oxide semiconductor film. Part of oxygen vacancies in the oxide semiconductor serves as a donor, and electrons serving as carriers are generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor has poor electrical characteristics such as a threshold voltage that is likely to fluctuate in the negative direction due to oxygen vacancies in the oxide semiconductor and a normally-on characteristic.

そこで、上記半導体装置の作製方法において、酸化物半導体膜と基板の間に下地絶縁膜を形成してもよい。酸化物半導体膜と接する下地絶縁膜は、酸素を含む絶縁膜で形成することが好ましく、さらには化学量論的組成より多くの酸素を含む絶縁膜で形成することが好ましい。なお、化学量論的組成より多くの酸素を含む絶縁膜は、下地絶縁膜だけではなく、ゲート絶縁膜に用いることができる。化学量論的組成より多くの酸素を含む絶縁膜は、酸素を供給しながらスパッタリング法で酸化絶縁膜を形成する、又は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法で酸化絶縁膜又は酸化窒化膜を形成し、酸化絶縁膜又は酸化窒化膜に酸素イオンを注入して形成することができる。   Thus, in the above method for manufacturing a semiconductor device, a base insulating film may be formed between the oxide semiconductor film and the substrate. The base insulating film in contact with the oxide semiconductor film is preferably formed using an insulating film containing oxygen, and more preferably formed using an insulating film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition. Note that the insulating film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition can be used not only for the base insulating film but also for the gate insulating film. For an insulating film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition, an oxide insulating film is formed by a sputtering method while supplying oxygen, or an oxide insulating film or an oxynitride film is formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Then, oxygen ions can be implanted into the oxide insulating film or the oxynitride film.

このように、酸素を含む絶縁膜を酸化物半導体膜と接する下地絶縁膜やゲート絶縁膜に用いることで、トランジスタの作製工程中の加熱処理により、酸化物半導体膜の酸素欠損を修復することができ、良好な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。   In this manner, by using the insulating film containing oxygen for the base insulating film and the gate insulating film in contact with the oxide semiconductor film, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be repaired by heat treatment in the manufacturing process of the transistor. Thus, a transistor having favorable electrical characteristics can be manufactured.

本発明の一態様により、酸化物半導体を用いるトランジスタにおいて、酸化物半導体膜の一部を低抵抗化する工程と、外気中の水素又は水分などの不純物に対する保護膜を形成する工程とをそれぞれ行うことで、酸化物半導体膜の一部を十分に低抵抗化することができ、外気による電気特性劣化が抑制されたトランジスタを歩留まり高く、作製することができる。また、本発明の一態様により、チャネル形成領域以外の領域に濃度差を有する低抵抗領域を設けることで、特にドレイン領域近傍における電界集中を抑制することができ、電界集中によってトランジスタが破壊されることを抑制することができる。また、本発明の一態様により、高いオン特性を有する、酸化物半導体を用いたトランジスタを提供すること、及び、高速応答及び高速駆動の可能なトランジスタを有する高性能の半導体装置を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, in a transistor including an oxide semiconductor, a step of reducing resistance of part of the oxide semiconductor film and a step of forming a protective film against impurities such as hydrogen or moisture in the outside air are performed. Accordingly, resistance of part of the oxide semiconductor film can be sufficiently reduced, and a transistor in which deterioration of electrical characteristics due to outside air is suppressed can be manufactured with high yield. Further, according to one embodiment of the present invention, by providing a low resistance region having a concentration difference in a region other than the channel formation region, electric field concentration can be suppressed particularly in the vicinity of the drain region, and the transistor is destroyed due to electric field concentration. This can be suppressed. According to one embodiment of the present invention, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state characteristics is provided, and a high-performance semiconductor device including a transistor capable of high-speed response and high-speed driving is provided. it can.

トランジスタ一例を説明する上面図及び断面図。10A and 10B are a top view and cross-sectional views illustrating an example of a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタ一例を説明する上面図及び断面図。10A and 10B are a top view and cross-sectional views illustrating an example of a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタ一例を説明する上面図及び断面図。10A and 10B are a top view and cross-sectional views illustrating an example of a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. 半導体記憶装置の一例を説明する断面図、上面図及び回路図。10A and 10B are a cross-sectional view, a top view, and a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の一例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の一例を説明する回路図及び概念図。6A and 6B are a circuit diagram and a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の一例を説明する断面図及び上面図。8A and 8B are a cross-sectional view and a top view illustrating an example of a semiconductor memory device. 半導体記憶装置の一例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor memory device. CPUの具体例を示すブロック図及びその一部の回路図。The block diagram which shows the specific example of CPU, and the circuit diagram of the one part. アクティブマトリクス型表示装置を説明する図及び回路図。FIGS. 3A and 3B are a diagram and a circuit diagram illustrating an active matrix display device. FIGS. 電子機器の外観図。FIG.

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、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。また、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分又は同様の機能を有する部分には、同一の符号又は同一のハッチパターン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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be 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. In the following embodiments and examples, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals or the same hatch patterns in different drawings, and description thereof is not repeated. To do.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。   Note that in each drawing described in this specification, the size, the film thickness, or the region of each component is exaggerated for clarity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

また、本明細書にて用いる第1、第2、第3などの用語は、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。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。   Further, the terms such as first, second, and third used in this specification are given for avoiding confusion between components, and are not limited numerically. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”.

「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 The functions of “source” and “drain” may be interchanged when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

本明細書において、フォトリソグラフィ工程を行った後にエッチング工程を行う場合は、フォトリソグラフィ工程で形成したマスクは除去するものとする。   In this specification, in the case where an etching step is performed after a photolithography step, the mask formed in the photolithography step is removed.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置、及び半導体装置の作製方法について、図面を用いて説明する。以下、当該半導体装置をトランジスタとして説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to drawings. Hereinafter, the semiconductor device is described as a transistor.

〈トランジスタの構成例〉
図1(A)及び図1(B)に、トランジスタ100の上面図及び断面図を示す。図1(A)はトランジスタ100の上面図であり、図1(B)は、図1(A)の一点鎖線A−B間の断面図である。なお、図1(A)では、明瞭化のため、トランジスタ100の構成要素の一部(例えば、基板101、下地絶縁膜103、及びゲート絶縁膜116など)を省略している。
<Example of transistor configuration>
1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of the transistor 100. FIG. 1A is a top view of the transistor 100, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line A-B in FIG. 1A. Note that in FIG. 1A, some components of the transistor 100 (eg, the substrate 101, the base insulating film 103, and the gate insulating film 116) are omitted for clarity.

図1(A)及び図1(B)より、トランジスタ100は、基板101上に下地絶縁膜103が設けられており、下地絶縁膜103上に酸化物半導体膜105が設けられており、酸化物半導体膜105上にゲート絶縁膜116が設けられており、ゲート絶縁膜116上の酸化物半導体膜105と重畳する領域にゲート電極117が設けられており、ゲート絶縁膜116及びゲート電極117に接するサイドウォール絶縁膜119が設けられており、下地絶縁膜103、酸化物半導体膜105の一部、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117及びサイドウォール絶縁膜119に接する絶縁性を有する金属酸化膜121が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123に形成された開口125a、125bを介して、酸化物半導体膜105に接するソース電極127a及びドレイン電極127bが設けられている。なお、下地絶縁膜103及び層間絶縁膜123は、設けなくてもよい。   1A and 1B, the transistor 100 includes a base insulating film 103 over a substrate 101, an oxide semiconductor film 105 over a base insulating film 103, and an oxide semiconductor film. A gate insulating film 116 is provided over the semiconductor film 105, a gate electrode 117 is provided in a region overlapping with the oxide semiconductor film 105 over the gate insulating film 116, and is in contact with the gate insulating film 116 and the gate electrode 117. A sidewall insulating film 119 is provided, and an insulating metal oxide film 121 in contact with the base insulating film 103, part of the oxide semiconductor film 105, the gate insulating film 116, the gate electrode 117, and the sidewall insulating film 119 is formed. An interlayer insulating film 123 is provided on the insulating metal oxide film 121, and the insulating metal oxide film 121 is provided. Opening 125a formed in the fine interlayer insulating film 123, through 125b, the source electrode 127a and drain electrode 127b in contact with the oxide semiconductor film 105 is provided. Note that the base insulating film 103 and the interlayer insulating film 123 are not necessarily provided.

トランジスタ100は、ゲート電極117が酸化物半導体膜105の上方に設けられており、ソース電極127a及びドレイン電極127bが酸化物半導体膜105の上面と接していることから、トップゲート構造のトランジスタである。   The transistor 100 is a top-gate transistor because the gate electrode 117 is provided above the oxide semiconductor film 105 and the source electrode 127 a and the drain electrode 127 b are in contact with the upper surface of the oxide semiconductor film 105. .

酸化物半導体膜105は、第1の領域107と、第1の領域107を介して対向する一対の第2の領域109a、109bと、第1の領域107及び一対の第2の領域109a、109bを介して対向する一対の第3の領域111a、111bとを有する。   The oxide semiconductor film 105 includes a first region 107, a pair of second regions 109a and 109b that face each other with the first region 107 interposed therebetween, and a first region 107 and a pair of second regions 109a and 109b. And a pair of third regions 111a and 111b facing each other.

酸化物半導体膜105において、第1の領域107はドーパントを含まない領域であり、一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bは、ドーパントを含む領域である。そして、一対の第3の領域111a、111bの抵抗は、一対の第2の領域109a、109bの抵抗よりも低い。従って、ゲート電極117と重畳する第1の領域107は、チャネル形成領域として機能し、一対の第3の領域111a、111bは、ソース領域又はドレイン領域として機能し、一対の第2の領域109a、109bは、ドレイン領域で発生する電界を緩和する電界緩和領域として機能する。   In the oxide semiconductor film 105, the first region 107 is a region containing no dopant, and the pair of second regions 109a and 109b and the pair of third regions 111a and 111b are regions containing a dopant. The resistance of the pair of third regions 111a and 111b is lower than the resistance of the pair of second regions 109a and 109b. Therefore, the first region 107 overlapping with the gate electrode 117 functions as a channel formation region, the pair of third regions 111a and 111b functions as a source region or a drain region, and the pair of second regions 109a, 109b functions as an electric field relaxation region for relaxing an electric field generated in the drain region.

酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコン半導体を用いたトランジスタと比較して、室温においてオフ電流が小さいことが知られている。これは熱励起によって生じるキャリアが少ない、つまりキャリア密度が小さいためであると考えられている。そして、キャリア密度が小さい材料を用いたトランジスタにおいても、チャネル長が短くすることでしきい値電圧の変動などが現れることがある。   A transistor using an oxide semiconductor is known to have a lower off-state current at room temperature than a transistor using a silicon semiconductor. This is considered to be because there are few carriers generated by thermal excitation, that is, the carrier density is small. Even in a transistor using a material having a low carrier density, variation in threshold voltage may appear due to a reduction in channel length.

そこで、トランジスタ100のように、一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bがチャネル形成領域である第1の領域107の両端に設けられることで、酸化物半導体膜105のソース領域及びドレイン領域間に加わる電界、特にドレイン領域近傍における電界集中を緩和することができるため、しきい値電圧の変動などを抑制することができる。また、電界集中を緩和できるため、電界集中によってトランジスタが破壊されることを抑制することができる。換言すると、トランジスタ100は、耐圧が向上され、電気特性劣化を抑制されたトランジスタである。   Thus, like the transistor 100, the pair of second regions 109a and 109b and the pair of third regions 111a and 111b are provided at both ends of the first region 107 which is a channel formation region, whereby the oxide semiconductor film Since the electric field applied between the source region and the drain region 105, particularly the electric field concentration in the vicinity of the drain region, can be relaxed, fluctuations in threshold voltage and the like can be suppressed. In addition, since electric field concentration can be reduced, the transistor can be prevented from being destroyed by electric field concentration. In other words, the transistor 100 is a transistor whose breakdown voltage is improved and electrical characteristic deterioration is suppressed.

そして、一対の第3の領域111a、111bは、抵抗が低減されているため、ソース電極127a及びドレイン電極127bとの接触抵抗が低減している。従って、トランジスタ100は、優れたオン電流特性を有するトランジスタである。   In addition, since the resistance of the pair of third regions 111a and 111b is reduced, the contact resistance with the source electrode 127a and the drain electrode 127b is reduced. Therefore, the transistor 100 is a transistor having excellent on-current characteristics.

次に、トランジスタ100の各構成要素の詳細について説明する。   Next, details of each component of the transistor 100 will be described.

[基板]
基板101に大きな制限はないが、絶縁表面を有することが好ましく、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板などの電子工業用に使われる各種ガラス基板を用いることができる。なお、基板としては、熱膨張係数が25×10−7/℃以上50×10−7/℃以下(好ましくは、30×10−7/℃以上40×10−7/℃以下)であり、歪み点が650℃以上750℃以下(好ましくは、700℃以上740℃以下)である基板を用いることが好ましい。
[substrate]
There is no particular limitation on the substrate 101, but it is preferable that the substrate 101 have an insulating surface, and at least heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, various glass substrates used for the electronic industry such as glass substrates such as barium borosilicate glass and alumino borosilicate glass can be used. The substrate has a thermal expansion coefficient of 25 × 10 −7 / ° C. or higher and 50 × 10 −7 / ° C. or lower (preferably 30 × 10 −7 / ° C. or higher and 40 × 10 −7 / ° C. or lower). A substrate having a strain point of 650 ° C. or higher and 750 ° C. or lower (preferably 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower) is preferably used.

第5世代(1000mm×1200mm又は1300mm×1500mm)、第6世代(1500mm×1800mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2500mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2880×3130mm)などの大型ガラス基板を用いる場合、半導体装置の作製工程における加熱処理などで生じる基板の縮みによって、微細な加工が困難になる場合がある。そのため、前述したような大型ガラス基板を基板として用いる場合、縮みの少ないものを用いることが好ましい。例えば、基板として、好ましくは450℃、好ましくは500℃の温度で1時間加熱処理を行った後の縮み量が20ppm以下、好ましくは10ppm以下、さらに好ましくは5ppm以下である大型ガラス基板を用いればよい。   5th generation (1000 mm × 1200 mm or 1300 mm × 1500 mm), 6th generation (1500 mm × 1800 mm), 7th generation (1870 mm × 2200 mm), 8th generation (2200 mm × 2500 mm), 9th generation (2400 mm × 2800 mm), 1st When a large glass substrate such as 10th generation (2880 × 3130 mm) is used, fine processing may be difficult due to shrinkage of the substrate caused by heat treatment in a manufacturing process of a semiconductor device. Therefore, when a large glass substrate as described above is used as the substrate, it is preferable to use a substrate with less shrinkage. For example, a large glass substrate having a shrinkage of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less after heat treatment at 450 ° C., preferably 500 ° C. for 1 hour, is preferably used as the substrate. Good.

また、基板101として、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などの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。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。   As the substrate 101, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. Alternatively, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used. You may use what provided the semiconductor element on these board | substrates.

また、基板101として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタ100を直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタ100を作製し、その後、剥離し、可撓性基板に転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板とトランジスタ100との間に剥離層を設けるとよい。可撓性基板としては、ポリイミド又はポリエステルなどの有機樹脂で形成された基板がある。   Alternatively, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate 101. In order to manufacture a flexible semiconductor device, the transistor 100 may be directly formed over a flexible substrate, or the transistor 100 is manufactured over another manufacturing substrate, and then peeled off. May be transposed. Note that a separation layer is preferably provided between the formation substrate and the transistor 100 in order to separate the transistor from the formation substrate and transfer it to the flexible substrate. As the flexible substrate, there is a substrate formed of an organic resin such as polyimide or polyester.

[下地絶縁膜]
下地絶縁膜103は、基板101からの水素、水分などの不純物元素が酸化物半導体膜105に拡散することを抑制する絶縁膜である。また、下地絶縁膜103は、トランジスタ100の作製工程で、加熱することによって、酸素の一部を酸化物半導体膜に供給し、酸化物半導体膜中の酸素欠損を修復できる効果を有することが好ましい。従って、下地絶縁膜103は、酸素を含む絶縁膜が好ましく、例えば、酸化シリコン、酸化ガリウム、若しくは酸化アルミニウムなどの酸化絶縁膜、又は酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁膜、若しくは窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁膜から選ばれた一の絶縁膜、又は複数が積層された絶縁膜である。なお、「窒化酸化シリコン」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものをいい、「酸化窒化シリコン」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものをいう。
[Base insulating film]
The base insulating film 103 is an insulating film that suppresses diffusion of impurity elements such as hydrogen and moisture from the substrate 101 into the oxide semiconductor film 105. The base insulating film 103 preferably has an effect of supplying part of oxygen to the oxide semiconductor film by heating in the manufacturing process of the transistor 100 and repairing oxygen vacancies in the oxide semiconductor film. . Therefore, the base insulating film 103 is preferably an insulating film containing oxygen, for example, an oxide insulating film such as silicon oxide, gallium oxide, or aluminum oxide, or an oxynitride insulating film such as silicon oxynitride or aluminum oxynitride, or nitride One insulating film selected from a nitrided oxide insulating film such as silicon oxide, or an insulating film in which a plurality of insulating films are stacked. Note that “silicon nitride oxide” refers to a composition having a higher nitrogen content than oxygen, and “silicon oxynitride” refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen. Say.

加熱することによって酸素の一部を酸化物半導体膜に供給するためには、加熱することによって酸素の一部を放出する絶縁膜であることが好ましく、具体的には、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて、酸素原子に換算した酸素の放出量が1.0×1018cm−3以上、好ましくは3.0×1020cm−3以上である、絶縁膜であることが好ましい。 In order to supply part of oxygen to the oxide semiconductor film by heating, an insulating film from which part of oxygen is released by heating is preferable. Specifically, TDS (Thermal Desorption Spectroscopy: Insulating film in which the amount of released oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 × 10 18 cm −3 or more, preferably 3.0 × 10 20 cm −3 or more in the temperature programmed desorption gas spectroscopy) analysis It is preferable that

以下、酸素の放出量をTDS分析で酸素原子に換算して定量する方法について説明する。   Hereinafter, a method for quantifying the amount of released oxygen by converting it into oxygen atoms by TDS analysis will be described.

TDS分析したときの気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、絶縁膜のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値に対する比とにより、気体の放出量を計算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積分値に対する原子の密度の割合である。   The amount of gas released when TDS analysis is performed is proportional to the integral value of the spectrum. For this reason, the amount of gas emission can be calculated from the integral value of the spectrum of the insulating film and the ratio of the standard sample to the reference value. The reference value of the standard sample is the ratio of the density of atoms to the integral value of the spectrum of a sample containing a predetermined atom.

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのTDS分析結果、及び絶縁膜のTDS分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量(NO2)は、数式1で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数32で検出されるスペクトルの全てが酸素分子由来と仮定する。質量数32のものとしてCHOHがあるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の酸素原子及び質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。 For example, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) in the insulating film can be obtained from Equation 1 from the TDS analysis result of a silicon wafer containing hydrogen of a predetermined density as a standard sample and the TDS analysis result of the insulating film. . Here, it is assumed that all the spectra detected by the mass number 32 obtained by the TDS analysis are derived from oxygen molecules. There is CH 3 OH as the mass number 32, but it is not considered here because it is unlikely to exist. In addition, oxygen molecules including oxygen atoms with a mass number of 17 and oxygen atoms with a mass number of 18 that are isotopes of oxygen atoms are not considered because the existence ratio in nature is extremely small.

H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析したときのスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SO2は、絶縁膜をTDS分析したときのスペクトルの積分値である。αは、TDS分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式1の詳細に関しては、特開平6−275697公報を参照できる。なお、上記した酸素の放出量の数値は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として1×1016cm−2の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した数値である。 N H2 is a value obtained by converting hydrogen molecules desorbed from the standard sample by density. SH2 is an integral value of a spectrum when a standard sample is subjected to TDS analysis. Here, the reference value of the standard sample is N H2 / SH 2 . S O2 is an integral value of a spectrum when the insulating film is subjected to TDS analysis. α is a coefficient that affects the spectral intensity in the TDS analysis. For details of Equation 1, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-275697 can be referred to. In addition, the numerical value of the amount of released oxygen described above was obtained by using a temperature-programmed desorption analyzer EMD-WA1000S / W manufactured by Electronic Science Co., Ltd., and a silicon wafer containing 1 × 10 16 cm −2 hydrogen atoms as a standard sample. It is a numerical value measured using.

また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。   In TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. Note that since the above α includes the ionization rate of oxygen molecules, the amount of released oxygen atoms can be estimated by evaluating the amount of released oxygen molecules.

なお、NO2は酸素分子の放出量である。絶縁膜においては、酸素原子に換算したときの酸素の放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。 Note that N 2 O 2 is the amount of released oxygen molecules. In the insulating film, the amount of released oxygen when converted to oxygen atoms is twice the amount of released oxygen molecules.

加熱することによって酸素の一部を放出する絶縁膜は、化学量論的組成より多くの酸素を含む絶縁膜があり、例えば、酸素が過剰に含まれている酸化窒化シリコン、又は酸素が過剰に含まれている酸化シリコン(SiO(x>2))膜がある。酸素が過剰に含まれている酸化シリコン(SiO(x>2))膜とは、シリコン原子数の2倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原子数及び酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法により測定した値である。 An insulating film which releases part of oxygen by heating includes an insulating film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition, for example, silicon oxynitride containing excessive oxygen, or excessive oxygen. There is a silicon oxide (SiO x (x> 2)) film included. A silicon oxide (SiO x (x> 2)) film containing excessive oxygen contains oxygen atoms more than twice the number of silicon atoms per unit volume. The number of silicon atoms and the number of oxygen atoms per unit volume are values measured by Rutherford backscattering method.

また、下地絶縁膜103に含まれる水素又は水分は、トランジスタ100の作製工程中に酸化物半導体膜(特にチャネル形成領域である第1の領域107)に拡散し、酸化物半導体膜を低抵抗化させ、トランジスタ100の電気特性を不良にすることがある。そこで、下地絶縁膜103は、できる限り水素又は水分が低減されていることが好ましい。   Further, hydrogen or moisture contained in the base insulating film 103 diffuses into the oxide semiconductor film (particularly, the first region 107 which is a channel formation region) during the manufacturing process of the transistor 100, so that the resistance of the oxide semiconductor film is reduced. Thus, the electrical characteristics of the transistor 100 may be deteriorated. Therefore, it is preferable that the base insulating film 103 have hydrogen or moisture reduced as much as possible.

さらに、トランジスタ100の作製にあたり、LiやNaなどのアルカリ金属は、不純物であるため含有量を少なくすることが好ましい。基板101にアルカリ金属などの不純物を含むガラス基板を用いる場合、アルカリ金属の侵入防止のため、下地絶縁膜103は、窒化シリコン、又は窒化アルミニウムなどの窒化絶縁膜上に設けることが好ましい。   Further, in manufacturing the transistor 100, it is preferable to reduce the content of alkali metals such as Li and Na because they are impurities. In the case where a glass substrate containing an impurity such as an alkali metal is used for the substrate 101, the base insulating film 103 is preferably provided over a nitride insulating film such as silicon nitride or aluminum nitride in order to prevent alkali metal from entering.

[酸化物半導体膜]
酸化物半導体膜105は、上記したように、ドーパントを含まず、チャネル形成領域として機能する第1の領域107と、ドーパントを含み、電界緩和領域として機能する一対の第2の領域109a、109bと、ソース領域又はドレイン領域として機能する一対の第3の領域111a、111bを有する。そして、一対の第3の領域111a、111bの抵抗は、一対の第2の領域109a、109bの抵抗よりも低い。
[Oxide semiconductor film]
As described above, the oxide semiconductor film 105 includes a first region 107 that does not include a dopant and functions as a channel formation region, and a pair of second regions 109a and 109b that include a dopant and function as an electric field relaxation region. And a pair of third regions 111a and 111b functioning as a source region or a drain region. The resistance of the pair of third regions 111a and 111b is lower than the resistance of the pair of second regions 109a and 109b.

一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bに含まれるドーパントは、ホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、リン、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンから選ばれた一種以上の元素である。なお、一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bに含まれるドーパント濃度は、5×1018/cm以上1×1022/cm以下であることが好ましい。 The dopant contained in the pair of second regions 109a and 109b and the pair of third regions 111a and 111b is boron, nitrogen, fluorine, aluminum, phosphorus, arsenic, indium, tin, antimony, helium, neon, argon, krypton. And one or more elements selected from xenon. Note that the dopant concentration contained in the pair of second regions 109a and 109b and the pair of third regions 111a and 111b is preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less.

チャネル形成領域として機能する第1の領域107は、水素などの不純物が十分に除去されて、高純度化されていることが好ましく、具体的には、第1の領域107の水素濃度は5×1019atoms/cm以下、望ましくは5×1018atoms/cm以下、より望ましくは5×1017atoms/cm以下とする。当該水素濃度はSIMSで測定されるものである。また、チャネル形成領域として機能する第1の領域107は、化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることが好ましい。 The first region 107 functioning as a channel formation region is preferably highly purified by sufficiently removing impurities such as hydrogen. Specifically, the hydrogen concentration of the first region 107 is 5 ×. 10 19 atoms / cm 3 or less, desirably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more desirably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. The hydrogen concentration is measured by SIMS. The first region 107 functioning as a channel formation region is preferably in a supersaturated state with more oxygen than the stoichiometric composition.

第1の領域107において、銅、アルミニウム、塩素などの不純物がほとんど含まれない高純度化されたものであることが望ましい。後述するトランジスタ100の製造工程において、これらの不純物が混入又は酸化物半導体膜表面に付着する恐れのない工程を適宜選択することが好ましく、酸化物半導体膜表面に付着した場合には、シュウ酸や希フッ酸などに曝す、又はプラズマ処理(NOプラズマ処理など)を行うことにより、酸化物半導体膜表面の不純物を除去することが好ましい。具体的には、特に第1の領域107の銅濃度は1×1018atoms/cm以下、好ましくは1×1017atoms/cm以下とする。また、特に第1の領域107のアルミニウム濃度は1×1018atoms/cm以下とする。また、第1の領域107の塩素濃度は2×1018atoms/cm以下とする。このようにすることで、トランジスタ100を良好な電気特性を有するトランジスタとすることができる。 The first region 107 is preferably highly purified so as to hardly contain impurities such as copper, aluminum, and chlorine. In a manufacturing process of the transistor 100 described later, it is preferable to appropriately select a process in which these impurities are not mixed or attached to the surface of the oxide semiconductor film. It is preferable to remove impurities on the surface of the oxide semiconductor film by exposure to dilute hydrofluoric acid or the like, or plasma treatment (N 2 O plasma treatment or the like). Specifically, in particular, the copper concentration in the first region 107 is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. In particular, the aluminum concentration of the first region 107 is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less. The chlorine concentration in the first region 107 is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less. Thus, the transistor 100 can be a transistor having favorable electrical characteristics.

第1の領域107中にはキャリアが極めて少なく(ゼロに近い)、キャリア濃度は1×1014/cm未満、好ましくは1×1012/cm未満、さらに好ましくは1×1011/cm未満である。 There are very few carriers (close to zero) in the first region 107, and the carrier concentration is less than 1 × 10 14 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 12 / cm 3 , more preferably 1 × 10 11 / cm 3. Less than 3 .

本実施の形態を用いて作製した、高純度化し、酸素欠損を修復する酸素を過剰に含む酸化物半導体膜105を用いたトランジスタ100は、オフ状態における電流値(オフ電流値)を、チャネル幅1μm当たり室温にて100zA/μm(1zA(ゼプトアンペア)は1×10−21A)以下、好ましくは10zA/μm以下、より好ましくは1zA/μm以下、さらに好ましくは100yA/μm以下レベルにまで低くすることができる。 The transistor 100 using the oxide semiconductor film 105 which is highly purified and contains oxygen that excessively repairs oxygen vacancies manufactured using this embodiment has a current value in an off state (off-state current value) as a channel width. 100 zA / μm per 1 μm at room temperature (1 zA (zeptoampere) is 1 × 10 −21 A) or less, preferably 10 zA / μm or less, more preferably 1 zA / μm or less, more preferably 100 yA / μm or less can do.

また、酸化物半導体膜105は、単結晶、多結晶(ポリクリスタルともいう。)などの結晶性を有する酸化物半導体膜、又は非晶質酸化物半導体膜である。   The oxide semiconductor film 105 is an oxide semiconductor film having crystallinity such as single crystal or polycrystal (also referred to as polycrystal), or an amorphous oxide semiconductor film.

酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、CAAC(C Axis Aligned Crystal)、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。非晶質部は、微結晶、CAACよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、CAACよりも欠陥準位密度が高い。なお、CAACを有する酸化物半導体を、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)と呼ぶ。   The oxide semiconductor film 105 (in particular, the first region 107) may include a non-single crystal, for example. The non-single crystal includes, for example, CAAC (C Axis Aligned Crystal), polycrystal, microcrystal, and amorphous part. The amorphous part has a higher density of defect states than microcrystals and CAAC. In addition, microcrystals have a higher density of defect states than CAAC. Note that an oxide semiconductor including CAAC is referred to as a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor).

酸化物半導体膜105は、例えばCAAC−OSを有してもよい。CAAC−OSは、例えば、c軸配向し、a軸または/およびb軸はマクロに揃っていない。 For example, the oxide semiconductor film 105 may include a CAAC-OS. For example, the CAAC-OS is c-axis oriented, and the a-axis and / or the b-axis are not aligned macroscopically.

酸化物半導体膜105は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を膜中に含む。または、微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。 For example, the oxide semiconductor film 105 may include microcrystal. Note that an oxide semiconductor including microcrystal is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. The microcrystalline oxide semiconductor film includes microcrystal (also referred to as nanocrystal) with a size greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example. Alternatively, the microcrystalline oxide semiconductor film includes an oxide semiconductor having a crystal-amorphous mixed phase structure with a crystal part of 1 nm to less than 10 nm, for example.

酸化物半導体膜105は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、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、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質であり、結晶部を有さない。 For example, the oxide semiconductor film 105 may include an amorphous part. Note that an oxide semiconductor having an amorphous part is referred to as an amorphous oxide semiconductor. An amorphous oxide semiconductor film has, for example, disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, the amorphous oxide semiconductor film is, for example, completely amorphous and has no crystal part.

なお、酸化物半導体膜105が、CAAC−OS、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、の積層構造を有してもよい。 Note that the oxide semiconductor film 105 may be a mixed film of a CAAC-OS, a microcrystalline oxide semiconductor, and an amorphous oxide semiconductor. For example, the mixed film includes an amorphous oxide semiconductor region, a microcrystalline oxide semiconductor region, and a CAAC-OS region. The mixed film may have a stacked structure of an amorphous oxide semiconductor region, a microcrystalline oxide semiconductor region, and a CAAC-OS region, for example.

なお、酸化物半導体膜105は、例えば、単結晶を有してもよい。 Note that the oxide semiconductor film 105 may include a single crystal, for example.

酸化物半導体膜105は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のc軸が被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜の一例としては、CAAC−OS膜がある。 The oxide semiconductor film 105 preferably includes a plurality of crystal parts, and the c-axis of the crystal parts is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the normal vector of the surface. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. An example of such an oxide semiconductor film is a CAAC-OS film.

CAAC−OS膜は、完全な非晶質はない。CAAC−OS膜は、例えば結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界、結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には明確な粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。   The CAAC-OS film is not completely amorphous. The CAAC-OS film includes an oxide semiconductor with a crystal-amorphous mixed phase structure, for example, including a crystal part and an amorphous part. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS film and the boundary between the crystal part and the crystal part are not clear. In addition, a clear grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、例えばc軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつab面に垂直な方向から見て金属原子が三角形状又は六角形状に配列し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸及びb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、80°以上100°以下、好ましくは85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−10°以上10°以下、好ましくは−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。   The crystal part included in the CAAC-OS film is aligned so that, for example, the c-axis is in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and is perpendicular to the ab plane The metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape as viewed from the side, and the metal atoms are arranged in a layered manner or the metal atoms and the oxygen atoms are arranged in a layered manner as seen from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, the term “perpendicular” includes a range of 80 ° to 100 °, preferably 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range of −10 ° to 10 °, preferably −5 ° to 5 °.

なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。   Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the formation process of the CAAC-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film is higher in the vicinity of the surface. In addition, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状又は表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行ったときに形成される。従って、結晶部のc軸は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。   Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film ( Depending on the cross-sectional shape of the surface to be formed or the cross-sectional shape of the surface, the directions may be different from each other. The crystal part is formed when a film is formed or when a crystallization process such as a heat treatment is performed after the film formation. Therefore, the c-axes of the crystal parts are aligned in a direction parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface.

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。   In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Therefore, the transistor has high reliability.

なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。   Note that part of oxygen included in the oxide semiconductor film may be replaced with nitrogen.

酸化物半導体膜105を単結晶、多結晶などの酸化物半導体膜又はCAAC−OS膜とする場合、当該酸化物半導体膜表面の平坦性を高めることによって、非晶質の酸化物半導体膜を用いたトランジスタより電界効果移動度が高いトランジスタを得ることができる。酸化物半導体膜表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体膜を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ(Ra)が0.15nm以下、好ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。   In the case where the oxide semiconductor film 105 is a single crystal, a polycrystalline oxide semiconductor film, or a CAAC-OS film, an amorphous oxide semiconductor film is used by increasing planarity of the surface of the oxide semiconductor film. Thus, a transistor with higher field effect mobility than a conventional transistor can be obtained. In order to improve the flatness of the surface of the oxide semiconductor film, it is preferable to form the oxide semiconductor film over a flat surface. Specifically, the average surface roughness (Ra) is preferably 0.15 nm or less, preferably It is good to form on the surface of 0.1 nm or less.

なお、Raは、JIS B0601:2001(ISO4287:1997)で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。   Ra is an arithmetic mean roughness defined in JIS B0601: 2001 (ISO4287: 1997) expanded to three dimensions so that it can be applied to curved surfaces. It can be expressed as “average value of absolute values” and is defined by the following equation.

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標(x1,y1,f(x1,y1)),(x1,y2,f(x1,y2)),(x2,y1,f(x2,y1)),(x2,y2,f(x2,y2))の4点で表される四角形の領域とし、指定面をxy平面に投影した長方形の面積をS、基準面の高さ(指定面の平均の高さ)をZとする。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて測定可能である。 Here, the designated surface is a surface to be subjected to roughness measurement, and coordinates (x1, y1, f (x1, y1)), (x1, y2, f (x1, y2)), (x2, y1) , F (x2, y1)), (x2, y2, f (x2, y2)), and a rectangular area obtained by projecting the designated plane onto the xy plane is represented by S 0 . the height (the average height of the specific surface) and Z 0. Ra can be measured with an atomic force microscope (AFM).

酸化物半導体膜105に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特に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のスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム(Zr)を有することが好ましい。   An oxide semiconductor used for the oxide semiconductor film 105 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, it is preferable to contain both In and Zn. In addition, it is preferable that gallium (Ga) be included in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have a zirconium (Zr) as a stabilizer.

また、他のスタビライザーとして、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)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。   Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium (Tb). , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).

例えば、酸化物半導体の材料として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物などを用いることができる。   For example, as an oxide semiconductor material, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides such as In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn— Mg-based oxides, Sn-Mg-based oxides, In-Mg-based oxides, In-Ga-based oxides, In-Ga-Zn-based oxides (also referred to as IGZO) that are ternary metal oxides, In-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Zn-based oxide, Sn-Ga-Zn-based oxide, Al-Ga-Zn-based oxide, Sn-Al-Zn-based oxide, In-Hf-Zn Oxide, In—La—Zn oxide, In—Ce—Zn oxide, In—Pr—Zn oxide, In—Nd—Zn oxide, In—Sm—Zn oxide, In -Eu-Zn-based oxide, In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based acid In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu -Zn-based oxides, In-Sn-Ga-Zn-based oxides that are quaternary metal oxides, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, In- Sn-Al-Zn-based oxides, In-Sn-Hf-Zn-based oxides, In-Hf-Al-Zn-based oxides, and the like can be used.

なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。   Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as its main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0 is satisfied, and m is not an integer) may be used as the oxide semiconductor. M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 is satisfied, and n is an integer) may be used as the oxide semiconductor.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3)の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。   For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1) / 5), or an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 (= 1/2: 1/6: 1/3) and oxidation in the vicinity of the composition. Can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1) / 2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide or oxide in the vicinity of the composition Should be used.

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性(移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。   However, the composition is not limited thereto, and a material having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics (mobility, threshold value, variation, etc.). In order to obtain the required semiconductor characteristics, it is preferable that the carrier concentration, the impurity concentration, the defect density, the atomic ratio between the metal element and oxygen, the interatomic distance, the density, and the like are appropriate.

例えば、In−Sn−Zn系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低くすることにより移動度を上げることができる。   For example, high mobility can be obtained relatively easily with an In—Sn—Zn-based oxide. However, mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk also in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide.

なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成のrだけ近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)+(b−B)+(c−C)≦rを満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。 Note that for example, the composition of an oxide in which the atomic ratio of In, Ga, and Zn is In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) has an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: B: C, (A + B + C = 1) is the vicinity of r of the oxide composition, a, b, c are (a−A) 2 + (b−B) 2 + (c−C) 2 ≦ It refers to meet the r 2. For example, r may be 0.05. The same applies to other oxides.

また、第1の領域107、一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bは、各領域においてそれぞれ異なる状態であってもよい。例えば、第1の領域107はCAAC−OS膜とし、一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bは、単結晶、多結晶又は非晶質としてもよい。   Further, the first region 107, the pair of second regions 109a and 109b, and the pair of third regions 111a and 111b may be in different states in each region. For example, the first region 107 may be a CAAC-OS film, and the pair of second regions 109a and 109b and the pair of third regions 111a and 111b may be single crystal, polycrystalline, or amorphous.

さらに、酸化物半導体膜105は、複数の酸化物半導体膜の積層構造であってもよい。例えば、酸化物半導体膜105を、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の2層構造として、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に、異なる組成の金属酸化膜を用いてもよい。例えば、第1の酸化物半導体膜に三元系金属の酸化物を用い、第2の酸化物半導体膜に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜のどちらも、構成元素が異なる三元系金属の酸化物としてもよい。   Further, the oxide semiconductor film 105 may have a stacked structure of a plurality of oxide semiconductor films. For example, the oxide semiconductor film 105 has a two-layer structure of a first oxide semiconductor film and a second oxide semiconductor film, and the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film have different compositions. A metal oxide film may be used. For example, a ternary metal oxide may be used for the first oxide semiconductor film, and a binary metal oxide may be used for the second oxide semiconductor film. For example, the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film may be ternary metal oxides having different constituent elements.

また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。例えば、第1の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1とし、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2としてもよい。また、第1の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2とし、第2の酸化物半導体膜の原子数比をIn:Ga:Zn=2:1:3としてもよい。   Alternatively, the constituent elements of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film may be the same, and the compositions of the elements may be different. For example, the atomic ratio of the first oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = 1: 1: 1, and the atomic ratio of the second oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = 3: 1: 2. It is good. The atomic ratio of the first oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = 1: 3: 2, and the atomic ratio of the second oxide semiconductor film is In: Ga: Zn = 2: 1: 3. It is good.

この際、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜のうち、ゲート電極117と接している酸化物半導体膜(チャネル側)におけるInとGaの含有率はInをGaよりが多く(In>Ga)とするとよい。また、下地絶縁膜103と接している側(バックチャネル側)の酸化物半導体膜におけるInとGaの含有率は、InをGa以下とするとよい(In≦Ga)。   At this time, the content of In and Ga in the oxide semiconductor film (channel side) in contact with the gate electrode 117 out of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film is larger than that of Ga. (In> Ga) is preferable. The content ratio of In and Ga in the oxide semiconductor film in contact with the base insulating film 103 (back channel side) is preferably such that In is less than or equal to Ga (In ≦ Ga).

酸化物半導体では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることによりs軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、In>Gaの組成となる酸化物半導体はIn≦Gaの組成となる酸化物半導体と比較して高い移動度を備える。また、GaはInと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、In≦Gaの組成となる酸化物半導体はIn>Gaの組成となる酸化物半導体と比較して安定した特性を備える。   In oxide semiconductors, s orbitals of heavy metals mainly contribute to carrier conduction, and increasing the In content tends to increase the overlap of s orbitals, so that an oxide semiconductor having a composition of In> Ga. Has higher mobility than an oxide semiconductor having a composition of In ≦ Ga. In addition, since Ga has a larger energy generation energy for oxygen vacancies than In and oxygen vacancies are less likely to occur, an oxide semiconductor having a composition In ≦ Ga is more stable than an oxide semiconductor having a composition In> Ga. With characteristics.

チャネル側にIn>Gaの組成となる酸化物半導体膜を適用し、バックチャネル側にIn≦Gaの組成となる酸化物半導体膜を適用することで、トランジスタの電界効果移動度及び信頼性をさらに高めることが可能となる。   By applying an oxide semiconductor film having an In> Ga composition to the channel side and applying an oxide semiconductor film having an In ≦ Ga composition to the back channel side, the field-effect mobility and reliability of the transistor can be further increased It becomes possible to raise.

また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜、又はCAAC−OS膜を適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体膜を適用すると、酸化物半導体膜105の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの電気特性のばらつきが低減され、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。   Alternatively, oxide semiconductors having different crystallinities may be used for the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film. In other words, a single crystal oxide semiconductor film, a polycrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or a CAAC-OS film may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor film is applied to at least one of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film, internal stress and external stress of the oxide semiconductor film 105 are reduced. The variation in the electrical characteristics of the transistor is reduced, and the reliability of the transistor can be further improved.

一方で、非晶質酸化物半導体膜は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいため低抵抗化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜又はCAAC−OS膜などの結晶性を有する酸化物半導体膜を適用することが好ましい。   On the other hand, an amorphous oxide semiconductor film easily absorbs an impurity serving as a donor such as hydrogen and easily generates oxygen vacancies, so that the resistance is easily reduced. Therefore, the oxide semiconductor film on the channel side is preferably an oxide semiconductor film having crystallinity such as a single crystal oxide semiconductor film, a polycrystalline oxide semiconductor film, or a CAAC-OS film.

また、酸化物半導体膜105を3層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体膜で非晶質酸化物半導体膜を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体膜と非晶質酸化物半導体膜を交互に積層する構造としてもよい。   Alternatively, the oxide semiconductor film 105 may have a stacked structure of three or more layers and a structure in which an amorphous oxide semiconductor film is sandwiched between a plurality of crystalline oxide semiconductor films. Alternatively, a structure in which crystalline oxide semiconductor films and amorphous oxide semiconductor films are alternately stacked may be employed.

[ゲート絶縁膜]
ゲート絶縁膜116は、ゲート絶縁膜116は、第1の領域107及び一対の第2の領域109a、109bに接している酸素を含む絶縁膜113と、酸素を含む絶縁膜113上に設けられている絶縁性を有する金属酸化膜115を有する。
[Gate insulation film]
The gate insulating film 116 is provided over the insulating film 113 containing oxygen and the insulating film 113 containing oxygen in contact with the first region 107 and the pair of second regions 109a and 109b. Insulating metal oxide film 115 is provided.

酸素を含む絶縁膜113は、下地絶縁膜103と同様の絶縁膜を適宜用いることができる。例えば、酸素を含む絶縁膜113に、加熱することによって酸素の一部を放出する絶縁膜を適用することで、トランジスタ100の作製工程の加熱処理によって、放出する酸素を酸化物半導体膜に供給することができ、酸化物半導体膜中の酸素欠損を修復することができる。このようにすることで、良好な電気特性を有するトランジスタ100の作製することができる。   As the insulating film 113 containing oxygen, an insulating film similar to the base insulating film 103 can be used as appropriate. For example, by applying an insulating film from which part of oxygen is released by heating to the insulating film 113 containing oxygen, oxygen released from the oxide semiconductor film is supplied by heat treatment in the manufacturing process of the transistor 100. And oxygen deficiency in the oxide semiconductor film can be repaired. In this manner, the transistor 100 having favorable electrical characteristics can be manufactured.

さらに、酸素を含む絶縁膜113として、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiO(x>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))、酸化ランタンなどのhigh−k材料を用いることができる。このような材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。 Further, as the insulating film 113 containing oxygen, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSiO x N y (x> 0) , Y> 0)), hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)), and high-k materials such as lanthanum oxide can be used. By using such a material, gate leakage current can be reduced.

また、酸素を含む絶縁膜113に含まれる水素又は水分は、トランジスタ100の作製工程中に酸化物半導体膜(特にチャネル形成領域である第1の領域107)に拡散し、酸化物半導体膜を低抵抗化させ、トランジスタ100の電気特性を不良にすることがある。そこで、酸素を含む絶縁膜113は、水素又は水分が低減されていることが好ましい。   In addition, hydrogen or moisture contained in the insulating film 113 containing oxygen diffuses into the oxide semiconductor film (particularly, the first region 107 which is a channel formation region) during the manufacturing process of the transistor 100, so that the oxide semiconductor film is reduced. The resistance of the transistor 100 may be deteriorated, and the electrical characteristics of the transistor 100 may be deteriorated. Thus, it is preferable that hydrogen or moisture be reduced in the insulating film 113 containing oxygen.

絶縁性を有する金属酸化膜115は、酸素を含む絶縁膜113とは異なる種類の無機絶縁膜で形成されていることが好ましく、特に緻密性の高い無機絶縁膜で形成されていることが好ましい。緻密性の高い無機絶縁膜は、例えば、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成することができる。酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上)とすることによって、外気中の水分などの不純物が酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)に侵入すること抑制する効果を得ることができる。また、トランジスタ100の構成要素に含まれる酸素がトランジスタ100の外部に放出されることを防止する効果を得ることができる。従って、絶縁性を有する金属酸化膜115は、トランジスタ100の作製工程中及び作製後において、水分の酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)へのなどの混入を防止するバリア膜として、さらに酸化物半導体膜105を構成する主成分材料である酸素の放出を防止するバリア膜として機能するため、良好な電気特性を有するトランジスタ100を作製することができる。なお、膜密度はラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)や、X線反射率測定法(XRR:X−Ray Reflection)によって測定することができる。 The insulating metal oxide film 115 is preferably formed of an inorganic insulating film of a different type from the insulating film 113 containing oxygen, and is particularly preferably formed of a highly dense inorganic insulating film. As the highly dense inorganic insulating film, an aluminum oxide film can be formed by a sputtering method, for example. By setting the aluminum oxide film to a high density (film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more), impurities such as moisture in the outside air can be removed from the oxide semiconductor film 105 (in particular, the first The effect of suppressing entry into the region 107) can be obtained. Further, an effect of preventing oxygen contained in the constituent elements of the transistor 100 from being released to the outside of the transistor 100 can be obtained. Therefore, the insulating metal oxide film 115 serves as a barrier film for preventing entry of moisture into the oxide semiconductor film 105 (particularly, the first region 107) during and after the manufacturing process of the transistor 100. Further, since the oxide semiconductor film 105 functions as a barrier film that prevents release of oxygen which is a main component material of the oxide semiconductor film 105, the transistor 100 having favorable electric characteristics can be manufactured. The film density can be measured by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) or X-ray reflectometry (XRR: X-Ray Reflection).

[ゲート電極]
ゲート電極117としては、例えば、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム、クロム等の金属材料、又はこれらを含む合金材料で形成されている。また、ゲート電極117としては、導電性の金属酸化物材料を用いて形成されていてもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウムスズ酸化物(In−SnO、ITOと略記する場合がある)、インジウム亜鉛酸化物(In−ZnO)、又は、これらの金属酸化物材料にシリコン、又は酸化シリコンを含有させたもので形成されていてもよい。また、ゲート電極117としては、導電性の金属窒化物材料を用いて形成されていてもよい。
[Gate electrode]
The gate electrode 117 is formed of, for example, a metal material such as molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, neodymium, scandium, or chromium, or an alloy material including these materials. Further, the gate electrode 117 may be formed using a conductive metal oxide material. The conductive metal oxide may be abbreviated as indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , ITO). ), Indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO), or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide. The gate electrode 117 may be formed using a conductive metal nitride material.

また、ゲート電極117は、上記の材料を用いた単層構造、又は積層構造で形成されていてもよい。例えば、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料で形成されていてもよい。なお、ゲート電極117はゲート配線として機能させてもよい。   The gate electrode 117 may be formed with a single layer structure or a stacked layer structure using the above materials. For example, a two-layer structure in which a titanium film is laminated on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is laminated on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a copper-magnesium-aluminum alloy film, and a tantalum nitride film A two-layer structure in which a tungsten film is stacked on top, a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tungsten nitride film, a titanium film, an aluminum film stacked on the titanium film, and a titanium film formed on the titanium film. There are three-layer structures. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used. Note that the gate electrode 117 may function as a gate wiring.

また、ゲート電極117とゲート絶縁膜116との間に、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(窒化インジウム膜、窒化亜鉛膜、窒化タンタル膜、窒化タングステン膜など)を設けることが好ましい。これらの膜は5eV、好ましくは5.5eV以上の仕事関数を有し、トランジスタ100の電気特性において、しきい値電圧をプラスにすることができ、トランジスタ100を所謂ノーマリーオフのトランジスタとすることができる。例えば、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体膜105より高い窒素濃度、具体的には、窒素原子を7原子%以上のIn−Ga−Zn−O膜を用いる。   Further, between the gate electrode 117 and the gate insulating film 116, an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, an In—Ga—O film containing nitrogen, In—Zn—O film containing nitrogen, Sn—O film containing nitrogen, In—O film containing nitrogen, metal nitride film (indium nitride film, zinc nitride film, tantalum nitride film, tungsten nitride film, etc.) Is preferably provided. These films have a work function of 5 eV, preferably 5.5 eV or more, can have a positive threshold voltage in the electrical characteristics of the transistor 100, and the transistor 100 is a so-called normally-off transistor. Can do. For example, in the case of using an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Ga—Zn—O film containing at least a nitrogen concentration higher than that of the oxide semiconductor film 105, specifically, 7 atomic% or more of nitrogen atoms is used. Use.

[サイドウォール絶縁膜]
サイドウォール絶縁膜119は、窒化シリコン、又は窒化アルミニウムなどの窒化絶縁膜で形成されている。
[Sidewall insulation film]
The sidewall insulating film 119 is formed of a nitride insulating film such as silicon nitride or aluminum nitride.

また、一対の第2の領域109a、109bの幅は、サイドウォール絶縁膜119の幅に対応することから、一対の第2の領域109a、109bの幅が所望の値となるように、サイドウォール絶縁膜119の幅、厚さ、さらにはゲート電極117の厚さを決めることが好ましい。なお、ここでのサイドウォール絶縁膜119の厚さとは、ゲート絶縁膜116(特に絶縁性を有する金属酸化膜115)と接している面から、ゲート電極117と接している面の最頂部までをいう。   In addition, since the width of the pair of second regions 109a and 109b corresponds to the width of the sidewall insulating film 119, the sidewalls are set so that the width of the pair of second regions 109a and 109b becomes a desired value. It is preferable to determine the width and thickness of the insulating film 119 and further the thickness of the gate electrode 117. Note that the thickness of the sidewall insulating film 119 here is from the surface in contact with the gate insulating film 116 (particularly the insulating metal oxide film 115) to the topmost portion of the surface in contact with the gate electrode 117. Say.

[絶縁性を有する金属酸化膜]
絶縁性を有する金属酸化膜121は、絶縁性を有する金属酸化膜115と同じ材料を用いることができる。特に緻密性の高い無機絶縁膜で形成されていることが好ましく、緻密性の高い無機絶縁膜を用いることでトランジスタ100の作製工程中及び作製後において、水分の酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)へのなどの混入を防止し、さらに酸化物半導体膜105を構成する主成分材料である酸素の放出を防止するため、良好な電気特性を有するトランジスタ100を作製することができる。
[Insulating metal oxide film]
The metal oxide film 121 having an insulating property can be formed using the same material as the metal oxide film 115 having an insulating property. In particular, it is preferably formed using a highly dense inorganic insulating film. By using a highly dense inorganic insulating film, a moisture-containing oxide semiconductor film 105 (especially, the first oxide semiconductor film 105 (especially, the first insulating film)) Thus, the transistor 100 having favorable electrical characteristics can be manufactured in order to prevent entry of the oxide into the region 107) and the like, and further, release of oxygen which is a main component material of the oxide semiconductor film 105.

[層間絶縁膜]
層間絶縁膜123は、無機絶縁膜を用いて形成されていることが好ましく、下地絶縁膜103と同様である。
[Interlayer insulation film]
The interlayer insulating film 123 is preferably formed using an inorganic insulating film, and is similar to the base insulating film 103.

[ソース電極及びドレイン電極]
ソース電極127a及びドレイン電極127bは、ゲート電極117と同様である。この他に、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム、クロムを成分とする金属窒化物材料(窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン)などで形成されていてもよい。また、アルミニウム、銅などの金属材料の下側若しくは上側の一方、又は双方にチタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属材料、又は当該高融点金属材料の金属窒化物材料(窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン)が設けられた積層構造としてもよい。
[Source electrode and drain electrode]
The source electrode 127a and the drain electrode 127b are similar to the gate electrode 117. In addition, it may be formed of a metal nitride material (titanium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride) containing molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, neodymium, scandium, or chromium as a component. In addition, a refractory metal material such as titanium, molybdenum, tungsten, or a metal nitride material of the refractory metal material (titanium nitride, molybdenum nitride, A stacked structure provided with (tungsten nitride) may be used.

〈トランジスタの作製方法〉
次に、トランジスタ100の作製方法について、図面を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Transistor>
Next, a method for manufacturing the transistor 100 is described with reference to drawings.

まず、基板101を準備し、基板101上に下地絶縁膜103を形成し、下地絶縁膜103上に酸化物半導体膜154を形成する(図2(A)参照)。   First, the substrate 101 is prepared, the base insulating film 103 is formed over the substrate 101, and the oxide semiconductor film 154 is formed over the base insulating film 103 (see FIG. 2A).

基板101は上記列挙した種類の中から選択し、下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜154は上記列挙した材料を用いて形成する。具体的に、下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜154は、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、又はパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法によって形成することができる。また、酸化物半導体膜154は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて形成してもよい。   The substrate 101 is selected from the above listed types, and the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 154 are formed using the above-listed materials. Specifically, the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 154 are formed by a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or a pulsed laser deposition (PLD) method. : Pulsed Laser Deposition) method. Alternatively, the oxide semiconductor film 154 may be formed using a sputtering apparatus which performs film formation in a state where a plurality of substrate surfaces are set substantially perpendicular to the sputtering target surface.

本実施の形態において、基板101はガラス基板を用いる。下地絶縁膜103は、化学量論的組成より多くの酸素を含む絶縁膜、具体的には、酸素が過剰に含まれている酸化窒化シリコン膜を用いる。酸素が過剰に含まれている酸化窒化シリコンは、例えば、プラズマCVD法で形成した酸化窒化シリコンに、イオンインプランテーション法又はイオンドーピング法を用いて酸素イオンを注入することで形成することができる。また、下地絶縁膜103中に含まれる水素、水分を除去するため、酸素イオンを注入する前に、減圧下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス雰囲気下などで、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とした加熱処理を行うことが好ましい。また、下地絶縁膜103の厚さは、5nm以上3000nm以下とすればよく、ここでは300nm形成するものとする。   In this embodiment, a glass substrate is used as the substrate 101. As the base insulating film 103, an insulating film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition, specifically, a silicon oxynitride film containing excess oxygen is used. Silicon oxynitride containing excessive oxygen can be formed, for example, by implanting oxygen ions into silicon oxynitride formed by a plasma CVD method using an ion implantation method or an ion doping method. In addition, in order to remove hydrogen and moisture contained in the base insulating film 103, before implanting oxygen ions, a temperature of 300 ° C. or higher and 700 ° C. under reduced pressure, a nitrogen atmosphere, an oxygen atmosphere, or a rare gas atmosphere is used. It is preferable to perform the heat treatment below or below the strain point of the substrate. The thickness of the base insulating film 103 may be 5 nm to 3000 nm, and is 300 nm here.

なお、下地絶縁膜103は設けなくてもよく、基板101に直接、酸化物半導体膜154を形成してもよい。例えば、基板101に可撓性基板を用いた場合、可撓性基板に下地絶縁膜103を形成した上に酸化物半導体膜154を形成してもよく、可撓性基板に直接、酸化物半導体膜154を形成してもよい。   Note that the base insulating film 103 is not necessarily provided, and the oxide semiconductor film 154 may be formed directly over the substrate 101. For example, in the case where a flexible substrate is used as the substrate 101, the oxide semiconductor film 154 may be formed over the base insulating film 103 over the flexible substrate, and the oxide semiconductor may be directly formed on the flexible substrate. A film 154 may be formed.

酸化物半導体膜154は、1nm以上200nm以下、好ましくは5nm以上40nm以下として形成する。また、トランジスタ100において、酸化物半導体膜105のチャネル形成領域である第1の領域107はCAAC−OSであることが好ましいことから、ここでは、酸化物半導体膜154としてスパッタリング法によりCAAC−OS膜を20nm形成する。   The oxide semiconductor film 154 is formed with a thickness of 1 nm to 200 nm, preferably 5 nm to 40 nm. In the transistor 100, the first region 107 which is a channel formation region of the oxide semiconductor film 105 is preferably a CAAC-OS; therefore, here, the CAAC-OS film is formed as the oxide semiconductor film 154 by a sputtering method. To 20 nm.

なお、酸化物半導体膜154を単結晶、多結晶などの酸化物半導体膜又はCAAC−OS膜とする場合、酸化物半導体膜154を形成する前に、下地絶縁膜103表面の平坦性を向上させるための処理を行うことが好ましい。このようにすることで、表面の平坦性が高い酸化物半導体膜154を形成することができ、より電界効果移動度が高いトランジスタを得ることができる。具体的には、酸化物半導体膜154を形成する前に、下地絶縁膜103表面の平均面粗さ(Ra)が上記範囲となるように研磨処理(例えば、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法)、ドライエッチング処理、プラズマ処理を行うことが好ましい。   Note that in the case where the oxide semiconductor film 154 is a single-crystal or polycrystalline oxide semiconductor film or a CAAC-OS film, the planarity of the surface of the base insulating film 103 is improved before the oxide semiconductor film 154 is formed. It is preferable to perform the process for this. In this manner, the oxide semiconductor film 154 with high surface flatness can be formed, and a transistor with higher field-effect mobility can be obtained. Specifically, before the oxide semiconductor film 154 is formed, a polishing process (for example, chemical mechanical polishing: chemical mechanical polishing) is performed so that the average surface roughness (Ra) of the surface of the base insulating film 103 is in the above range. CMP) method), dry etching treatment, and plasma treatment are preferably performed.

プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、下地絶縁膜103の表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみともいう)を除去することができる。   As the plasma treatment, for example, reverse sputtering in which an argon gas is introduced to generate plasma can be performed. Inverse sputtering is a method in which a surface is modified by forming a plasma near the substrate by applying a voltage to the substrate side using an RF power source in an argon atmosphere. Note that nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used instead of the argon atmosphere. When reverse sputtering is performed, powdery substances (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the base insulating film 103 can be removed.

平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、下地絶縁膜103表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。   As the planarization treatment, the polishing treatment, the dry etching treatment, and the plasma treatment may be performed a plurality of times or in combination. In the case where the steps are performed in combination, the order of steps is not particularly limited, and may be set as appropriate in accordance with the uneven state of the surface of the base insulating film 103.

CAAC−OS膜を得る方法としては、2つ挙げられる。1つ目は、成膜温度を200℃以上500℃以下として酸化物半導体膜を形成する方法である。2つ目は、薄い膜厚で第1の酸化物半導体膜を形成した後、200℃以上700℃以下の加熱処理を行い、その上に第2の酸化物半導体膜を形成し、さらに200℃以上700℃以下で加熱処理する方法である。   There are two methods for obtaining a CAAC-OS film. The first is a method for forming an oxide semiconductor film at a deposition temperature of 200 ° C. to 500 ° C. Second, after forming the first oxide semiconductor film with a thin film thickness, heat treatment is performed at 200 ° C. or more and 700 ° C. or less, and the second oxide semiconductor film is formed thereon, and further 200 ° C. This is a method of heat treatment at 700 ° C. or lower.

なお、酸化物半導体膜154は、希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下で形成することができる。酸化物半導体膜154は、形成時に酸素が多く含まれるような条件(例えば、酸素100%の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど)で成膜して、酸素を多く含む(好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている)膜とすることが好ましい。   Note that the oxide semiconductor film 154 can be formed in a rare gas (typically argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a mixed atmosphere of a rare gas and oxygen. The oxide semiconductor film 154 is formed under conditions that include a large amount of oxygen at the time of formation (for example, film formation is performed by a sputtering method in an atmosphere containing 100% oxygen) and includes a large amount of oxygen (preferably an oxide film). It is preferable to use a film in which a physical semiconductor includes a region in which the oxygen content is excessive with respect to the stoichiometric composition in the crystalline state.

例えば、酸化物半導体膜154をIn−Ga−Zn系酸化物とし、スパッタリング法で形成するためのターゲットとしては、例えば、組成として、In:Ga:ZnO=1:1:2[mol比]の酸化物ターゲットを用いる。また、このターゲットの材料及び組成に限定されず、例えば、In:Ga:ZnO=1:1:1[mol比]の金属酸化物ターゲットを用いてもよい。 For example, as a target for forming the oxide semiconductor film 154 using an In—Ga—Zn-based oxide by a sputtering method, for example, the composition is In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: An oxide target of 2 [molar ratio] is used. Without limitation to the material and the composition of the target, for example, In 2 O 3: Ga 2 O 3: ZnO = 1: 1: 1 may be used a metal oxide target [mol ratio].

また、金属酸化物ターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、形成する酸化物半導体膜を緻密な膜とすることができる。   The filling rate of the metal oxide target is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. By using a metal oxide target with a high filling rate, the oxide semiconductor film to be formed can be a dense film.

また、酸化物半導体膜154に用いることのできる金属酸化物ターゲットは、単結晶、多結晶等の結晶性を有するターゲットが好ましい。結晶性を有するターゲットを用いることにより、形成された薄膜も結晶性を有し、特に形成された薄膜においては、CAAC−OS膜となりやすい。   The metal oxide target that can be used for the oxide semiconductor film 154 is preferably a target having crystallinity such as single crystal or polycrystal. By using a crystalline target, the formed thin film also has crystallinity, and in particular, the formed thin film tends to be a CAAC-OS film.

また、酸化物半導体膜154は成膜直後において、化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体膜を成膜する場合、成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件で成膜することが好ましく、特に酸素雰囲気(酸素ガス100%)で成膜を行うことが好ましい。成膜ガスの酸素の占める割合が多い条件、特に酸素ガス100%の雰囲気で成膜すると、例えば成膜温度を300℃以上としても、膜中からのZnの放出が抑えられる。   The oxide semiconductor film 154 is preferably in a supersaturated state with more oxygen than the stoichiometric composition immediately after the formation. For example, in the case where an oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, the film formation is preferably performed under a condition where the proportion of oxygen in the film formation gas is large, and the film formation is performed particularly in an oxygen atmosphere (oxygen gas 100%). It is preferable. When the film is formed in a condition where the proportion of oxygen in the film forming gas is large, particularly in an atmosphere containing 100% oxygen gas, the release of Zn from the film can be suppressed even when the film forming temperature is set to 300 ° C. or higher.

酸化物半導体膜154を形成する際に用いるスパッタリングガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。   As a sputtering gas used for forming the oxide semiconductor film 154, a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed is preferably used.

酸化物半導体膜154をスパッタリング法で形成する際は、減圧状態に保持された成膜室内に基板101を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタリングガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板101上に酸化物半導体膜154を形成する。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で形成した酸化物半導体膜154に含まれる不純物の濃度を低減できる。 When the oxide semiconductor film 154 is formed by a sputtering method, the substrate 101 is held in a deposition chamber kept under reduced pressure. Then, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is introduced while moisture remaining in the deposition chamber is removed, and the oxide semiconductor film 154 is formed over the substrate 101 with the use of the above target. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, it is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, the exhaust means may be a turbo molecular pump provided with a cold trap. In the film formation chamber evacuated using a cryopump, for example, a compound containing a hydrogen atom (more preferably a compound containing a carbon atom) such as a hydrogen atom or water (H 2 O) is exhausted. The concentration of impurities contained in the oxide semiconductor film 154 formed in the chamber can be reduced.

また、下地絶縁膜103と酸化物半導体膜154とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。下地絶縁膜103と酸化物半導体膜154とを大気に曝露せずに連続して形成すると、下地絶縁膜103表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。   The base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 154 are preferably formed continuously without being released to the atmosphere. When the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 154 are successively formed without being exposed to the air, impurities such as hydrogen and moisture can be prevented from being adsorbed on the surface of the base insulating film 103.

また、酸化物半導体膜154に、過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とする。加熱処理は減圧下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス雰囲気下などで行うことができる。例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を行う。   The oxide semiconductor film 154 may be subjected to heat treatment for removing excess hydrogen (including water and a hydroxyl group) (dehydration or dehydrogenation). The temperature of the heat treatment is set to be 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or lower than the strain point of the substrate. The heat treatment can be performed under reduced pressure, a nitrogen atmosphere, an oxygen atmosphere, a rare gas atmosphere, or the like. For example, the substrate is introduced into an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses, and the oxide semiconductor film is subjected to heat treatment at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、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 Annealing)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Annealing)装置等のRTA(Rapid Thermal Annealing)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、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。   Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and 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. For example, an RTA (Rapid Thermal Annealing) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Annealing) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Annealing) 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, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

例えば、加熱処理として、650℃〜700℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。   For example, as the heat treatment, GRTA may be performed in which the substrate is placed in an inert gas heated to a high temperature of 650 ° C. to 700 ° C., heated for several minutes, and then the substrate is taken out of the inert gas.

なお、脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、酸化物半導体膜154の形成後、金属元素を含む膜の形成前、及び酸化物半導体膜154への酸素の導入工程前であれば、トランジスタ440の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。   Note that heat treatment for dehydration or dehydrogenation is performed after the formation of the oxide semiconductor film 154, before the formation of the film containing a metal element, and before the step of introducing oxygen into the oxide semiconductor film 154. Any timing may be used in the manufacturing process of the transistor 440.

脱水化又は脱水素化のための加熱処理を、酸化物半導体膜154を所望の形状に加工する前に行うと、下地絶縁膜103に含まれる酸素が当該加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。   When heat treatment for dehydration or dehydrogenation is performed before the oxide semiconductor film 154 is processed into a desired shape, oxygen contained in the base insulating film 103 is prevented from being released by the heat treatment. This is preferable.

なお、加熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。   Note that in the heat treatment, it is preferable that water, hydrogen, or the like be not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably Is preferably 0.1 ppm or less).

また、加熱処理で酸化物半導体膜154を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガス又は一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体膜154を高純度化及びi型(真性)化することができる。   In addition, after heating the oxide semiconductor film 154 by heat treatment, a dew point of high-purity oxygen gas, high-purity dinitrogen monoxide gas, or ultra-dry air (CRDS (cavity ring-down laser spectroscopy) method) is supplied to the same furnace. The amount of water when measured using a meter may be 20 ppm (-55 ° C. in terms of dew point) or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. It is preferable that water, hydrogen, and the like are not contained in the oxygen gas or the dinitrogen monoxide gas. Alternatively, the purity of the oxygen gas or nitrous oxide introduced into the heat treatment apparatus is 6N or more, preferably 7N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas or nitrous oxide is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less. ) Is preferable. Oxygen is supplied by supplying oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, which has been reduced by the process of removing impurities by dehydration or dehydrogenation treatment by the action of oxygen gas or dinitrogen monoxide gas. The physical semiconductor film 154 can be highly purified and i-type (intrinsic).

また、下地絶縁膜103に接した状態で酸化物半導体膜154に加熱処理を行うことで、脱水化又は脱水素化が行われると共に、下地絶縁膜103に含まれる酸素の一部が当該加熱処理によって脱離し、酸化物半導体膜154と下地絶縁膜103の界面準位密度を低減でき、酸化物半導体膜154中の酸素欠損を修復することができる。   In addition, by performing heat treatment on the oxide semiconductor film 154 in contact with the base insulating film 103, dehydration or dehydrogenation is performed, and part of oxygen contained in the base insulating film 103 is subjected to the heat treatment. And the interface state density between the oxide semiconductor film 154 and the base insulating film 103 can be reduced, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 154 can be repaired.

そして、酸化物半導体膜154を形成した後、イオンインプランテーション法又はイオンドーピング法を用いて酸素イオンを酸化物半導体膜154に注入してもよい。このようにすることで、酸化物半導体膜154と下地絶縁膜103の界面準位密度を低減でき、酸化物半導体膜154中の酸素欠損を修復することができる。   Then, after the oxide semiconductor film 154 is formed, oxygen ions may be implanted into the oxide semiconductor film 154 by an ion implantation method or an ion doping method. Accordingly, the interface state density between the oxide semiconductor film 154 and the base insulating film 103 can be reduced, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 154 can be repaired.

酸化物半導体膜154に加熱処理をした後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により酸化物半導体膜155に加工する(図2(B)参照)。また、酸化物半導体膜155を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。以降の作製工程において行うフォトリソグラフィ工程も、フォトマスク又はインクジェット法などでレジストマスクを形成することができる。   After the oxide semiconductor film 154 is subjected to heat treatment, the oxide semiconductor film 155 is processed by a photolithography process and an etching process (see FIG. 2B). Further, a resist mask for forming the oxide semiconductor film 155 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used. In the photolithography process performed in the subsequent manufacturing process, a resist mask can be formed using a photomask, an inkjet method, or the like.

なお、酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、酸化物半導体膜のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。   Note that the etching of the oxide semiconductor film may be dry etching or wet etching, or both of them may be used. For example, as an etchant used for wet etching of the oxide semiconductor film, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, or the like can be used. In addition, ITO07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) may be used.

なお、酸化物半導体膜は、所望の形状に加工してもよいし、形状を加工せず、膜状のままでもよい。また、酸化物半導体膜を素子ごとに分離する絶縁膜からなる素子分離領域を設けてもよい。   Note that the oxide semiconductor film may be processed into a desired shape, or the shape may be left as it is without being processed. Further, an element isolation region including an insulating film that isolates the oxide semiconductor film for each element may be provided.

次に、下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜155上に、酸素を含む絶縁膜156を形成し、酸素を含む絶縁膜156上に絶縁性を有する金属酸化膜157を形成する(図2(C)参照)。   Next, an insulating film 156 containing oxygen is formed over the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 155, and an insulating metal oxide film 157 is formed over the insulating film 156 containing oxygen (FIG. 2C )reference).

酸素を含む絶縁膜156は、上記列挙した酸素を含む絶縁膜113に適用可能な材料を用いて形成する。絶縁性を有する金属酸化膜157は、上記列挙した絶縁性を有する金属酸化膜115に適用される材料を用いて形成する。   The insulating film 156 containing oxygen is formed using a material that can be used for the above-described insulating film 113 containing oxygen. The insulating metal oxide film 157 is formed using a material that is applied to the above-described insulating metal oxide film 115.

ここでは、酸素を含む絶縁膜156は、プラズマCVD法で形成した酸化窒化シリコンに、イオンインプランテーション法又はイオンドーピング法を用いて酸素イオンを注入した、酸素が過剰に含まれている酸化窒化シリコンを形成する。また、酸素を含む絶縁膜156は、5nm以上200nm以下、より好ましくは5nm以上50nm以下とするとよく、ここでは、酸化窒化シリコン膜を20nm形成する。   Here, the insulating film 156 containing oxygen is a silicon oxynitride in which oxygen ions are implanted into silicon oxynitride formed by a plasma CVD method using an ion implantation method or an ion doping method. Form. The insulating film 156 containing oxygen is preferably 5 nm to 200 nm, more preferably 5 nm to 50 nm. Here, a silicon oxynitride film is formed to a thickness of 20 nm.

なお、下地絶縁膜103と同様に、形成した酸化窒化シリコン膜を脱水素化又は脱水化するための加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス雰囲気下などで、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満で行えばよい。   Note that similarly to the base insulating film 103, heat treatment for dehydrogenation or dehydration of the formed silicon oxynitride film may be performed. The heat treatment may be performed under reduced pressure, a nitrogen atmosphere, an oxygen atmosphere, a rare gas atmosphere, or the like at a temperature greater than or equal to 300 ° C. and less than or equal to 700 ° C. or less than the strain point of the substrate.

絶縁性を有する金属酸化膜157は、スパッタリング法により酸化アルミニウム膜を形成する。また、絶縁性を有する金属酸化膜157は、5nm以上200nm以下、より好ましくは5nm以上50nm以下とするとよく、ここでは、酸化アルミニウム膜を20nm形成する。   As the metal oxide film 157 having an insulating property, an aluminum oxide film is formed by a sputtering method. The metal oxide film 157 having an insulating property may be 5 nm to 200 nm, more preferably 5 nm to 50 nm. Here, an aluminum oxide film is formed to 20 nm.

次に、上記列挙したゲート電極117に適用可能な材料を用いて導電膜158を形成する(図2(D)参照)。導電膜158は、CVD法、スパッタリング法、MBE法、又はPLD法によって形成することができる。ここでは、スパッタリング法により、絶縁性を有する金属酸化膜157上に窒化タンタル膜を30nm形成し、窒化タンタル膜上にタングステン膜200nm形成する。   Next, a conductive film 158 is formed using a material that can be used for the above-described gate electrode 117 (see FIG. 2D). The conductive film 158 can be formed by a CVD method, a sputtering method, an MBE method, or a PLD method. Here, a tantalum nitride film is formed to a thickness of 30 nm on the insulating metal oxide film 157 by a sputtering method, and a tungsten film is formed to a thickness of 200 nm on the tantalum nitride film.

次に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いて、導電膜158をゲート電極117に加工する(図2(E)参照)。後にサイドウォール絶縁膜119を形成することから、ゲート電極117のテーパ角は、ゲート電極117の底面(絶縁性を有する金属酸化膜157の表面)に対して概略直角となるように、RIE(Reactive ion etching:反応性イオンエッチング)法などの異方性エッチングにより加工することが好ましい。   Next, the conductive film 158 is processed into the gate electrode 117 by a photolithography process and an etching process (see FIG. 2E). Since the sidewall insulating film 119 is formed later, the RIE (Reactive) is performed so that the taper angle of the gate electrode 117 is substantially perpendicular to the bottom surface of the gate electrode 117 (the surface of the insulating metal oxide film 157). It is preferable to process by anisotropic etching such as ion etching (reactive ion etching).

次に、ゲート電極117をマスクにしてドーパント159を酸化物半導体膜155に注入し、チャネル形成領域として機能する第1の領域107及び第1の領域107より低抵抗であり、ドーパント159を含む一対の領域108a、108bを形成する(図3(A)参照)。ドーパント159としてはホウ素、窒素、フッ素、アルミニウム、リン、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンから選ばれた一種以上を用いればよい。なお、その方法は、イオンインプランテーション法又はイオンドーピング法で行えばよい。酸化物半導体膜155を低抵抗化するドーパントを含む雰囲気でのプラズマ処理又は加熱処理を行うことで、当該ドーパントを酸化物半導体膜155に注入してもよい。好ましくはイオンインプランテーション法を用いる。   Next, a dopant 159 is implanted into the oxide semiconductor film 155 using the gate electrode 117 as a mask. The first region 107 functioning as a channel formation region and the first region 107 have a lower resistance and include a pair of dopants 159. Regions 108a and 108b are formed (see FIG. 3A). As the dopant 159, one or more selected from boron, nitrogen, fluorine, aluminum, phosphorus, arsenic, indium, tin, antimony, helium, neon, argon, krypton, and xenon may be used. Note that this method may be performed by an ion implantation method or an ion doping method. The dopant may be injected into the oxide semiconductor film 155 by performing plasma treatment or heat treatment in an atmosphere including a dopant that reduces the resistance of the oxide semiconductor film 155. Preferably, an ion implantation method is used.

ドーパント159の注入は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件、また通過させる酸素を含む絶縁膜113及び絶縁性を有する金属酸化膜157の膜厚を適宜設定して制御すればよい。例えば、リンを用いて、イオンインプランテーション法でリンイオンの注入を行う場合、加速電圧30kV、ドーズ量は1×1013ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすればよく、例えば、1×1015ions/cmとすればよい。 The implantation of the dopant 159 may be controlled by appropriately setting the implantation conditions such as the acceleration voltage and the dose, and the thickness of the insulating film 113 containing oxygen to be passed and the insulating metal oxide film 157. For example, when phosphorus is implanted by phosphorus ion implantation, an acceleration voltage of 30 kV and a dose of 1 × 10 13 ions / cm 2 to 5 × 10 16 ions / cm 2 may be used. It may be 1 × 10 15 ions / cm 2 .

なお、イオンインプランテーション法にて酸化物半導体膜155にドーパント159を注入した後、加熱処理を行ってもよい。加熱条件としては、温度300℃以上700℃以下、好ましくは300℃以上450℃以下で1時間、酸素雰囲気下で行うことが好ましい。また、当該加熱処理は窒素雰囲気下、減圧下、又は大気(超乾燥エア)下で行ってもよい。   Note that heat treatment may be performed after the dopant 159 is implanted into the oxide semiconductor film 155 by an ion implantation method. As heating conditions, it is preferable that the temperature is 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower for 1 hour in an oxygen atmosphere. Further, the heat treatment may be performed in a nitrogen atmosphere, under reduced pressure, or in the air (ultra-dry air).

酸化物半導体膜155が結晶性を有する酸化物半導体膜の場合、ドーパント159の注入によって、一部非晶質化することがある。酸化物半導体膜155のドーパント159を含む領域が非晶質である場合、ドーパント159の注入以降のトランジスタ100の作製工程の加熱処理において、第1の領域107に含まれる水素又は水分がドーパント159を含む領域に拡散しやすくなる。これにより、第1の領域107の水素又は水分が減少し、第1の領域107は高純度化され、ドーパント159を含む領域はさらに低抵抗化する。なお、本明細書では、第1の領域107の水素又は水分がドーパント159を含む領域に拡散し、第1の領域107の水素又は水分が低減することをゲッタリングということができる。   In the case where the oxide semiconductor film 155 is an oxide semiconductor film having crystallinity, the oxide semiconductor film 155 may be partially amorphized by implantation of the dopant 159. In the case where the region including the dopant 159 in the oxide semiconductor film 155 is amorphous, in the heat treatment in the manufacturing process of the transistor 100 after the implantation of the dopant 159, hydrogen or moisture contained in the first region 107 reduces the dopant 159. It becomes easy to diffuse to the region including it. Accordingly, hydrogen or moisture in the first region 107 is reduced, the first region 107 is highly purified, and the region including the dopant 159 is further reduced in resistance. Note that in this specification, hydrogen or moisture in the first region 107 diffuses into a region including the dopant 159 and hydrogen or moisture in the first region 107 is reduced, which can be referred to as gettering.

また、酸化物半導体膜155のドーパント159を含む領域が非晶質である場合、当該非晶質化した領域が結晶化する温度で加熱処理を行うことで、当該非晶質化した領域の結晶性を回復させてもよい。   In the case where the region including the dopant 159 in the oxide semiconductor film 155 is amorphous, heat treatment is performed at a temperature at which the amorphous region is crystallized, so that the crystal in the amorphous region can be obtained. Sexuality may be restored.

次に、サイドウォール絶縁膜119を形成するために、絶縁性を有する金属酸化膜157及びゲート電極117上に絶縁膜161を形成する(図3(B)参照)。   Next, an insulating film 161 is formed over the insulating metal oxide film 157 and the gate electrode 117 in order to form the sidewall insulating film 119 (see FIG. 3B).

絶縁膜161をRIE法などの異方性エッチングによって加工し、ゲート電極117の側面に接するサイドウォール絶縁膜119を自己整合的に形成する。ここで、絶縁膜161は、後の形成する金属元素を含む膜と反応しないように窒化絶縁膜(例えば、窒化シリコン膜又は窒化アルミニウム膜)で形成することが好ましい。絶縁膜161はCVD法又はスパッタリング法などによって形成することができる。   The insulating film 161 is processed by anisotropic etching such as RIE, and a sidewall insulating film 119 in contact with the side surface of the gate electrode 117 is formed in a self-aligning manner. Here, the insulating film 161 is preferably formed using a nitride insulating film (eg, a silicon nitride film or an aluminum nitride film) so as not to react with a film containing a metal element to be formed later. The insulating film 161 can be formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.

次に、ゲート電極117及びサイドウォール絶縁膜119をマスクとして用いて、酸素を含む絶縁膜156及び絶縁性を有する金属酸化膜157をRIE法などの異方性エッチングにより加工することで、酸素を含む絶縁膜113及び絶縁性を有する金属酸化膜115を有するゲート絶縁膜116を形成する(図3(D)参照)。ゲート絶縁膜116を形成することで、一対の領域108a、108bの一部が露出する。   Next, by using the gate electrode 117 and the sidewall insulating film 119 as a mask, the oxygen-containing insulating film 156 and the insulating metal oxide film 157 are processed by anisotropic etching such as an RIE method, whereby oxygen is removed. A gate insulating film 116 including an insulating film 113 and an insulating metal oxide film 115 is formed (see FIG. 3D). By forming the gate insulating film 116, part of the pair of regions 108a and 108b is exposed.

次に、下地絶縁膜103、一対の領域108a、108b、ゲート絶縁膜116、サイドウォール絶縁膜119及びゲート電極117を覆って金属元素を含む膜162を形成する(図4(A)参照)。   Next, a film 162 containing a metal element is formed so as to cover the base insulating film 103, the pair of regions 108a and 108b, the gate insulating film 116, the sidewall insulating film 119, and the gate electrode 117 (see FIG. 4A).

金属元素を含む膜162は、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、チタン(Ti)、スズ(Sn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、亜鉛(Zn)ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、バリウム(Ba)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、及びニッケル(Ni)のいずれかから選択される一以上の金属元素を含む金属膜を用いることができる。また、金属元素を含む膜162にドーパント159に適用可能な元素(リン(P)、ホウ素(B)など)を含ませてもよい。なお、本実施の形態において金属元素を含む膜162は導電性を有する。   The film 162 containing a metal element includes aluminum (Al), indium (In), titanium (Ti), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), zinc (Zn) hafnium (Hf), and tantalum (Ta ), Lanthanum (La), barium (Ba), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and nickel (Ni), a metal film containing one or more metal elements can be used. Alternatively, the film 162 containing a metal element may contain an element applicable to the dopant 159 (such as phosphorus (P) or boron (B)). Note that in this embodiment, the film 162 containing a metal element has conductivity.

金属元素を含む膜162は、CVD法、スパッタリング法、MBE法、又はPLD法によって形成することができる。金属元素を含む膜162の膜厚は1nm以上30nm以下、好ましくは2nm以上5nm以下とすればよい。   The film 162 containing a metal element can be formed by a CVD method, a sputtering method, an MBE method, or a PLD method. The thickness of the film 162 containing a metal element may be 1 nm to 30 nm, preferably 2 nm to 5 nm.

本実施の形態では、金属元素を含む膜162として膜厚5nmのアルミニウム膜をスパッタリング法によって形成する。   In this embodiment, an aluminum film with a thickness of 5 nm is formed as the film 162 containing a metal element by a sputtering method.

次に、金属元素を含む膜162が一対の領域108a、108bに接した状態で加熱処理をし、金属元素を含む膜162に含まれる金属元素の一部を一対の領域108a、108bに拡散させる(図4(B)参照)。当該加熱処理は、一対の領域108a、108bの金属元素を含む膜162と接している領域に当該金属元素の一部が拡散し、当該領域を低抵抗化する。なお、金属元素を含む膜162にドーパント159に適用可能な元素が含まれている場合は、当該元素の一部も一対の領域108a、108bに拡散する。   Next, heat treatment is performed in a state where the film 162 containing a metal element is in contact with the pair of regions 108a and 108b, and part of the metal element contained in the film 162 containing a metal element is diffused into the pair of regions 108a and 108b. (See FIG. 4B). In the heat treatment, part of the metal element diffuses into a region in contact with the film 162 containing the metal element in the pair of regions 108a and 108b, and the resistance of the region is reduced. Note that in the case where the film 162 containing a metal element contains an element applicable to the dopant 159, part of the element also diffuses into the pair of regions 108a and 108b.

当該加熱処理により、一対の領域108a、108bと同抵抗である一対の第2の領域109a、109bと、一対の領域108a、108bより低抵抗領域である一対の第3の領域111a、111bを形成することができる。   By the heat treatment, a pair of second regions 109a and 109b having the same resistance as the pair of regions 108a and 108b and a pair of third regions 111a and 111b that are lower resistance regions than the pair of regions 108a and 108b are formed. can do.

当該加熱処理は、酸素雰囲気下ではなく、窒素雰囲気下又は希ガス雰囲気下で行うことが好ましい。なお、減圧雰囲気下でも行うことできる。また、加熱温度は100℃以上700℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下とすればよい。   The heat treatment is preferably performed not in an oxygen atmosphere but in a nitrogen atmosphere or a rare gas atmosphere. Note that it can also be performed under a reduced pressure atmosphere. The heating temperature may be 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

例えば、加熱処理装置の一つである電気炉を用いて、金属元素を含む膜162及び酸化物半導体膜(第1の領域107及び一対の領域108a、108b)に対して窒素雰囲気下300℃において1時間の加熱処理を行う。   For example, using an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses, a film 162 containing a metal element and an oxide semiconductor film (the first region 107 and the pair of regions 108a and 108b) are formed at 300 ° C. in a nitrogen atmosphere. Heat treatment for 1 hour is performed.

当該加熱処理によって、金属元素を含む膜162の一対の領域108a、108bと接している領域、及び金属元素を含む膜162の下地絶縁膜103と接している領域は、一対の領域108a、108b、及び下地絶縁膜103に含まれる酸素によって酸化される。本実施の形態では、金属元素を含む膜162にアルミニウムを用いているため、一対の領域108a、108b及び下地絶縁膜103と接している領域は、当該加熱処理によって酸化アルミニウムとなる。当該酸化された領域は、代表的には図4(B)に示した領域106である。また、当該加熱処理による酸化は、第1の領域107に含まれる酸素によっても行われるといえるが、一対の領域108a、108bのサイドウォール絶縁膜119と重畳している領域によって、第1の領域107に含まれる酸素が利用されることを抑制している。   By the heat treatment, the region in contact with the pair of regions 108a and 108b of the film 162 containing a metal element and the region in contact with the base insulating film 103 of the film 162 containing a metal element are paired with the pair of regions 108a and 108b, And oxidized by oxygen contained in the base insulating film 103. In this embodiment mode, aluminum is used for the film 162 containing a metal element; therefore, the region in contact with the pair of regions 108a and 108b and the base insulating film 103 becomes aluminum oxide by the heat treatment. The oxidized region is typically the region 106 shown in FIG. In addition, although it can be said that the oxidation by the heat treatment is also performed by oxygen contained in the first region 107, the first region is formed by a region overlapping with the sidewall insulating films 119 of the pair of regions 108a and 108b. The use of oxygen contained in 107 is suppressed.

また、当該加熱処理を、酸素雰囲気下で加熱処理を行った場合、金属元素を含む膜162の表面からの酸化が支配的に進むと予想できる。それゆえ、一対の領域108a、108bの金属元素を含む膜162と接している領域に金属元素を十分に拡散させて低抵抗化させる前に、金属元素を含む膜162が十分に酸化されることで金属元素を拡散させることができず、当該領域を均一且つ十分に低抵抗化することが困難になると予想できる。   Further, when the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, it can be expected that oxidation from the surface of the film 162 containing a metal element proceeds dominantly. Therefore, the metal element-containing film 162 is sufficiently oxidized before the metal element is sufficiently diffused into the region in contact with the metal element-containing film 162 in the pair of regions 108a and 108b to reduce the resistance. Therefore, it can be expected that the metal element cannot be diffused and it becomes difficult to uniformly and sufficiently reduce the resistance of the region.

一方、当該加熱処理を窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下又は減圧雰囲気下で行う場合、金属元素を含む膜162は、一対の領域108a、108bと接している界面から酸化するため、酸素雰囲気下で行う場合より金属元素を含む膜162が酸化される速度が遅く、また、金属元素を含む膜162全体が酸化することがないために、一対の領域108a、108bの金属元素を含む膜162と接している領域に金属元素を均一且つ十分に拡散させることができ、均一且つ十分に低抵抗化された一対の第3の領域111a、111bを形成することができる。従って、良好な電気特性を有するトランジスタを歩留まり高く作製することができる。   On the other hand, in the case where the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, a rare gas atmosphere, or a reduced-pressure atmosphere, the film 162 containing a metal element is oxidized from an interface in contact with the pair of regions 108a and 108b; Since the rate of oxidation of the film 162 containing a metal element is slower than in the case of performing the process, and the entire film 162 containing a metal element is not oxidized, the film 162 containing the metal element in the pair of regions 108a and 108b is in contact with the film 162. The metal element can be uniformly and sufficiently diffused in the region, and the pair of third regions 111a and 111b having a uniform and sufficiently low resistance can be formed. Accordingly, a transistor having favorable electrical characteristics can be manufactured with high yield.

このように、均一且つ十分に低抵抗化された一対の第3の領域111a、111bを形成することできるため、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の第3の領域111a、111bと、電界緩和領域として機能する一対の第2の領域109a、109bをサイドウォール絶縁膜119形成後にドーパントを注入する工程を行って、これらの領域を形成する方法より簡易且つ短時間に形成することができる。従って、良好な電気特性を有するトランジスタを生産性高く作製することができる。   In this manner, since the pair of third regions 111a and 111b with uniform and sufficiently low resistance can be formed, the pair of third regions 111a and 111b functioning as a source region and a drain region, and electric field relaxation The pair of second regions 109a and 109b functioning as regions can be formed more easily and in a shorter time than the method of forming these regions by performing a step of implanting a dopant after forming the sidewall insulating film 119. Therefore, a transistor having favorable electric characteristics can be manufactured with high productivity.

なお、金属元素を含む膜162を形成し、加熱処理をする前後の少なくとも一方で、上記一対の領域108a、108bを形成するために行ったドーパント159の注入工程を行ってもよい。ここでのドーパント159は上記列挙した元素とすればよいが、希ガス元素など、質量の大きな元素とすることが好ましい。例えば、ドーパント159をアルゴンとし、金属元素を含む膜162を透過してアルゴンを注入すると、金属元素を含む膜162の金属元素もドーパント159に押し込まれて酸化物半導体膜に注入される。さらに、ドーパント159を含む酸化物半導体膜のアルゴンが注入された領域は、非晶質化する場合がある。このように非晶質化した状態で、加熱処理が行われると、第1の領域107に含まれる水素又は水分が酸化物半導体膜の非晶質化した領域に移動しやすくなる(ゲッタリング)。これにより、第1の領域107は高純度化され、非晶質化された領域はさらに低抵抗化する。   Note that the step of implanting the dopant 159 performed to form the pair of regions 108a and 108b may be performed at least before and after the film 162 containing a metal element is formed and heat treatment is performed. The dopant 159 here may be any of the elements listed above, but is preferably an element having a large mass such as a rare gas element. For example, when the dopant 159 is argon and argon is injected through the film 162 containing a metal element, the metal element of the film 162 containing a metal element is also pushed into the dopant 159 and injected into the oxide semiconductor film. Further, the region into which the argon in the oxide semiconductor film including the dopant 159 is implanted may be amorphous. When heat treatment is performed in such an amorphous state, hydrogen or moisture contained in the first region 107 easily moves to the amorphous region of the oxide semiconductor film (gettering). . Thus, the first region 107 is highly purified, and the amorphous region is further reduced in resistance.

次に、エッチング工程により、酸化した領域を有する金属元素を含む膜162を除去する(図4(C)参照)。当該エッチング工程は、当該酸化した領域は金属元素を含む膜162の他の領域に比べて、前記酸化した領域を有する金属元素を含む膜及び前記酸化物半導体膜のエッチングガス又はエッチャントに対するエッチング速度の違いを利用して行うことが好ましいため、エッチングガス又はエッチャントを適宜選択して行う。なお、エッチングガスを用いるドライエッチングは、金属元素を含む膜162の種類によって、金属元素を含む膜162を選択的に除去することができないことがある。例えば、金属元素を含む膜162にチタン膜を用いた場合、フッ素系のエッチングガスを用いたドライエッチングで金属元素を含む膜162を選択的に除去することが可能であるが、本実施の形態のように、金属元素を含む膜162にアルミニウムを用いた場合、ドライエッチングでは金属元素を含む膜162を選択的に除去するのが難しい。また、金属元素を含む膜162に酸化された領域を有すると、当該領域のみエッチング速度が変化するため、選択的に金属元素を含む膜162を除去することが難しい。また、ウェットエッチングは、ドライエッチングに比べて酸化物半導体膜105の種類や組成によってエッチング速度が変わる傾向にある。例えば、上記列挙した種類の酸化物半導体膜のアンモニア過水溶液に対するエッチング速度は、金属元素を含む膜162の過水アンモニア水に対するエッチング速度より遅い。また、In−Ga系酸化物はフッ酸系のエッチャントに対するエッチング速度が非常に遅く、金属元素を含む膜162とのエッチング速度に差を有する。従って、当該エッチング工程は、ウェットエッチング行うことが好ましい。   Next, the film 162 containing a metal element having an oxidized region is removed by an etching step (see FIG. 4C). In the etching step, the oxidized region has a higher etching rate with respect to an etching gas or an etchant of the film containing the metal element and the oxide semiconductor film having the oxidized region than the other region of the film 162 containing the metal element. Since it is preferable to use the difference, an etching gas or an etchant is selected as appropriate. Note that in dry etching using an etching gas, the film 162 containing a metal element may not be selectively removed depending on the type of the film 162 containing a metal element. For example, in the case where a titanium film is used for the film 162 containing a metal element, the film 162 containing a metal element can be selectively removed by dry etching using a fluorine-based etching gas. As described above, when aluminum is used for the film 162 containing a metal element, it is difficult to selectively remove the film 162 containing a metal element by dry etching. In addition, when an oxidized region is included in the film 162 containing a metal element, it is difficult to selectively remove the film 162 containing a metal element because only the region changes the etching rate. In addition, wet etching tends to change the etching rate depending on the type and composition of the oxide semiconductor film 105 as compared with dry etching. For example, the etching rate of the above-listed types of oxide semiconductor films with respect to the aqueous ammonia solution is slower than the etching rate of the film 162 containing a metal element with respect to the aqueous ammonia solution. Further, the etching rate of the In—Ga-based oxide with respect to the hydrofluoric acid-based etchant is extremely low, and there is a difference in etching rate with the film 162 containing a metal element. Therefore, the etching process is preferably performed by wet etching.

金属元素を含む膜162を形成した後に行う加熱処理は、窒素雰囲気下又は希ガス雰囲気下で行い、金属元素を含む膜162は一対の領域108a、108bと接する領域から酸化されるため、金属元素を含む膜162のすべてが酸化される訳でない。そこで、本エッチング工程を行うことで、金属元素を含む膜162の酸化されていない領域がすべて除去されるため、トランジスタ100において、当該酸化されていない領域を介してソース電極127a及びドレイン電極127b間が導通することを防ぐことができる。   The heat treatment performed after the formation of the film 162 containing a metal element is performed in a nitrogen atmosphere or a rare gas atmosphere, and the film 162 containing a metal element is oxidized from a region in contact with the pair of regions 108a and 108b. Not all of the film 162 containing the material is oxidized. Therefore, by performing this etching step, all the non-oxidized regions of the film 162 containing a metal element are removed; therefore, in the transistor 100, between the source electrode 127a and the drain electrode 127b through the non-oxidized region. Can be prevented from conducting.

次に、下地絶縁膜103、一対の第3の領域111a、111b、ゲート絶縁膜116、サイドウォール絶縁膜119及びゲート電極117を覆って絶縁性を有する金属酸化膜121を形成する(図4(D)参照)。   Next, an insulating metal oxide film 121 is formed to cover the base insulating film 103, the pair of third regions 111a and 111b, the gate insulating film 116, the sidewall insulating film 119, and the gate electrode 117 (FIG. 4 ( D)).

絶縁性を有する金属酸化膜121は、絶縁性を有する金属酸化膜157と同様にして形成する。特に緻密性の高い無機絶縁膜で形成されていることが好ましく、絶縁性を有する金属酸化膜121は、5nm以上200nm以下、より好ましくは5nm以上100nm以下とするとよく、本実施の形態では、スパッタリング法で酸化アルミニウム膜を70nm形成する。   The metal oxide film 121 having an insulating property is formed in the same manner as the metal oxide film 157 having an insulating property. In particular, the metal oxide film 121 having an insulating property is preferably formed to have a thickness of 5 nm to 200 nm, more preferably 5 nm to 100 nm. In this embodiment mode, sputtering is preferably performed using a highly dense inorganic insulating film. An aluminum oxide film is formed to 70 nm by this method.

本実施の形態のように、金属元素を含む膜162を除去し、絶縁性を有する金属酸化膜121を形成する工程は、以下のような利点を有する。例えば、金属元素を含む膜162が一対の領域108a、108bに接した状態で行う加熱処理によって、金属元素を含む膜162のすべてが酸化されず、金属元素を含む膜162の一部に導電性を有する領域が残った場合、当該領域を介して、後に形成するソース電極127a及びドレイン電極127bが導通し、トランジスタとして機能しない可能性がある。それゆえ、形成した金属元素を含む膜162を除去し、再度、絶縁性を有する金属酸化膜121を形成することでソース電極127a及びドレイン電極127bを電気的に分離することができ、歩留まり高くトランジスタ100を作製することができる。   The step of removing the film 162 containing a metal element and forming the insulating metal oxide film 121 as in this embodiment has the following advantages. For example, by heat treatment performed in a state where the film 162 containing a metal element is in contact with the pair of regions 108a and 108b, the entire film 162 containing a metal element is not oxidized, and a part of the film 162 containing a metal element is electrically conductive. In the case where a region having a gate electrode remains, a source electrode 127a and a drain electrode 127b which are to be formed later are brought into conduction through the region and may not function as a transistor. Therefore, the source electrode 127a and the drain electrode 127b can be electrically separated by removing the formed film 162 containing a metal element and forming the insulating metal oxide film 121 again, so that a transistor with high yield can be obtained. 100 can be made.

次に、絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123を形成する(図5(A)参照)。層間絶縁膜123は、下地絶縁膜103と同様にして形成すればよい。本実施の形態では、プラズマCVD法で形成した酸化窒化シリコンを400nm形成する。   Next, an interlayer insulating film 123 is formed over the insulating metal oxide film 121 (see FIG. 5A). The interlayer insulating film 123 may be formed in the same manner as the base insulating film 103. In this embodiment, 400 nm of silicon oxynitride formed by a plasma CVD method is formed.

少なくとも絶縁性を有する金属酸化膜121を形成した後に、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、下地絶縁膜103上に酸化物半導体膜154を形成した後に行う加熱処理と同様にして行うことができる。当該加熱処理によって、下地絶縁膜103及びゲート絶縁膜116に含まれる酸素を含む絶縁膜113に含まれる酸素の一部が、下地絶縁膜103と酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)の界面、酸素を含む絶縁膜113と酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)の界面、及び、酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)に供給され、それぞれの界面における界面準位密度を低減し、且つ、酸化物半導体膜105(特に第1の領域107)中の酸素欠損を修復することができる。   Heat treatment is preferably performed after the metal oxide film 121 having insulating properties is formed. The heat treatment can be performed in a manner similar to that performed after the oxide semiconductor film 154 is formed over the base insulating film 103. By the heat treatment, part of oxygen contained in the insulating film 113 containing oxygen contained in the base insulating film 103 and the gate insulating film 116 is converted into the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 105 (particularly, the first region 107). , An interface between the insulating film 113 containing oxygen and the oxide semiconductor film 105 (especially the first region 107), and an interface at each interface supplied to the oxide semiconductor film 105 (especially the first region 107) The level density can be reduced and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 105 (in particular, the first region 107) can be repaired.

また、絶縁性を有する金属酸化膜121は、下地絶縁膜103及び酸素を含む絶縁膜113に含まれる酸素が外部に放出されることを防止する効果を有するため、効率よく且つ十分に当該界面準位密度を低減することができ、且つ、当該酸素欠損を修復するができる。それゆえ、トランジスタ100は、トランジスタの動作などに起因して、下地絶縁膜103及び酸素を含む絶縁膜113と酸化物半導体膜105との界面にキャリアが捕獲されることを抑制されており、信頼性に優れたトランジスタとなる。また、トランジスタ100は、酸素欠損に起因した電子が低減されており、良好な電気特性を有するトランジスタとなる。また、絶縁性を有する金属酸化膜121は、外気の水素、水分などの不純物が外部から侵入することを防止する効果も有することから、トランジスタ100は信頼性に優れたトランジスタとなる。なお、当該加熱処理で層間絶縁膜123に含まれる水素や水分は除去される。   Further, the metal oxide film 121 having an insulating property has an effect of preventing the oxygen contained in the base insulating film 103 and the insulating film 113 containing oxygen from being released to the outside. The density of potential can be reduced and the oxygen deficiency can be repaired. Therefore, the transistor 100 is prevented from trapping carriers at the interface between the base insulating film 103 and the insulating film 113 containing oxygen and the oxide semiconductor film 105 due to operation of the transistor and the like. It becomes a transistor with excellent properties. In addition, the transistor 100 is a transistor having favorable electric characteristics because electrons due to oxygen deficiency are reduced. Further, since the metal oxide film 121 having an insulating property has an effect of preventing impurities such as hydrogen and moisture from the outside from entering from the outside, the transistor 100 is a highly reliable transistor. Note that hydrogen and moisture contained in the interlayer insulating film 123 are removed by the heat treatment.

次に、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123に、一対の第3の領域111a、111bに達する開口125a、125bを形成する(図5(B)参照)。当該開口125a、125bに、導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によって、ソース電極127a及びドレイン電極127bを形成する(図1(B)参照)。なお、ソース電極127a又はドレイン電極127bは、それぞれソース配線又はドレイン配線としても機能する。当該導電膜は、ゲート電極117に加工される導電膜158と同様にして形成すればよい。   Next, openings 125 a and 125 b reaching the pair of third regions 111 a and 111 b are formed in the insulating metal oxide film 121 and the interlayer insulating film 123 (see FIG. 5B). A conductive film is formed in the openings 125a and 125b, and a source electrode 127a and a drain electrode 127b are formed by a photolithography process and an etching process (see FIG. 1B). Note that the source electrode 127a or the drain electrode 127b also functions as a source wiring or a drain wiring, respectively. The conductive film may be formed in the same manner as the conductive film 158 processed into the gate electrode 117.

また、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために層間絶縁膜123上に平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂などの有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。   Further, a planarization insulating film may be formed over the interlayer insulating film 123 in order to reduce surface unevenness due to the transistor. As the planarization insulating film, an organic material such as polyimide, acrylic, or benzocyclobutene resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. Note that the planarization insulating film may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials.

上記トランジスタ100の作製方法では、サイドウォール絶縁膜119を形成する際にゲート電極117が露出するように絶縁膜161の一部を除去するため、ゲート電極117が膜減りする可能性がある。そこで、ゲート電極117に加工される導電膜158上に絶縁膜170を形成する(図6(A)参照)。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、ゲート電極117及びゲート電極117の上面に接するゲート電極保護膜122を形成する(図6(B)参照)。以降は、上記トランジスタ100の作製方法と同様の工程を行う。なお、絶縁膜170はサイドウォール絶縁膜119に加工される絶縁膜161とはエッチングガスに対するエッチング速度が異なる種類の絶縁膜、ここでは、絶縁膜161よりエッチング速度が遅い絶縁膜を用いて形成する。本実施の形態では、絶縁膜161は窒化絶縁膜を用いていることから、絶縁膜170は酸化絶縁膜、絶縁性を有する金属酸化膜、又は絶縁性を有する金属窒化膜を用いることが好ましい。絶縁膜161を加工してサイドウォール絶縁膜119を形成する際に、ゲート電極保護膜122がエッチングストッパー膜として機能するために、ゲート電極117の膜減りを抑制することができる。この作製方法によって、作製されたトランジスタの断面図を図6(C)に示す。   In the method for manufacturing the transistor 100, part of the insulating film 161 is removed so that the gate electrode 117 is exposed when the sidewall insulating film 119 is formed, so that the gate electrode 117 may be thinned. Therefore, an insulating film 170 is formed over the conductive film 158 processed into the gate electrode 117 (see FIG. 6A). After that, a gate electrode 117 and a gate electrode protective film 122 in contact with the upper surface of the gate electrode 117 are formed by a photolithography process and an etching process (see FIG. 6B). Thereafter, steps similar to those for the method for manufacturing the transistor 100 are performed. Note that the insulating film 170 is formed using an insulating film having a different etching rate with respect to an etching gas from the insulating film 161 processed into the sidewall insulating film 119, here, an insulating film having an etching rate slower than that of the insulating film 161. . In this embodiment mode, a nitride insulating film is used as the insulating film 161; therefore, the insulating film 170 is preferably formed using an oxide insulating film, an insulating metal oxide film, or an insulating metal nitride film. When the insulating film 161 is processed to form the sidewall insulating film 119, the gate electrode protective film 122 functions as an etching stopper film, so that the film loss of the gate electrode 117 can be suppressed. A cross-sectional view of a transistor manufactured by this manufacturing method is illustrated in FIG.

以上により、外気による電気特性劣化が抑制されたトランジスタを歩留まり高く、作製することができる。また、本発明の一態様により、酸化物半導体膜にチャネル形成領域と抵抗率差を有する2つの領域が設けられ、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減でき、高いオン特性を有する、酸化物半導体を用いたトランジスタを提供することができる、そして、当該トランジスタは高速応答及び高速駆動の可能なトランジスタであることから、当該トランジスタを用いて高性能の半導体装置を作製することができる。   Through the above steps, a transistor in which deterioration of electrical characteristics due to outside air is suppressed can be manufactured with high yield. In addition, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film is provided with two regions having a difference in resistivity from a channel formation region, so that contact resistance with a source electrode and a drain electrode can be reduced, and high oxidation characteristics are obtained. A transistor using a physical semiconductor can be provided. Since the transistor can respond at high speed and can be driven at high speed, a high-performance semiconductor device can be manufactured using the transistor.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で説明したトランジスタとは作製方法が一部異なるトランジスタについて説明する。本実施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態1で説明したトランジスタとはゲート電極及びサイドウォール絶縁膜の形状及び形成方法が異なる。本発明の一態様のトランジスタは、ゲート電極が略三角形の形状であってもよく、サイドウォール絶縁膜は少なくともゲート電極の側面に接し、ゲート電極を覆う形状であってもよい。そこで、本実施の形態は、実施の形態1で用いた図面及び説明を適宜用いることができるものとし、重複する説明は省略することがある。なお、本実施の形態で説明するトランジスタは、ゲート電極幅が概ね数百nm以下の微細なトランジスタを想定している。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a transistor whose manufacturing method is partly different from the transistor described in Embodiment 1 will be described. The transistor described in this embodiment is different from the transistor described in Embodiment 1 in the shape and formation method of the gate electrode and the sidewall insulating film. In the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode may have a substantially triangular shape, and the sidewall insulating film may be in contact with at least the side surface of the gate electrode and cover the gate electrode. Therefore, in this embodiment, the drawings and description used in Embodiment 1 can be used as appropriate, and redundant description may be omitted. Note that the transistor described in this embodiment assumes a fine transistor with a gate electrode width of approximately several hundred nm or less.

ゲート電極に加工される導電膜158を形成する工程までは、実施の形態1と同様である(図2(A)乃至図2(D)参照)。   The process up to the step of forming the conductive film 158 to be processed into the gate electrode is similar to that in Embodiment Mode 1 (see FIGS. 2A to 2D).

次に、幅の狭いゲート電極を形成するため、所望のゲート電極幅より幅の広いレジストマスク163を形成する(図7(A)参照)。レジストマスク163は実施の形態1と同様にフォトリソグラフィ工程又はインクジェット法などで形成できる。   Next, in order to form a narrow gate electrode, a resist mask 163 wider than a desired gate electrode width is formed (see FIG. 7A). The resist mask 163 can be formed by a photolithography process, an inkjet method, or the like as in Embodiment 1.

本実施の形態では、次に、ゲート電極幅を狭くするために、酸素プラズマによりレジストマスク163を縮小し、所望のゲート電極幅を有するレジストマスク164を形成する(図6(B)参照)。   Next, in this embodiment mode, in order to reduce the gate electrode width, the resist mask 163 is reduced by oxygen plasma to form a resist mask 164 having a desired gate electrode width (see FIG. 6B).

次に、レジストマスク164を用いたエッチング工程により、導電膜158を加工し、ゲート電極169を形成する(図7(C)参照)。エッチング工程によって、導電膜158の一部だけではなくレジストマスク164も除去されるため、レジストマスク164と重畳する導電膜158の一部が除去される。従って、本実施の形態で示すように非常に微細なトランジスタにおいて、ゲート電極169は図7(C)のように略三角形状となる。   Next, the conductive film 158 is processed by an etching process using the resist mask 164 to form the gate electrode 169 (see FIG. 7C). By the etching process, not only the conductive film 158 but also the resist mask 164 is removed, so that the conductive film 158 overlapping with the resist mask 164 is removed. Therefore, as shown in this embodiment, in a very fine transistor, the gate electrode 169 has a substantially triangular shape as illustrated in FIG.

次に、ゲート電極169をマスクに用いて、ドーパント159を酸化物半導体膜155に注入する(図8(A)参照)。ドーパント159を注入する工程に関する説明は、実施の形態1と同様である。   Next, using the gate electrode 169 as a mask, a dopant 159 is implanted into the oxide semiconductor film 155 (see FIG. 8A). The description regarding the step of implanting the dopant 159 is the same as that in the first embodiment.

次に、絶縁膜161を形成し、絶縁膜161上にレジストマスク171を形成する(図8(B)参照)。絶縁膜161は、実施の形態1と同様に絶縁膜161を形成した(図3(B)参照)後、CMP法などの研磨処理又はドライエッチング処理によるエッチバック処理によって、絶縁膜161の表面を平坦化した絶縁膜である。絶縁膜161のように表面が平坦化されていることで、レジストマスク171をゲート電極幅の狭いゲート電極169に対して精度良く形成することができる。   Next, an insulating film 161 is formed, and a resist mask 171 is formed over the insulating film 161 (see FIG. 8B). After the insulating film 161 is formed in a manner similar to that of Embodiment 1 (see FIG. 3B), the surface of the insulating film 161 is etched by a polishing process such as a CMP method or an etch back process by a dry etching process. It is a planarized insulating film. Since the surface is planarized like the insulating film 161, the resist mask 171 can be accurately formed with respect to the gate electrode 169 having a narrow gate electrode width.

次に、レジストマスク171を用いて、絶縁膜161を加工しサイドウォール絶縁膜119と、酸素を含む絶縁膜156及び絶縁性を有する金属酸化膜157を加工して、酸素を含む絶縁膜113及び絶縁性を有する金属酸化膜115を有するゲート絶縁膜116を形成する(図8(C)参照)。本実施の形態では、レジストマスクを用いてサイドウォール絶縁膜を形成するため、実施の形態1でのサイドウォール絶縁膜とは形状が異なる。具体的には、サイドウォール絶縁膜は少なくともゲート電極の側面に接し、ゲート電極を覆う形状である。   Next, the insulating film 161 is processed using the resist mask 171 to process the sidewall insulating film 119, the insulating film 156 containing oxygen, and the metal oxide film 157 having an insulating property, and the insulating film 113 containing oxygen and A gate insulating film 116 having an insulating metal oxide film 115 is formed (see FIG. 8C). In this embodiment mode, since the sidewall insulating film is formed using a resist mask, the shape is different from that of the sidewall insulating film in Embodiment Mode 1. Specifically, the sidewall insulating film is in contact with at least the side surface of the gate electrode and covers the gate electrode.

次に、下地絶縁膜103、一対の領域108a、108b、ゲート絶縁膜116、サイドウォール絶縁膜119を覆って金属元素を含む膜162を形成した後、金属元素を含む膜162が一対の領域108a、108bに接した状態で加熱処理をし、金属元素を含む膜162に含まれる金属元素の一部を、図8(C)に示す一対の領域108a、108bに拡散させる(図9(A)参照)。   Next, a film 162 containing a metal element is formed so as to cover the base insulating film 103, the pair of regions 108a and 108b, the gate insulating film 116, and the sidewall insulating film 119, and then the film 162 containing a metal element is formed into the pair of regions 108a. , 108b is heated and part of the metal element contained in the film 162 containing the metal element is diffused into the pair of regions 108a and 108b shown in FIG. 8C (FIG. 9A). reference).

当該加熱処理により、一対の領域108a、108bと同抵抗である一対の第2の領域109a、109bと、一対の領域108a、108bより低抵抗領域である一対の第3の領域111a、111bを形成することができる。なお、金属元素を含む膜162、及び金属元素を含む膜162が一対の領域108a、108bに接した状態で行う加熱処理に関する説明は、実施の形態1と同様である。なお、当該加熱処理により酸化された領域は、代表的には図9(A)に示した領域106である。   By the heat treatment, a pair of second regions 109a and 109b having the same resistance as the pair of regions 108a and 108b and a pair of third regions 111a and 111b that are lower resistance regions than the pair of regions 108a and 108b are formed. can do. Note that the description of the heat treatment performed in a state where the film 162 containing a metal element and the film 162 containing a metal element are in contact with the pair of regions 108a and 108b is similar to that in Embodiment 1. Note that the region oxidized by the heat treatment is typically the region 106 illustrated in FIG.

次に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、酸化した領域を有する金属元素を含む膜162を除去し、再び、下地絶縁膜103、一対の第3の領域111a、111b、ゲート絶縁膜116、サイドウォール絶縁膜119及びゲート電極117を覆って絶縁性を有する金属酸化膜121を形成する(図9(B)参照)。   Next, the film 162 containing a metal element having an oxidized region is removed by a photolithography process and an etching process, and the base insulating film 103, the pair of third regions 111a and 111b, the gate insulating film 116, and the sidewalls are formed again. An insulating metal oxide film 121 is formed so as to cover the insulating film 119 and the gate electrode 117 (see FIG. 9B).

酸化した領域を有する金属元素を含む膜162を除去する工程、及び絶縁性を有する金属酸化膜121を形成する工程に関する説明は実施の形態1と同様である。   The description of the step of removing the film 162 containing the metal element having the oxidized region and the step of forming the metal oxide film 121 having an insulating property is the same as in Embodiment Mode 1.

以降は、実施の形態1と同様の工程を行う。具体的には、絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123を形成し、好ましくは、少なくとも絶縁性を有する金属酸化膜121を形成した後に加熱処理を行う。絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123に、一対の第3の領域111a、111bに達する開口125a、125bを形成し、当該開口125a、125bにソース電極127a及びドレイン電極127bを形成する(図9(C)参照)。   Thereafter, the same process as in the first embodiment is performed. Specifically, an interlayer insulating film 123 is formed over the insulating metal oxide film 121, and preferably, heat treatment is performed after at least the insulating metal oxide film 121 is formed. Openings 125a and 125b reaching the pair of third regions 111a and 111b are formed in the insulating metal oxide film 121 and the interlayer insulating film 123, and the source electrode 127a and the drain electrode 127b are formed in the openings 125a and 125b. (See FIG. 9C).

本実施の形態で説明した作製方法を用いることで、ゲート電極幅が狭いトランジスタにおいても、酸化物半導体膜に電界緩和領域、ソース領域及びドレイン領域をセルフアラインに形成するためのサイドウォール絶縁膜を歩留まり高く形成することができる。   By using the manufacturing method described in this embodiment, a sidewall insulating film for self-aligning an electric field relaxation region, a source region, and a drain region in an oxide semiconductor film can be formed even in a transistor with a narrow gate electrode width. It can be formed with a high yield.

以上により、外気による電気特性劣化が抑制されたトランジスタを歩留まり高く、作製することができる。また、本発明の一態様により、酸化物半導体膜にチャネル形成領域と抵抗率差を有する2つの領域が設けられ、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減でき、高いオン特性を有する、酸化物半導体を用いたトランジスタを提供することができる、そして、当該トランジスタは高速応答及び高速駆動の可能なトランジスタであることから、当該トランジスタを用いて高性能の半導体装置を作製することができる。   Through the above steps, a transistor in which deterioration of electrical characteristics due to outside air is suppressed can be manufactured with high yield. In addition, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film is provided with two regions having a difference in resistivity from a channel formation region, so that contact resistance with a source electrode and a drain electrode can be reduced, and high oxidation characteristics are obtained. A transistor using a physical semiconductor can be provided. Since the transistor can respond at high speed and can be driven at high speed, a high-performance semiconductor device can be manufactured using the transistor.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
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とは作製方法が一部異なるトランジスタについて説明する。従って、本実施の形態は、先の実施の形態で用いた図面及び説明を適宜用いることができるものとし、重複する説明は省略することがある。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a transistor whose manufacturing method is partly different from the transistor described in the above embodiment will be described. Therefore, in this embodiment, the drawings and description used in the above embodiment can be used as appropriate, and redundant description may be omitted.

〈トランジスタの構成例〉
図10(A)及び図10(B)に、トランジスタ200の上面図及び断面図を示す。図10(A)はトランジスタ200の上面図であり、図10(B)は、図10(A)の一点鎖線A−B間の断面図である。なお、図10(A)では、明瞭化のため、トランジスタ200の構成要素の一部(例えば、基板101、下地絶縁膜103、及びゲート絶縁膜116など)を省略している。
<Example of transistor configuration>
10A and 10B are a top view and a cross-sectional view of the transistor 200. FIG. 10A is a top view of the transistor 200, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A-B in FIG. 10A. Note that in FIG. 10A, some components of the transistor 200 (eg, the substrate 101, the base insulating film 103, and the gate insulating film 116) are omitted for clarity.

図10(A)及び図10(B)より、トランジスタ200は、基板101上に下地絶縁膜103が設けられており、下地絶縁膜103上にソース電極127a及びドレイン電極127bが設けられており、ソース電極127a及びドレイン電極127bの一部に接する酸化物半導体膜105が下地絶縁膜103上に設けられており、酸化物半導体膜105上にゲート絶縁膜116が設けられており、ゲート絶縁膜116上の酸化物半導体膜105と重畳する領域にゲート電極117が設けられており、ゲート絶縁膜116及びゲート電極117に接するサイドウォール絶縁膜119が設けられており、下地絶縁膜103、酸化物半導体膜105の一部、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117及びサイドウォール絶縁膜119に接する絶縁性を有する金属酸化膜121が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123に形成された開口125a、125bを介して、ソース電極127a及びドレイン電極127bに接するソース配線327a及びドレイン配線327bが設けられている。なお、下地絶縁膜103及び層間絶縁膜123は、設けなくてもよい。   10A and 10B, in the transistor 200, the base insulating film 103 is provided over the substrate 101, and the source electrode 127a and the drain electrode 127b are provided over the base insulating film 103. An oxide semiconductor film 105 in contact with part of the source electrode 127a and the drain electrode 127b is provided over the base insulating film 103, a gate insulating film 116 is provided over the oxide semiconductor film 105, and the gate insulating film 116 is provided. A gate electrode 117 is provided in a region overlapping with the upper oxide semiconductor film 105, a gate insulating film 116 and a sidewall insulating film 119 in contact with the gate electrode 117 are provided, a base insulating film 103, and an oxide semiconductor Insulating property in contact with part of the film 105, the gate insulating film 116, the gate electrode 117, and the sidewall insulating film 119 The metal oxide film 121 is provided, the interlayer insulating film 123 is provided over the insulating metal oxide film 121, and the opening 125 a formed in the insulating metal oxide film 121 and the interlayer insulating film 123. , 125b, a source wiring 327a and a drain wiring 327b which are in contact with the source electrode 127a and the drain electrode 127b are provided. Note that the base insulating film 103 and the interlayer insulating film 123 are not necessarily provided.

トランジスタ200における、基板101、下地絶縁膜103、酸化物半導体膜105、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117、サイドウォール絶縁膜119、絶縁性を有する金属酸化膜121、層間絶縁膜123、ソース電極127a及びドレイン電極127bの詳細は、トランジスタ100と同様である。   In the transistor 200, the substrate 101, the base insulating film 103, the oxide semiconductor film 105, the gate insulating film 116, the gate electrode 117, the sidewall insulating film 119, the insulating metal oxide film 121, the interlayer insulating film 123, and the source electrode 127a. The details of the drain electrode 127 b are the same as those of the transistor 100.

ソース配線327a及びドレイン配線327bは、ソース電極127a及びドレイン電極127bの引き回し配線として設けられており、ソース電極127a及びドレイン電極127bと電気的に接続されている。   The source wiring 327a and the drain wiring 327b are provided as lead wirings for the source electrode 127a and the drain electrode 127b, and are electrically connected to the source electrode 127a and the drain electrode 127b.

〈トランジスタの作製方法〉
次に、トランジスタ200の作製方法について、図面を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Transistor>
Next, a method for manufacturing the transistor 200 is described with reference to drawings.

まず、基板101を準備し、基板101上に下地絶縁膜103を形成し、下地絶縁膜103上にソース電極127a及びドレイン電極127bを形成する(図11(A)参照)。   First, the substrate 101 is prepared, the base insulating film 103 is formed over the substrate 101, and the source electrode 127a and the drain electrode 127b are formed over the base insulating film 103 (see FIG. 11A).

基板101は実施の形態1に記載した種類の中から選択し、下地絶縁膜103は実施の形態1と同様にして形成することができる。   The substrate 101 can be selected from the types described in Embodiment Mode 1, and the base insulating film 103 can be formed in the same manner as in Embodiment Mode 1.

ソース電極127a及びドレイン電極127bは、実施の形態1に列挙した材料及び方法を適宜用いて形成する。   The source electrode 127a and the drain electrode 127b are formed as appropriate by using the materials and methods listed in Embodiment 1.

以降の工程は、トランジスタ100の作製方法と同様である。酸化物半導体膜155を形成し(図11(B)参照)、酸素を含む絶縁膜156及び絶縁性を有する金属酸化膜157、並びにゲート電極117を形成した後、ゲート電極117をマスクとして用いて、ドーパント159を酸化物半導体膜155に注入して、第1の領域107及び一対の領域108a、108bを形成し(図11(C)参照)、酸素を含む絶縁膜113及び絶縁性を有する金属酸化膜115を有するゲート絶縁膜116、並びにサイドウォール絶縁膜119を形成し(図11(D)参照)、少なくとも一対の領域108a、108bを覆って金属元素を含む膜162を形成した後、加熱処理をして酸化物半導体膜105を形成し(図12(A)参照)、金属元素を含む膜162を除去し、絶縁性を有する金属酸化膜121を形成し(図12(B))、層間絶縁膜123を形成し、開口125a、開口125bを形成し(図12(D)参照)、開口125a、開口125bにソース配線327a及びドレイン配線327bを形成することでトランジスタ200を作製することができる(図10(B)参照)。   The subsequent steps are similar to those for the method for manufacturing the transistor 100. An oxide semiconductor film 155 is formed (see FIG. 11B), an insulating film 156 containing oxygen, an insulating metal oxide film 157, and a gate electrode 117 are formed, and then the gate electrode 117 is used as a mask. The dopant 159 is injected into the oxide semiconductor film 155 to form the first region 107 and the pair of regions 108a and 108b (see FIG. 11C), the insulating film 113 containing oxygen, and the insulating metal. A gate insulating film 116 having an oxide film 115 and a sidewall insulating film 119 are formed (see FIG. 11D), and a film 162 containing a metal element is formed to cover at least the pair of regions 108a and 108b, and then heated. The oxide semiconductor film 105 is formed by treatment (see FIG. 12A), the film 162 containing a metal element is removed, and an insulating metal oxide film 121 is formed. (FIG. 12B), an interlayer insulating film 123 is formed, an opening 125a and an opening 125b are formed (see FIG. 12D), and a source wiring 327a and a drain wiring 327b are formed in the opening 125a and the opening 125b. Thus, the transistor 200 can be manufactured (see FIG. 10B).

また、実施の形態1と同様に適宜、加熱処理を行うことができる。例えば、酸化物半導体膜155に加工する前の酸化物半導体膜に加熱処理を行うことや、少なくとも絶縁性を有する金属酸化膜121を形成した後に加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜の脱水素化又は脱水化が生じ、酸化物半導体膜中の酸素欠損を修復できるため、良好な電気特性を有するトランジスタ200を作製することができる。   Further, heat treatment can be performed as appropriate as in Embodiment 1. For example, heat treatment is preferably performed on the oxide semiconductor film before being processed into the oxide semiconductor film 155, or heat treatment is performed after the metal oxide film 121 having at least an insulating property is formed. By performing the heat treatment, dehydrogenation or dehydration of the oxide semiconductor film occurs and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be repaired; thus, the transistor 200 having favorable electrical characteristics can be manufactured.

上記トランジスタ200の作製方法では、サイドウォール絶縁膜119を形成する際にゲート電極117が露出するように絶縁膜161の一部を除去するため、ゲート電極117が膜減りする可能性がある。そこで、ゲート電極117に加工される導電膜158上に絶縁膜170を形成する(図13(A)参照)。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、ゲート電極117及びゲート電極117の上面に接するゲート電極保護膜122を形成する(図13(B)参照)。以降は、上記トランジスタ200の作製方法と同様の工程を行う。なお、絶縁膜170はサイドウォール絶縁膜119に加工される絶縁膜161とはエッチングガスに対するエッチング速度が異なる種類の絶縁膜、ここでは、絶縁膜161よりエッチング速度が遅い絶縁膜を用いて形成する。本実施の形態では、絶縁膜161は窒化絶縁膜を用いていることから、絶縁膜170は酸化絶縁膜、絶縁性を有する金属酸化膜、又は絶縁性を有する金属窒化膜を用いることが好ましい。絶縁膜161を加工してサイドウォール絶縁膜119を形成する際に、ゲート電極保護膜122がエッチングストッパー膜として機能するために、ゲート電極117の膜減りを抑制することができる。この作製方法によって、作製されたトランジスタの断面図を図13(C)に示す。   In the method for manufacturing the transistor 200, when the sidewall insulating film 119 is formed, part of the insulating film 161 is removed so that the gate electrode 117 is exposed, and thus the gate electrode 117 may be reduced in thickness. Therefore, an insulating film 170 is formed over the conductive film 158 processed into the gate electrode 117 (see FIG. 13A). After that, a gate electrode 117 and a gate electrode protective film 122 in contact with the upper surface of the gate electrode 117 are formed by a photolithography process and an etching process (see FIG. 13B). After that, the same process as the manufacturing method of the transistor 200 is performed. Note that the insulating film 170 is formed using an insulating film having a different etching rate with respect to an etching gas from the insulating film 161 processed into the sidewall insulating film 119, here, an insulating film having an etching rate slower than that of the insulating film 161. . In this embodiment mode, a nitride insulating film is used as the insulating film 161; therefore, the insulating film 170 is preferably formed using an oxide insulating film, an insulating metal oxide film, or an insulating metal nitride film. When the insulating film 161 is processed to form the sidewall insulating film 119, the gate electrode protective film 122 functions as an etching stopper film, so that the film loss of the gate electrode 117 can be suppressed. A cross-sectional view of a transistor manufactured by this manufacturing method is illustrated in FIG.

以上により、外気による電気特性劣化が抑制されたトランジスタを歩留まり高く、作製することができる。また、本発明の一態様により、酸化物半導体膜にチャネル形成領域と抵抗率差を有する2つの領域が設けられ、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減でき、高いオン特性を有する、酸化物半導体を用いたトランジスタを提供することができる、そして、当該トランジスタは高速応答及び高速駆動の可能なトランジスタであることから、当該トランジスタを用いて高性能の半導体装置を作製することができる。   Through the above steps, a transistor in which deterioration of electrical characteristics due to outside air is suppressed can be manufactured with high yield. In addition, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film is provided with two regions having a difference in resistivity from a channel formation region, so that contact resistance with a source electrode and a drain electrode can be reduced, and high oxidation characteristics are obtained. A transistor using a physical semiconductor can be provided. Since the transistor can respond at high speed and can be driven at high speed, a high-performance semiconductor device can be manufactured using the transistor.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
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とは作製方法が一部異なるトランジスタについて説明する。従って、本実施の形態は、先の実施の形態で用いた図面及び説明を適宜用いることができるものとし、重複する説明は省略することがある。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a transistor whose manufacturing method is partly different from the transistor described in the above embodiment will be described. Therefore, in this embodiment, the drawings and description used in the above embodiment can be used as appropriate, and redundant description may be omitted.

〈トランジスタの構成例〉
図14(A)及び図14(B)に、トランジスタ300の上面図及び断面図を示す。図14(A)はトランジスタ300の上面図であり、図14(B)は、図14(A)の一点鎖線A−B間の断面図である。なお、図14(A)では、明瞭化のため、トランジスタ300の構成要素の一部(例えば、基板101、下地絶縁膜103、及びゲート絶縁膜116など)を省略している。
<Example of transistor configuration>
14A and 14B are a top view and a cross-sectional view of the transistor 300. FIG. 14A is a top view of the transistor 300, and FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A-B in FIG. Note that in FIG. 14A, some components of the transistor 300 (eg, the substrate 101, the base insulating film 103, and the gate insulating film 116) are omitted for clarity.

図14(A)及び図14(B)より、トランジスタ300は、基板101上に下地絶縁膜103が設けられており、下地絶縁膜103上に酸化物半導体膜105が設けられており、酸化物半導体膜105上にゲート絶縁膜116が設けられており、ゲート絶縁膜116上の酸化物半導体膜105と重畳する領域にゲート電極117が設けられており、ゲート絶縁膜116及びゲート電極117に接するサイドウォール絶縁膜119が設けられており、下地絶縁膜103、酸化物半導体膜105の一部、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117及びサイドウォール絶縁膜119に接するソース電極127a及びドレイン電極127bが設けられており、ソース電極127a及びドレイン電極127b上に絶縁性を有する金属酸化膜121が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123、層間絶縁膜124が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121、層間絶縁膜123及び層間絶縁膜124に形成された開口125a、125bを介して、ソース電極127a及びドレイン電極127bに接するソース配線327a及びドレイン配線327bが設けられている。なお、下地絶縁膜103及び層間絶縁膜124は、設けなくてもよい。   14A and 14B, the transistor 300 includes a base insulating film 103 provided over a substrate 101, an oxide semiconductor film 105 provided over the base insulating film 103, and an oxide semiconductor film. A gate insulating film 116 is provided over the semiconductor film 105, a gate electrode 117 is provided in a region overlapping with the oxide semiconductor film 105 over the gate insulating film 116, and is in contact with the gate insulating film 116 and the gate electrode 117. A sidewall insulating film 119 is provided, and a base insulating film 103, a part of the oxide semiconductor film 105, a gate insulating film 116, a gate electrode 117, and a source electrode 127a and a drain electrode 127b in contact with the sidewall insulating film 119 are provided. An insulating metal oxide film 121 is provided on the source electrode 127a and the drain electrode 127b. An interlayer insulating film 123 and an interlayer insulating film 124 are provided on the insulating metal oxide film 121, and are formed on the insulating metal oxide film 121, the interlayer insulating film 123, and the interlayer insulating film 124. A source wiring 327a and a drain wiring 327b that are in contact with the source electrode 127a and the drain electrode 127b are provided through the openings 125a and 125b. Note that the base insulating film 103 and the interlayer insulating film 124 are not necessarily provided.

トランジスタ300は、トランジスタ100と比較して、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の第3の領域111a、111bに直接、絶縁性を有する金属酸化膜121が接しておらず、ソース電極127a及びドレイン電極127b上に絶縁性を有する金属酸化膜121が設けられている。   Compared with the transistor 100, the transistor 300 does not have the insulating metal oxide film 121 in direct contact with the pair of third regions 111a and 111b functioning as a source region and a drain region. An insulating metal oxide film 121 is provided over the electrode 127b.

トランジスタ100では、開口125a、開口125bは一対の第3の領域111a、111bに重畳して設ける必要があるが、トランジスタ300は、開口125a、開口125bを第3の領域111a、111bに重畳して設ける必要はなく、ソース電極127a及びドレイン電極127bの第3の領域111a、111bと接していない領域に重畳して設けられていてもよい。例えば、トランジスタを集積化する際、開口125a、開口125bを形成するための加工精度が低い場合でも、歩留まり高くトランジスタを集積化することができる。   In the transistor 100, the opening 125a and the opening 125b need to overlap with the pair of third regions 111a and 111b. In the transistor 300, the opening 125a and the opening 125b overlap with the third regions 111a and 111b. It is not necessary to provide it, and the source electrode 127a and the drain electrode 127b may be provided so as to overlap with regions that are not in contact with the third regions 111a and 111b. For example, when transistors are integrated, the transistors can be integrated with high yield even when the processing accuracy for forming the openings 125a and 125b is low.

トランジスタ300における、基板101、下地絶縁膜103、酸化物半導体膜105、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117、サイドウォール絶縁膜119、絶縁性を有する金属酸化膜121、層間絶縁膜123、ソース電極127a及びドレイン電極127bの詳細は、トランジスタ100と同様である。なお、層間絶縁膜124は、層間絶縁膜123と同様である。   In the transistor 300, the substrate 101, the base insulating film 103, the oxide semiconductor film 105, the gate insulating film 116, the gate electrode 117, the sidewall insulating film 119, the insulating metal oxide film 121, the interlayer insulating film 123, and the source electrode 127a. The details of the drain electrode 127 b are the same as those of the transistor 100. Note that the interlayer insulating film 124 is similar to the interlayer insulating film 123.

ソース配線327a及びドレイン配線327bは、ソース電極127a及びドレイン電極127bの引き回し配線として設けられており、ソース電極127a及びドレイン電極127bと電気的に接続されている。   The source wiring 327a and the drain wiring 327b are provided as lead wirings for the source electrode 127a and the drain electrode 127b, and are electrically connected to the source electrode 127a and the drain electrode 127b.

〈トランジスタの作製方法〉
次に、トランジスタ300の作製方法について、図面を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Transistor>
Next, a method for manufacturing the transistor 300 is described with reference to drawings.

基板101上に下地絶縁膜103を形成する工程からサイドウォール絶縁膜119を形成する工程まで、実施の形態1と同様にして行う(図2(A)乃至図3(D)参照)。   The steps from the step of forming the base insulating film 103 over the substrate 101 to the step of forming the sidewall insulating film 119 are performed in a manner similar to that of Embodiment 1 (see FIGS. 2A to 3D).

次に、下地絶縁膜103、一対の第3の領域111a、111b、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117、及びサイドウォール絶縁膜119上に、ソース電極127a及びドレイン電極127bに加工される導電膜179を形成する(図15(A)参照)。導電膜179は、ゲート電極117に加工される導電膜158と同様である。   Next, the conductive film 179 processed into the source electrode 127a and the drain electrode 127b over the base insulating film 103, the pair of third regions 111a and 111b, the gate insulating film 116, the gate electrode 117, and the sidewall insulating film 119. (See FIG. 15A). The conductive film 179 is similar to the conductive film 158 processed into the gate electrode 117.

次に、実施の形態1と同様にして、導電膜179上に絶縁性を有する金属酸化膜121を形成する(図15(B)参照)。   Next, in a manner similar to that in Embodiment 1, an insulating metal oxide film 121 is formed over the conductive film 179 (see FIG. 15B).

次に、実施の形態1と同様にして、絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123を形成する(図15(C)参照)。   Next, as in Embodiment 1, an interlayer insulating film 123 is formed over the insulating metal oxide film 121 (see FIG. 15C).

次に、少なくとも、導電膜179、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123を、CMP法などの研磨処理又はドライエッチング処理によるエッチバック処理によって、ゲート電極117を露出させる(図16(A)参照)。これにより、導電膜179をソース電極127a及びドレイン電極127bに加工することができ、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123は平坦化される。ソース電極127a及びドレイン電極127bが電気的に分離できるように、導電膜179、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123の他に、ゲート電極117及びサイドウォール絶縁膜119の一部を除去してもよい。   Next, at least the conductive film 179, the insulating metal oxide film 121, and the interlayer insulating film 123 are exposed by an etch-back process using a polishing process such as a CMP method or a dry etching process (FIG. 16 ( A)). Accordingly, the conductive film 179 can be processed into the source electrode 127a and the drain electrode 127b, and the metal oxide film 121 and the interlayer insulating film 123 having insulating properties are planarized. In addition to the conductive film 179, the insulating metal oxide film 121, and the interlayer insulating film 123, a part of the gate electrode 117 and the sidewall insulating film 119 is formed so that the source electrode 127a and the drain electrode 127b can be electrically separated. It may be removed.

次に、平坦化した絶縁性を有する金属酸化膜121、平坦化した層間絶縁膜123、サイドウォール絶縁膜119、及びゲート電極117上に層間絶縁膜124を形成する。なお、層間絶縁膜124は、層間絶縁膜123と同様である。   Next, an interlayer insulating film 124 is formed over the planarized insulating metal oxide film 121, the planarized interlayer insulating film 123, the sidewall insulating film 119, and the gate electrode 117. Note that the interlayer insulating film 124 is similar to the interlayer insulating film 123.

平坦化した絶縁性を有する金属酸化膜121、平坦化した層間絶縁膜123、及び層間絶縁膜124に、ソース電極127a及びドレイン電極127bに達する開口125a、開口125bを形成し、開口125a、開口125bにソース配線327a及びドレイン配線327bを形成することでトランジスタ300を作製することができる(図16(C)参照)。   Openings 125a and 125b reaching the source electrode 127a and the drain electrode 127b are formed in the planarized insulating metal oxide film 121, the planarized interlayer insulating film 123, and the interlayer insulating film 124, and the openings 125a and 125b are formed. The transistor 300 can be manufactured by forming the source wiring 327a and the drain wiring 327b (see FIG. 16C).

また、実施の形態1と同様に適宜、加熱処理を行うことができる。例えば、酸化物半導体膜155に加工する前の酸化物半導体膜に加熱処理を行うことや、酸素を含む絶縁膜156で酸化物半導体膜155を覆った後に加熱処理を行うことや、少なくとも絶縁性を有する金属酸化膜121を形成した後に加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜の脱水素化又は脱水化が生じ、酸化物半導体膜中の酸素欠損を修復できるため、良好な電気特性を有するトランジスタ300を作製することができる。   Further, heat treatment can be performed as appropriate as in Embodiment 1. For example, heat treatment is performed on the oxide semiconductor film before being processed into the oxide semiconductor film 155, heat treatment is performed after the oxide semiconductor film 155 is covered with the insulating film 156 containing oxygen, or at least insulating property It is preferable to perform heat treatment after the metal oxide film 121 having n is formed. By performing the heat treatment, dehydrogenation or dehydration of the oxide semiconductor film occurs and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be repaired; thus, the transistor 300 having favorable electrical characteristics can be manufactured.

また、トランジスタ300は、トランジスタ100及びトランジスタ200と同様にサイドウォール絶縁膜119を形成する際にゲート電極117が膜減りすることを抑制するために、ゲート電極117上にゲート電極保護膜を設ける構成であってもよい。なお、当該ゲート電極保護膜は、トランジスタ100及びトランジスタ200と同様にして形成することができる。   Further, the transistor 300 has a structure in which a gate electrode protective film is provided over the gate electrode 117 in order to prevent the gate electrode 117 from being reduced when the sidewall insulating film 119 is formed as in the transistors 100 and 200. It may be. Note that the gate electrode protective film can be formed in a manner similar to that of the transistor 100 and the transistor 200.

トランジスタ300を概ね数百nm以下のゲート電極幅が狭いトランジスタとする場合、以下のようにして作製することができる。   In the case where the transistor 300 is a transistor having a narrow gate electrode width of approximately several hundred nm or less, the transistor 300 can be manufactured as follows.

基板101上に下地絶縁膜103を形成する工程からサイドウォール絶縁膜119を形成する工程まで、実施の形態2と同様にして行う(図2(A)乃至図2(D)、及び図7(A)乃至図8(C)参照)。   The process from the step of forming the base insulating film 103 over the substrate 101 to the step of forming the sidewall insulating film 119 is performed in a manner similar to that of Embodiment 2 (FIGS. 2A to 2D and FIG. 7). A) to FIG. 8C).

以降は、上記工程と同様の工程を行う。具体的には、下地絶縁膜103、一対の第3の領域111a、111b、ゲート絶縁膜116、ゲート電極117、及びサイドウォール絶縁膜119上に、ソース電極127a及びドレイン電極127bに加工される導電膜179を形成する(図17(A)参照)。導電膜179上に絶縁性を有する金属酸化膜121を形成する(図17(B)参照)。絶縁性を有する金属酸化膜121上に層間絶縁膜123を形成する(図15(C)参照)。少なくとも、導電膜179、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123を、CMP法などの研磨処理又はドライエッチング処理によるエッチバック処理によって、ゲート電極117を露出させて、ソース電極127a及びドレイン電極127bを形成する(図18(A)参照)。平坦化した絶縁性を有する金属酸化膜121、平坦化した層間絶縁膜123、サイドウォール絶縁膜119、及びゲート電極117上に層間絶縁膜184を形成する(図18(B)参照)。平坦化した絶縁性を有する金属酸化膜121、平坦化した層間絶縁膜123、及び層間絶縁膜184に、ソース電極127a及びドレイン電極127bに達する開口を形成し、開口125a、開口125bにソース配線327a及びドレイン配線327bを形成する(図18(C)参照)。   Thereafter, the same process as the above process is performed. Specifically, the conductive material processed into the source electrode 127a and the drain electrode 127b over the base insulating film 103, the pair of third regions 111a and 111b, the gate insulating film 116, the gate electrode 117, and the sidewall insulating film 119. A film 179 is formed (see FIG. 17A). An insulating metal oxide film 121 is formed over the conductive film 179 (see FIG. 17B). An interlayer insulating film 123 is formed over the insulating metal oxide film 121 (see FIG. 15C). At least the conductive film 179, the insulating metal oxide film 121, and the interlayer insulating film 123 are exposed by an etch-back process using a polishing process such as a CMP method or a dry etching process, and the source electrode 127 a and the drain are exposed. The electrode 127b is formed (see FIG. 18A). An interlayer insulating film 184 is formed over the planarized insulating metal oxide film 121, the planarized interlayer insulating film 123, the sidewall insulating film 119, and the gate electrode 117 (see FIG. 18B). Openings reaching the source electrode 127a and the drain electrode 127b are formed in the planarized insulating metal oxide film 121, the planarized interlayer insulating film 123, and the interlayer insulating film 184, and the source wiring 327a is formed in the openings 125a and 125b. Then, a drain wiring 327b is formed (see FIG. 18C).

また、実施の形態1と同様に適宜、加熱処理を行うことができる。例えば、酸化物半導体膜155に加工する前の酸化物半導体膜に加熱処理を行うことや、酸素を含む絶縁膜156で酸化物半導体膜155を覆った後に加熱処理を行うことや、少なくとも絶縁性を有する金属酸化膜121を形成した後に加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜の脱水素化又は脱水化が生じ、酸化物半導体膜中の酸素欠損を修復できるため、良好な電気特性を有するトランジスタ300を作製することができる。   Further, heat treatment can be performed as appropriate as in Embodiment 1. For example, heat treatment is performed on the oxide semiconductor film before being processed into the oxide semiconductor film 155, heat treatment is performed after the oxide semiconductor film 155 is covered with the insulating film 156 containing oxygen, or at least insulating property It is preferable to perform heat treatment after the metal oxide film 121 having n is formed. By performing the heat treatment, dehydrogenation or dehydration of the oxide semiconductor film occurs and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be repaired; thus, the transistor 300 having favorable electrical characteristics can be manufactured.

本実施の形態で説明した作製方法を用いることで、ゲート電極幅が狭いトランジスタにおいても、酸化物半導体膜に電界緩和領域、ソース領域及びドレイン領域をセルフアラインに形成するためのサイドウォール絶縁膜を歩留まり高く形成することができる。   By using the manufacturing method described in this embodiment, a sidewall insulating film for self-aligning an electric field relaxation region, a source region, and a drain region in an oxide semiconductor film can be formed even in a transistor with a narrow gate electrode width. It can be formed with a high yield.

以上により、外気による電気特性劣化が抑制されたトランジスタを歩留まり高く、作製することができる。また、本発明の一態様により、酸化物半導体膜にチャネル形成領域と抵抗率差を有する2つの領域が設けられ、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減でき、高いオン特性を有する、酸化物半導体を用いたトランジスタを提供することができる、そして、当該トランジスタは高速応答及び高速駆動の可能なトランジスタであることから、当該トランジスタを用いて高性能の半導体装置を作製することができる。   Through the above steps, a transistor in which deterioration of electrical characteristics due to outside air is suppressed can be manufactured with high yield. In addition, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film is provided with two regions having a difference in resistivity from a channel formation region, so that contact resistance with a source electrode and a drain electrode can be reduced, and high oxidation characteristics are obtained. A transistor using a physical semiconductor can be provided. Since the transistor can respond at high speed and can be driven at high speed, a high-performance semiconductor device can be manufactured using the transistor.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタを適用した半導体装置について説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例として記憶媒体(メモリ素子)を示し、先の実施の形態で用いた符号を適宜用いて説明する。また、以降の本実施の形態において、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタが適用可能なトランジスタには、図面にOSと記す。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a semiconductor device to which the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 is applied will be described. Note that in this embodiment, a storage medium (memory element) is illustrated as an example of a semiconductor device, and description is made by using the reference numerals used in the above embodiments as appropriate. Further, in the following embodiment, a transistor to which the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 can be applied is denoted as OS in the drawing.

当該半導体装置は、単結晶半導体基板に作製された第1のトランジスタと、絶縁膜を介して第1のトランジスタの上方に、半導体膜を用いて作製された第2のトランジスタ及び容量素子と、を有する。   The semiconductor device includes a first transistor manufactured over a single crystal semiconductor substrate, a second transistor manufactured using a semiconductor film and a capacitor over the first transistor with an insulating film interposed therebetween. Have.

また、積層する、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタの半導体材料、及び構造は、同一でもよいし異なっていてもよい。ここでは、当該半導体装置の回路に好適な材料及び構造のトランジスタをそれぞれ用いる例について説明する。   In addition, the semiconductor materials and structures of the first transistor and the second transistor to be stacked may be the same or different. Here, an example in which transistors each having a material and structure suitable for a circuit of the semiconductor device are used will be described.

当該第2のトランジスタとしては、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタを用いることができる。なお、当該第2のトランジスタとして用いるトランジスタの構造に応じて、第1のトランジスタ及び容量の積層関係、並びに接続関係を適宜変更する。本実施の形態では、第2のトランジスタにトランジスタ200を用いる例について説明する。   As the second transistor, the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 can be used. Note that the stacking relation and connection relation of the first transistor and the capacitor are changed as appropriate depending on the structure of the transistor used as the second transistor. In this embodiment, an example in which the transistor 200 is used as the second transistor is described.

図19は、半導体装置の構成例である。図19(A)には、当該半導体装置の断面を、図19(B)には、当該半導体装置の平面を、それぞれ示す。なお、図19(A)は、図19(B)のC1−C2及びD1−D2における断面に相当する。なお、図19(B)では、明瞭化のため、半導体装置の構成要素の一部(例えば、基板401、絶縁膜419、絶縁膜423、絶縁膜425、下地絶縁膜103、ゲート絶縁膜116、サイドウォール絶縁膜119など)を省略している。   FIG. 19 illustrates a configuration example of a semiconductor device. FIG. 19A illustrates a cross section of the semiconductor device, and FIG. 19B illustrates a plan view of the semiconductor device. Note that FIG. 19A corresponds to a cross section taken along lines C1-C2 and D1-D2 in FIG. Note that in FIG. 19B, some components of the semiconductor device (for example, the substrate 401, the insulating film 419, the insulating film 423, the insulating film 425, the base insulating film 103, the gate insulating film 116, Side wall insulating films 119 and the like are omitted.

また、図19(C)には、当該半導体装置の回路図の一例を示す。図19(A)及び図19(B)に示した半導体装置に好適な材料及び構造として、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ400を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ200及び容量素子450を有する。本実施の形態において、第1の半導体材料は酸化物半導体以外の半導体材料であり、第2の半導体材料は酸化物半導体である。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、又はガリウムヒ素などを用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好ましい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。他に、酸化物半導体以外の半導体材料として有機半導体材料などを用いてもよい。酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。   FIG. 19C illustrates an example of a circuit diagram of the semiconductor device. As a material and a structure suitable for the semiconductor device illustrated in FIGS. 19A and 19B, the transistor 400 using the first semiconductor material is provided in the lower portion, and the second semiconductor material is used in the upper portion. A transistor 200 and a capacitor 450 are included. In this embodiment, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor, and the second semiconductor material is an oxide semiconductor. As a semiconductor material other than an oxide semiconductor, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used, and a single crystal semiconductor is preferably used. A transistor using such a semiconductor material can operate at a sufficiently high speed. In addition, an organic semiconductor material or the like may be used as a semiconductor material other than an oxide semiconductor. A transistor including an oxide semiconductor can hold charge for a long time due to its characteristics.

図19における半導体装置の作製方法を図19(A)乃至図19(C)を用いて説明する。   A method for manufacturing the semiconductor device in FIGS. 19A to 19C is described with reference to FIGS.

トランジスタ400は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板401に設けられたチャネル形成領域407と、チャネル形成領域407を挟むように設けられた不純物領域402a、402bと、不純物領域402a、402bに接する金属間化合物領域403a、403bと、チャネル形成領域407上に設けられたゲート絶縁膜405と、ゲート絶縁膜405上に設けられたゲート電極417とを有する。   The transistor 400 includes a channel formation region 407 provided in a substrate 401 containing a semiconductor material (eg, silicon), impurity regions 402a and 402b provided so as to sandwich the channel formation region 407, and impurity regions 402a and 402b. It has intermetallic compound regions 403 a and 403 b that are in contact with each other, a gate insulating film 405 provided over the channel formation region 407, and a gate electrode 417 provided over the gate insulating film 405.

半導体材料を含む基板401は、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することができる。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体膜が設けられた構成の基板をいうが、本明細書などにおいては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「SOI基板」が有する半導体膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。   As the substrate 401 containing a semiconductor material, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used. In general, an “SOI substrate” refers to a substrate having a structure in which a silicon semiconductor film is provided on an insulating surface. In this specification and the like, a semiconductor film made of a material other than silicon is provided on an insulating surface. Also includes a substrate of construction. That is, the semiconductor film included in the “SOI substrate” is not limited to the silicon semiconductor film. The SOI substrate includes a substrate in which a semiconductor film is provided over an insulating substrate such as a glass substrate with an insulating film interposed therebetween.

SOI基板の作製方法としては、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体膜を形成する方法等を用いることができる。   As a method for manufacturing an SOI substrate, oxygen ions are implanted into a mirror-polished wafer and then heated at a high temperature to form an oxide layer at a certain depth from the surface and to eliminate defects generated in the surface layer. A method, a method of cleaving a semiconductor substrate using growth by heat treatment of microvoids formed by hydrogen ion irradiation, a method of forming a single crystal semiconductor film by crystal growth on an insulating surface, or the like can be used.

例えば、単結晶半導体基板の一つの面からイオンを添加して、単結晶半導体基板の一つの面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、又は素子基板上のどちらか一方に絶縁膜を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁膜を挟んで重ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体膜として単結晶半導体膜を素子基板上に形成する。上記方法を用いて作製されたSOI基板も好適に用いることができる。   For example, ions are added from one surface of a single crystal semiconductor substrate to form a weakened layer at a certain depth from one surface of the single crystal semiconductor substrate, and one element of the single crystal semiconductor substrate or element An insulating film is formed on one of the substrates. In a state where the single crystal semiconductor substrate and the element substrate are overlapped with an insulating film interposed therebetween, a crack is generated in the weakened layer, and heat treatment is performed to separate the single crystal semiconductor substrate with the weakened layer, and the semiconductor is removed from the single crystal semiconductor substrate. A single crystal semiconductor film is formed over the element substrate as a film. An SOI substrate manufactured by using the above method can also be preferably used.

基板401上にはトランジスタ400を囲むように素子分離絶縁膜406が設けられている(図19(B)参照)。なお、高集積化を実現するためには、トランジスタ400にサイドウォール絶縁膜を設けない構造とすることが望ましい。一方で、トランジスタ400の電気特性を重視する場合には、ゲート電極417の側面にサイドウォール絶縁膜を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域を設けてもよい。   An element isolation insulating film 406 is provided over the substrate 401 so as to surround the transistor 400 (see FIG. 19B). Note that in order to achieve high integration, the transistor 400 preferably has a structure in which a sidewall insulating film is not provided. On the other hand, when importance is attached to the electric characteristics of the transistor 400, a sidewall insulating film may be provided on a side surface of the gate electrode 417 and an impurity region including regions having different impurity concentrations may be provided.

単結晶半導体基板を用いたトランジスタ400は、高速動作が可能である。このため、トランジスタ400を読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ400を覆うように絶縁膜を複数層形成する。トランジスタ200及び容量素子450の形成前の処理として、複数層の絶縁膜にCMP処理を施して、平坦化した絶縁膜423、絶縁膜425を形成し、さらに、トランジスタ200の下地絶縁膜として機能する下地絶縁膜103を形成し、同時にゲート電極417の上面を露出させる。   The transistor 400 using a single crystal semiconductor substrate can operate at high speed. Therefore, by using the transistor 400 as a reading transistor, information can be read at high speed. A plurality of insulating films are formed so as to cover the transistor 400. As a treatment before the formation of the transistor 200 and the capacitor 450, CMP treatment is performed on a plurality of insulating films to form planarized insulating films 423 and 425 and further function as a base insulating film of the transistor 200. A base insulating film 103 is formed, and at the same time, the upper surface of the gate electrode 417 is exposed.

絶縁膜419、絶縁膜423、絶縁膜425は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁膜423、絶縁膜425は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。   The insulating film 419, the insulating film 423, and the insulating film 425 are typically a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, an aluminum oxynitride film, a silicon nitride film, an aluminum nitride film, a silicon nitride oxide film, and a nitrided oxide film. An inorganic insulating film such as an aluminum film can be used. The insulating films 423 and 425 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

また、絶縁膜419、絶縁膜423、絶縁膜425には、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂などの有機材料を用いることができる。上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いることができる。絶縁膜423、絶縁膜425に有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって形成してもよい。   The insulating film 419, the insulating film 423, and the insulating film 425 can be formed using an organic material such as polyimide, an acrylic resin, or a benzocyclobutene resin. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. In the case where an organic material is used for the insulating films 423 and 425, they may be formed by a wet method such as a spin coating method or a printing method.

なお、絶縁膜425には窒化シリコン膜を用いて、窒素雰囲気下で450℃以上650℃以下の加熱処理を行うことが好ましい。このようにすることで、当該窒化シリコン膜に含まれる水素をトランジスタ400に供給することができ、トランジスタ400の半導体材料を水素化することができる。また、絶縁膜425に窒化シリコン膜を用いることで、トランジスタ200及び容量素子450の作製工程中に、トランジスタ400や絶縁膜423に含まれる水素が侵入することを抑制できる。   Note that a silicon nitride film is preferably used as the insulating film 425 and heat treatment is performed at 450 ° C. to 650 ° C. in a nitrogen atmosphere. Thus, hydrogen contained in the silicon nitride film can be supplied to the transistor 400, and the semiconductor material of the transistor 400 can be hydrogenated. In addition, when a silicon nitride film is used for the insulating film 425, intrusion of hydrogen contained in the transistor 400 and the insulating film 423 during the manufacturing process of the transistor 200 and the capacitor 450 can be suppressed.

本実施の形態では、絶縁膜419としてCVD法により膜厚50nmの酸化窒化シリコン膜を形成し、絶縁膜423としてスパッタリング法により膜厚550nmの酸化シリコン膜を形成、絶縁膜425としてCVD法により膜厚50nmの窒化シリコン膜を形成する。   In this embodiment, a 50-nm-thick silicon oxynitride film is formed as the insulating film 419 by a CVD method, a 550-nm-thick silicon oxide film is formed as the insulating film 423 by a sputtering method, and a silicon oxide film is formed as the insulating film 425 by a CVD method. A silicon nitride film having a thickness of 50 nm is formed.

絶縁膜425上にトランジスタ200及び容量素子450を作製する。トランジスタ200は先の実施の形態で説明を参照して作製することができる(図10乃至図12参照)。   The transistor 200 and the capacitor 450 are formed over the insulating film 425. The transistor 200 can be manufactured with reference to the description in the above embodiment (see FIGS. 10 to 12).

また、本実施の形態の半導体装置は、トランジスタ200の作製工程を利用して容量素子450を作製するため、容量素子450をトランジスタ200と同一平面上に形成することができる。従って、別途、容量素子450を作製する工程を省くことができるため、半導体装置の生産性を向上させることや、作製コストを低減することができる。   Further, since the capacitor 450 is manufactured using the manufacturing process of the transistor 200 in the semiconductor device of this embodiment, the capacitor 450 can be formed over the same plane as the transistor 200. Accordingly, a process for manufacturing the capacitor 450 can be omitted, so that productivity of the semiconductor device can be improved and manufacturing cost can be reduced.

容量素子450は、一方の電極としてトランジスタ200のソース電極127aを用いており、誘電体としてトランジスタ200のゲート絶縁膜116を用いており、他方の電極としてトランジスタ200のゲート電極117を用いている。なお、トランジスタ200のサイドウォール絶縁膜119を自己整合的に形成する場合、容量素子450の当該他方の電極にも、トランジスタ200のサイドウォール絶縁膜119と同様の絶縁膜が形成される。   In the capacitor 450, the source electrode 127a of the transistor 200 is used as one electrode, the gate insulating film 116 of the transistor 200 is used as a dielectric, and the gate electrode 117 of the transistor 200 is used as the other electrode. Note that in the case where the sidewall insulating film 119 of the transistor 200 is formed in a self-aligned manner, an insulating film similar to the sidewall insulating film 119 of the transistor 200 is formed over the other electrode of the capacitor 450.

トランジスタ200は、チャネル長方向にチャネル形成領域として機能する第1の領域107を挟んで、第1の領域107より低抵抗領域である一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bを有する酸化物半導体膜105を有することにより、トランジスタ200はオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。   The transistor 200 includes a pair of second regions 109a and 109b and a pair of third regions which are lower resistance regions than the first region 107 with the first region 107 functioning as a channel formation region in the channel length direction. With the oxide semiconductor film 105 including 111a and 111b, the transistor 200 has high on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility), and thus high-speed operation and high-speed response are possible.

また、一対の第2の領域109a、109bは、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる電界緩和領域として機能する。一対の第3の領域111a、111bはソース領域、又はドレイン領域として機能する。酸化物半導体膜105の中で、一対の第3領域111a、111bが一番低抵抗であり、ソース電極127a及びドレイン電極127bとの接触抵抗を低減することができる。従って、トランジスタ200のオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。   In addition, the pair of second regions 109a and 109b functions as an electric field relaxation region capable of relaxing an electric field applied to the channel formation region. The pair of third regions 111a and 111b functions as a source region or a drain region. In the oxide semiconductor film 105, the pair of third regions 111a and 111b has the lowest resistance, and the contact resistance with the source electrode 127a and the drain electrode 127b can be reduced. Accordingly, the on-characteristics (eg, on-current and field-effect mobility) of the transistor 200 are high, and high speed operation and high speed response are possible.

さらに、トランジスタ200及び容量素子450には、絶縁性を有する金属酸化膜121が設けられており、絶縁性を有する金属酸化膜121は外気に含まれる水素、水分などの不純物を通過させない機能を有することから、トランジスタ200及び容量素子450の信頼性が良好である。従って、本実施の形態に示す半導体装置は信頼性が良好な半導体装置である。   Further, the transistor 200 and the capacitor 450 are provided with an insulating metal oxide film 121, and the insulating metal oxide film 121 has a function of preventing impurities such as hydrogen and moisture contained in the outside air from passing therethrough. Therefore, the reliability of the transistor 200 and the capacitor 450 is favorable. Therefore, the semiconductor device described in this embodiment is a highly reliable semiconductor device.

また、配線427は、トランジスタ200のソース配線327a及びドレイン配線327bと同様にして形成すればよい。例えば、絶縁性を有する金属酸化膜121及び層間絶縁膜123にドレイン電極127bに達する開口を形成し、当該開口に配線427をトランジスタ200のソース配線327a及びドレイン配線327bと同様の方法で形成する。   The wiring 427 may be formed in a manner similar to that of the source wiring 327a and the drain wiring 327b of the transistor 200. For example, an opening reaching the drain electrode 127b is formed in the insulating metal oxide film 121 and the interlayer insulating film 123, and the wiring 427 is formed in the opening in the same manner as the source wiring 327a and the drain wiring 327b of the transistor 200.

以上より、トランジスタ400、トランジスタ200及び容量素子450を有する半導体装置を作製することできる。トランジスタ200は、高純度化し、酸素欠損が修復された酸化物半導体膜105を有するトランジスタである。よって、トランジスタ200は、電気特性の変動が抑制されたトランジスタである。   As described above, a semiconductor device including the transistor 400, the transistor 200, and the capacitor 450 can be manufactured. The transistor 200 is a transistor including the oxide semiconductor film 105 which is highly purified and in which oxygen vacancies are repaired. Therefore, the transistor 200 is a transistor in which variation in electrical characteristics is suppressed.

なお、容量素子450では、ゲート絶縁膜116により、絶縁性を十分に確保されている。例えば、容量素子450は、ゲート絶縁膜116の下に酸化物半導体膜105を有する構成の容量素子としてもよい。さらに、本実施の形態に示した半導体装置において、容量が不要の場合は、容量素子450を設けない構成の半導体装置とすることも可能である。   Note that the insulating property is sufficiently ensured by the gate insulating film 116 in the capacitor 450. For example, the capacitor 450 may be a capacitor having a structure in which the oxide semiconductor film 105 is provided under the gate insulating film 116. Further, in the semiconductor device described in this embodiment, when a capacitor is unnecessary, a semiconductor device having a structure in which the capacitor 450 is not provided can be used.

図19(C)には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図19(C)において、トランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の一方は、容量素子450の電極の一方、及び、トランジスタ400のゲート電極と電気的に接続されている。また、第1の配線(1st Line:ソース線とも呼ぶ。)は、トランジスタ400のソース電極と電気的に接続され、第2の配線(2nd Line:ビット線とも呼ぶ。)は、トランジスタ400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(3rd Line:第1の信号線とも呼ぶ。)は、トランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続され、第4の配線(4th Line:第2の信号線とも呼ぶ。)は、トランジスタ200のゲート電極と電気的に接続されている。そして、第5の配線(5th Line:ワード線とも呼ぶ。)は、容量素子450の電極の他方と電気的に接続されている。   FIG. 19C illustrates an example of a circuit diagram in the case where the above semiconductor device is used as a memory element. In FIG. 19C, one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 200 is electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 450 and the gate electrode of the transistor 400. The first wiring (1st Line: also referred to as a source line) is electrically connected to the source electrode of the transistor 400, and the second wiring (2nd Line: also referred to as a bit line) is connected to the drain of the transistor 400. It is electrically connected to the electrode. The third wiring (3rd Line: also referred to as a first signal line) is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 200, and the fourth wiring (4th Line: second signal). (Also referred to as a line) is electrically connected to the gate electrode of the transistor 200. A fifth wiring (5th Line: also referred to as a word line) is electrically connected to the other electrode of the capacitor 450.

酸化物半導体を用いたトランジスタ200は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有しているため、トランジスタ200をオフ状態とすることで、トランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の一方と、容量素子450の電極の一方と、トランジスタ400のゲート電極とが電気的に接続されたノード(以下、ノードFG)の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。そして、容量素子450を有することにより、ノードFGに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易になる。   Since the transistor 200 including an oxide semiconductor has a feature of extremely low off-state current, when the transistor 200 is turned off, one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 200 and the capacitor 450 The potential of a node (hereinafter, node FG) where one of the electrodes and the gate electrode of the transistor 400 are electrically connected can be held for an extremely long time. By including the capacitor 450, the charge given to the node FG can be easily held, and the held information can be easily read.

半導体装置に情報を記憶させる場合(書き込み)は、まず、第4の配線の電位を、トランジスタ200がオン状態となる電位にして、トランジスタ200をオン状態とする。これにより、第3の配線の電位が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下、ロー(Low)レベル電荷、ハイ(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の配線の電位を、トランジスタ200がオフ状態となる電位にして、トランジスタ200をオフ状態とすることにより、ノードFGが浮遊状態となるため、ノードFGには所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードFGに所定量の電荷を蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。   In the case of storing information in the semiconductor device (writing), first, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, so that the transistor 200 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring is supplied to the node FG, and a predetermined amount of charge is accumulated in the node FG. Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as a low level charge and a high level charge) giving two different potential levels is given. After that, when the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 200 is turned off and the transistor 200 is turned off, the node FG is in a floating state, so that a predetermined charge is held in the node FG. It will remain as it is. As described above, information can be stored in the memory cell by accumulating and holding a predetermined amount of charge in the node FG.

トランジスタ200のオフ電流は極めて小さいため、ノードFGに供給された電荷は長時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、又は、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り、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。   Since the off-state current of the transistor 200 is extremely small, the charge supplied to the node FG is held for a long time. Therefore, the refresh operation becomes unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, and the power consumption can be sufficiently reduced. Further, stored data can be retained for a long time even when power is not supplied.

記憶された情報を読み出す場合(読み出し)は、第1の配線に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、ノードFGに保持された電荷量に応じて、トランジスタ400は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ400をnチャネル型とすると、ノードFGにHighレベル電荷が保持されている場合のトランジスタ400の見かけのしきい値Vth_Hは、ノードFGにLowレベル電荷が保持されている場合のトランジスタ400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、見かけのしきい値とは、トランジスタ400を「オン状態」とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVth_HとVth_Lの中間の電位Vとすることにより、ノードFGに保持さ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の配線の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ400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の配線の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ400は「オフ状態」のままである。このため、第5の配線の電位を制御して、トランジスタ400のオン状態又はオフ状態を読み出す(第2の配線の電位を読み出す)ことで、記憶された情報を読み出すことができる。 When reading stored information (reading), when a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring and an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring, the data is held in the node FG. The transistor 400 takes different states depending on the amount of charge that has been generated. In general, when the transistor 400 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H of the transistor 400 when the high-level charge is held at the node FG is equal to the transistor when the low-level charge is held at the node FG. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of 400. Here, the apparent threshold value means a potential of the fifth wiring which is necessary for turning on the transistor 400. Therefore, the charge held in the node FG can be determined by setting the potential of the fifth wiring to a potential V 0 that is intermediate between V th_H and V th_L . For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 400 is turned “on” when the potential of the fifth wiring is V 0 (> V th_H ). In the case where the low-level charge is supplied , the transistor 400 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring is V 0 (<V th_L ). Therefore, the stored information can be read by controlling the potential of the fifth wiring and reading the on state or the off state of the transistor 400 (reading the potential of the second wiring).

また、記憶させた情報を書き換える場合においては、上記の書き込みによって所定量の電荷を保持したノードFGに、新たな電位を供給することで、ノードFGに新たな情報に係る電荷を保持させる。具体的には、第4の配線の電位を、トランジスタ200がオン状態となる電位にして、トランジスタ200をオン状態とする。これにより、第3の配線の電位(新たな情報に係る電位)が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄積される。その後、第4の配線の電位をトランジスタ200がオフ状態となる電位にして、トランジスタ200をオフ状態とすることにより、ノードFGには、新たな情報に係る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードFGに第1の書き込みによって所定量の電荷が保持された状態で、第1の書き込みと同様の動作(第2の書き込み)を行うことで、記憶させた情報を上書きすることが可能である。   In addition, in the case of rewriting stored information, a new potential is supplied to the node FG that holds a predetermined amount of charge by the above writing, whereby the charge related to the new information is held in the node FG. Specifically, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, so that the transistor 200 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring (the potential related to new information) is supplied to the node FG, and a predetermined amount of charge is accumulated in the node FG. After that, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 200 is turned off and the transistor 200 is turned off, so that charge related to new information is held in the node FG. That is, the stored information can be overwritten by performing the same operation (second writing) as the first writing in a state where a predetermined amount of charge is held in the node FG by the first writing. It is.

本実施の形態で示すトランジスタ200は、高純度化され、酸素欠損が修復された酸化物半導体膜105を用いることで、トランジスタ200のオフ電流を十分に低減することができる。そして、このようなトランジスタを用いることで、電力の供給がない場合であっても、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。   In the transistor 200 described in this embodiment, the off-state current of the transistor 200 can be sufficiently reduced by using the oxide semiconductor film 105 which is highly purified and in which oxygen vacancies are repaired. By using such a transistor, a semiconductor device capable of holding stored data for an extremely long time can be obtained even when power is not supplied.

以上より、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタは、オフ電流が低く、オン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能であり、外気に含まれる水素又は水分などの不純物による劣化も抑制されている。従って、当該トランジスタを用いることで高性能及び高信頼性の半導体装置を提供することができる。また、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタは、良好な電気特性を有することからトランジスタの微細化、さらには半導体装置の微細化又は高集積化も達成できる。   As described above, the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 has low off-state current, high on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility), and high-speed operation and high-speed response are possible. In addition, deterioration due to impurities such as hydrogen or moisture contained in the outside air is also suppressed. Therefore, a high-performance and highly reliable semiconductor device can be provided by using the transistor. Further, since the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 has favorable electric characteristics, miniaturization of the transistor, and further miniaturization or high integration of the semiconductor device can be achieved.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(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トランジスタを用いた半導体装置の応用例について、図20を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, application examples of the semiconductor device including the transistor described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

図20(A)及び図20(B)は、図19(A)乃至図19(C)に示した半導体装置(以下、メモリセル550とも記載する。)を複数用いて形成される半導体装置の回路図である。図20(A)は、メモリセル460が直列に接続された、いわゆるNAND型の半導体装置の回路図であり、図20(B)は、メモリセル460が並列に接続された、いわゆるNOR型の半導体装置の回路図である。   20A and 20B illustrate a semiconductor device formed using a plurality of the semiconductor devices illustrated in FIGS. 19A to 19C (hereinafter also referred to as memory cells 550). It is a circuit diagram. FIG. 20A is a circuit diagram of a so-called NAND semiconductor device in which memory cells 460 are connected in series. FIG. 20B is a so-called NOR-type semiconductor device in which memory cells 460 are connected in parallel. It is a circuit diagram of a semiconductor device.

図20(A)に示す半導体装置は、ソース線SL、ビット線BL、第1信号線S1、複数本の第2信号線S2、複数本のワード線WL、複数のメモリセル460を有する。図20(A)では、ソース線SL及びビット線BLを1本ずつ有する構成となっているが、これに限られることなく、ソース線SL及びビット線BLを複数本有する構成としてもよい。   The semiconductor device illustrated in FIG. 20A includes a source line SL, a bit line BL, a first signal line S1, a plurality of second signal lines S2, a plurality of word lines WL, and a plurality of memory cells 460. In FIG. 20A, the structure includes one source line SL and one bit line BL; however, the present invention is not limited to this, and a structure including a plurality of source lines SL and bit lines BL may be employed.

各メモリセル460において、トランジスタ400のゲート電極と、トランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の一方と、容量素子450の電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第1信号線S1とトランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第2信号線S2と、トランジスタ200のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、ワード線WLと、容量素子450の電極の他方は電気的に接続されている。   In each memory cell 460, the gate electrode of the transistor 400, one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 200, and one of the electrodes of the capacitor 450 are electrically connected. The first signal line S1 and the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 200 are electrically connected, and the second signal line S2 and the gate electrode of the transistor 200 are electrically connected. The word line WL and the other electrode of the capacitor 450 are electrically connected.

また、メモリセル460が有するトランジスタ400のソース電極は、隣接するメモリセル460のトランジスタ400のドレイン電極と電気的に接続され、メモリセル460が有するトランジスタ400のドレイン電極は、隣接するメモリセル460のトランジスタ400のソース電極と電気的に接続される。ただし、直列に接続された複数のメモリセルのうち、一方の端に設けられたメモリセル460が有するトランジスタ400のドレイン電極は、ビット線と電気的に接続される。また、直列に接続された複数のメモリセルのうち、他方の端に設けられたメモリセル460が有するトランジスタ400のソース電極は、ソース線と電気的に接続される。   Further, the source electrode of the transistor 400 included in the memory cell 460 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 400 of the adjacent memory cell 460, and the drain electrode of the transistor 400 included in the memory cell 460 is connected to the drain electrode of the adjacent memory cell 460. It is electrically connected to the source electrode of the transistor 400. Note that the drain electrode of the transistor 400 included in the memory cell 460 provided at one end of the plurality of memory cells connected in series is electrically connected to the bit line. In addition, among the plurality of memory cells connected in series, the source electrode of the transistor 400 included in the memory cell 460 provided at the other end is electrically connected to the source line.

図20(A)に示す半導体装置では、行ごとの書き込み動作及び読み出し動作を行う。書き込み動作は次のように行われる。書き込みを行う行の第2の信号線S2にトランジスタ200がオン状態となる電位を与え、書き込みを行う行のトランジスタ200をオン状態にする。これにより、指定した行のトランジスタ400のゲート電極に第1の信号線S1の電位が与えられ、該ゲート電極に所定の電荷が与えられる。このようにして、指定した行のメモリセルにデータを書き込むことができる。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 20A, writing operation and reading operation are performed for each row. The write operation is performed as follows. A potential at which the transistor 200 is turned on is applied to the second signal line S2 in the row where writing is performed, so that the transistor 200 in the row where writing is performed is turned on. Thus, the potential of the first signal line S1 is applied to the gate electrode of the transistor 400 in the designated row, and a predetermined charge is applied to the gate electrode. In this way, data can be written to the memory cell in the designated row.

また、読み出し動作は次のように行われる。まず、読み出しを行う行以外のワード線WLに、トランジスタ400のゲート電極に与えられた電荷によらず、トランジスタ400がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行う行以外のトランジスタ400をオン状態とする。それから、読み出しを行う行のワード線WLに、トランジスタ400のゲート電極が有する電荷によって、トランジスタ400のオン状態又はオフ状態が選択されるような電位(読み出し電位)を与える。そして、ソース線SLに定電位を与え、ビット線BLに接続されている読み出し回路(図示しない)を動作状態とする。ここで、ソース線SL−ビット線BL間の複数のトランジスタ400は、読み出しを行う行を除いてオン状態となっているため、ソース線SL−ビット線BL間のコンダクタンスは、読み出しを行う行のトランジスタ400の状態(オン状態又はオフ状態)によって決定される。読み出しを行う行のトランジスタ400のゲート電極が有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線BLの電位は異なる値をとることになる。ビット線の電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定した行のメモリセルから情報を読み出すことができる。   The read operation is performed as follows. First, a potential at which the transistor 400 is turned on is applied to the word line WL other than the row where reading is performed regardless of the charge applied to the gate electrode of the transistor 400, and the transistors 400 other than the row where reading is performed are turned on. State. Then, a potential (reading potential) is applied to the word line WL of the row where reading is performed so that the on state or the off state of the transistor 400 is selected by the charge of the gate electrode of the transistor 400. Then, a constant potential is applied to the source line SL, and a reading circuit (not shown) connected to the bit line BL is set in an operating state. Here, since the plurality of transistors 400 between the source line SL and the bit line BL are in an on state except for the row where reading is performed, the conductance between the source line SL and the bit line BL is that of the row where reading is performed. It is determined by the state of the transistor 400 (on state or off state). Since the conductance of the transistor varies depending on the charge of the gate electrode of the transistor 400 in the row to be read, the potential of the bit line BL varies accordingly. By reading the potential of the bit line by the reading circuit, information can be read from the memory cell in the designated row.

図20(B)に示す半導体装置は、ソース線SL、ビット線BL、第1信号線S1、第2信号線S2、及びワード線WLをそれぞれ複数本有し、複数のメモリセル460を有する。各トランジスタ400のゲート電極と、トランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の一方と、容量素子450の電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ソース線SLとトランジスタ400のソース電極とは、電気的に接続され、ビット線BLとトランジスタ400のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第1信号線S1とトランジスタ200のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第2信号線S2と、トランジスタ200のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、ワード線WLと、容量素子450の電極の他方は電気的に接続されている。   A semiconductor device illustrated in FIG. 20B includes a plurality of source lines SL, bit lines BL, first signal lines S1, second signal lines S2, and word lines WL, and includes a plurality of memory cells 460. The gate electrode of each transistor 400, one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 200, and one of the electrodes of the capacitor 450 are electrically connected. Further, the source line SL and the source electrode of the transistor 400 are electrically connected, and the bit line BL and the drain electrode of the transistor 400 are electrically connected. The first signal line S1 and the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 200 are electrically connected, and the second signal line S2 and the gate electrode of the transistor 200 are electrically connected. The word line WL and the other electrode of the capacitor 450 are electrically connected.

図20(B)に示す半導体装置では、行ごとの書き込み動作及び読み出し動作を行う。書き込み動作は、上述の図20(A)に示す半導体装置と同様の方法で行われる。読み出し動作は次のように行われる。まず、読み出しを行う行以外のワード線WLに、トランジスタ400のゲート電極に与えられた電荷によらず、トランジスタ400がオフ状態となるような電位を与え、読み出しを行う行以外のトランジスタ400をオフ状態とする。それから、読み出しを行う行のワード線WLに、トランジスタ400のゲート電極が有する電荷によって、トランジスタ400のオン状態又はオフ状態が選択されるような電位(読み出し電位)を与える。そして、ソース線SLに定電位を与え、ビット線BLに接続されている読み出し回路(図示しない)を動作状態とする。ここで、ソース線SL−ビット線BL間のコンダクタンスは、読み出しを行う行のトランジスタ400の状態(オン状態又はオフ状態)によって決定される。つまり、読み出しを行う行のトランジスタ400のゲート電極が有する電荷によって、ビット線BLの電位は異なる値をとることになる。ビット線の電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定した行のメモリセルから情報を読み出すことができる。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 20B, writing operation and reading operation are performed for each row. The writing operation is performed by a method similar to that of the semiconductor device illustrated in FIG. The read operation is performed as follows. First, a potential at which the transistor 400 is turned off is applied to the word line WL other than the row where reading is performed regardless of the charge applied to the gate electrode of the transistor 400, and the transistors 400 other than the row where reading is performed are turned off. State. Then, a potential (reading potential) is applied to the word line WL of the row where reading is performed so that the on state or the off state of the transistor 400 is selected by the charge of the gate electrode of the transistor 400. Then, a constant potential is applied to the source line SL, and a reading circuit (not shown) connected to the bit line BL is set in an operating state. Here, the conductance between the source line SL and the bit line BL is determined by the state (on state or off state) of the transistor 400 in the row where reading is performed. That is, the potential of the bit line BL varies depending on the charge of the gate electrode of the transistor 400 in the row where reading is performed. By reading the potential of the bit line by the reading circuit, information can be read from the memory cell in the designated row.

上記においては、各メモリセル460に保持させる情報量を1ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。トランジスタ400のゲート電極に与える電位を3以上用意して、各メモリセル460が保持する情報量を増加させても良い。例えば、トランジスタ400のゲート電極にあたえる電位を4種類とする場合には、各メモリセルに2ビットの情報を保持させることができる。   In the above description, the amount of information held in each memory cell 460 is 1 bit; however, the structure of the memory device described in this embodiment is not limited thereto. Three or more potentials may be provided to the gate electrode of the transistor 400 to increase the amount of information held in each memory cell 460. For example, in the case where four potentials are applied to the gate electrode of the transistor 400, each memory cell can hold 2-bit information.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態7)
本実施の形態においては、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタを適用した半導体装置について説明する。なお、本実施の形態においても、半導体装置の一例として記憶媒体(メモリ素子)を示し、先の実施の形態に示した構成と異なる構成の半導体装置について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a semiconductor device to which the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 is applied will be described. Note that in this embodiment also, a storage medium (memory element) is shown as an example of a semiconductor device, and a semiconductor device having a structure different from the structure shown in the above embodiment is described.

図21(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図21(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図21(A)に示す半導体装置について説明し、続けて図21(B)に示す半導体装置について、以下説明する。また、先の実施の形態で用いた符号を適宜用いて説明する。   FIG. 21A illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 21B is a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device illustrated in FIG. 21A will be described, and then the semiconductor device illustrated in FIG. 21B will be described below. In addition, description will be made by appropriately using the reference numerals used in the previous embodiment.

図21(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ500のソース電極又はドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ500のゲート電極とは電気的に接続され、トランジスタ500のソース電極又はドレイン電極と容量素子510の一方の電極とは電気的に接続されている。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 21A, the bit line BL and the source or drain electrode of the transistor 500 are electrically connected, and the word line WL and the gate electrode of the transistor 500 are electrically connected. The source or drain electrode and one electrode of the capacitor 510 are electrically connected.

酸化物半導体を用いたトランジスタ500は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ500をオフ状態とすることで、容量素子510の一方の電極の電位(あるいは、容量素子510に蓄積された電荷)を極めて長時間にわたって保持することが可能である。   The transistor 500 including an oxide semiconductor has a feature of extremely low off-state current. Therefore, when the transistor 500 is turned off, the potential of one electrode of the capacitor 510 (or the charge accumulated in the capacitor 510) can be held for an extremely long time.

次に、図21(A)に示す半導体装置(メモリセル550)に、情報の書き込み及び保持を行う場合について説明する。   Next, the case where data is written to and stored in the semiconductor device (memory cell 550) illustrated in FIG.

まず、ワード線WLの電位を、トランジスタ500がオン状態となる電位として、トランジスタ500をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子510の一方の電極に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジスタ500がオフ状態となる電位として、トランジスタ500をオフ状態とすることにより、容量素子510の一方の電極の電位が保持される(保持)。   First, the potential of the word line WL is set to a potential at which the transistor 500 is turned on, so that the transistor 500 is turned on. Thus, the potential of the bit line BL is applied to one electrode of the capacitor 510 (writing). After that, the potential of the one electrode of the capacitor 510 is held (held) by setting the potential of the word line WL to a potential at which the transistor 500 is turned off and the transistor 500 being turned off.

トランジスタ500のオフ電流は極めて小さいから、容量素子510の一方の電極の電位(あるいは容量素子に蓄積された電荷)は長時間にわたって保持することができる。   Since the off-state current of the transistor 500 is extremely small, the potential of one electrode of the capacitor 510 (or the charge accumulated in the capacitor) can be held for a long time.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ500がオン状態となると、浮遊状態であるビット線BLと容量素子510とが導通し、ビット線BLと容量素子510の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線BLの電位の変化量は、容量素子510の一方の電極の電位(あるいは容量素子510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 500 is turned on, the bit line BL in a floating state and the capacitor 510 are brought into conduction, and charge is redistributed between the bit line BL and the capacitor 510. As a result, the potential of the bit line BL changes. The amount of change in the potential of the bit line BL varies depending on the potential of one electrode of the capacitor 510 (or the charge accumulated in the capacitor 510).

例えば、容量素子510の一方の電極の電位をV、容量素子510の容量をC、ビット線BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される前のビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル550の状態として、容量素子510の一方の電極の電位が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ビット線BLの電位(=CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BL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 one electrode of the capacitor 510 is V, the capacitance of the capacitor 510 is C, the capacitance component (hereinafter also referred to as bit line capacitance) of the bit line BL is CB, and the bit before the charge is redistributed When the potential of the line BL is VB0, the potential of the bit line BL after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, if the potential of one electrode of the capacitor 510 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell 550, the potential of the bit line BL when the potential V1 is held ( = CB * VB0 + C * V1) / (CB + C)) is higher than the potential of the bit line BL when the potential V0 is held (= CB * VB0 + C * V0) / (CB + C)).

そして、ビット線BL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 bit line BL with a predetermined potential.

このように、図21(A)に示す半導体装置は、トランジスタ500のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子510に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、又は、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。   As described above, the semiconductor device illustrated in FIG. 21A can hold charge that is accumulated in the capacitor 510 for a long time because the off-state current of the transistor 500 is extremely small. In other words, the refresh operation becomes unnecessary or the frequency of the refresh operation can be made extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. Further, stored data can be retained for a long time even when power is not supplied.

次に、図21(B)に示す半導体装置について、説明を行う。   Next, the semiconductor device illustrated in FIG. 21B is described.

図21(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図21(A)に示したメモリセル550を複数有するメモリセルアレイ551a及びメモリセルアレイ551bを有し、下部に、メモリセルアレイ551a及びメモリセルアレイ551bを動作させるために必要な周辺回路553を有する。なお、周辺回路553は、メモリセルアレイ551a及びメモリセルアレイ551bと電気的に接続されている。   A semiconductor device illustrated in FIG. 21B includes a memory cell array 551a and a memory cell array 551b each including a plurality of memory cells 550 illustrated in FIG. 21A as a memory circuit in an upper portion, and the memory cell array 551a and the memory cell array in a lower portion. A peripheral circuit 553 necessary for operating 551b is provided. Note that the peripheral circuit 553 is electrically connected to the memory cell array 551a and the memory cell array 551b.

図21(B)に示した構成とすることにより、周辺回路553をメモリセルアレイ551a及びメモリセルアレイ551bの直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。   With the structure shown in FIG. 21B, the peripheral circuit 553 can be provided immediately below the memory cell array 551a and the memory cell array 551b, so that the semiconductor device can be downsized.

周辺回路553に設けられるトランジスタは、トランジスタ500とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、実施の形態5で示したトランジスタ400に適用可能な第1の半導体材料を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、当該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現することが可能である。   The transistor provided in the peripheral circuit 553 is preferably formed using a semiconductor material different from that of the transistor 500. For example, a first semiconductor material that can be used for the transistor 400 described in Embodiment 5 can be used, and a single crystal semiconductor is preferably used. A transistor using such a semiconductor material can operate at a sufficiently high speed. Therefore, various circuits (such as a logic circuit and a drive circuit) that require high-speed operation can be suitably realized with the transistor.

なお、図21(B)に示した半導体装置では、メモリセルアレイ551aと、メモリセルアレイ551bと、2つのメモリセルアレイが積層された構成を例示したが、積層するメモリセルアレイの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルアレイを積層する構成としてもよい。   Note that in the semiconductor device illustrated in FIG. 21B, the structure in which the memory cell array 551a, the memory cell array 551b, and the two memory cell arrays are stacked is illustrated; however, the number of stacked memory cell arrays is not limited thereto. Three or more memory cell arrays may be stacked.

次に、図21(A)に示したメモリセル550の具体的な構成について図22を用いて説明を行う。   Next, a specific structure of the memory cell 550 illustrated in FIG. 21A will be described with reference to FIGS.

図22は、メモリセル550の構成の一例である。図22(A)にメモリセル550の断面図を、図22(B)にメモリセル550の上面図をそれぞれ示す。ここで、図22(A)は、図22(B)のE1−E2、及びF1−F2における断面に相当する。   FIG. 22 shows an example of the configuration of the memory cell 550. FIG. 22A shows a cross-sectional view of the memory cell 550, and FIG. 22B shows a top view of the memory cell 550. Here, FIG. 22A corresponds to a cross section taken along lines E1-E2 and F1-F2 in FIG.

図22(A)及び図22(B)に示すトランジスタ500は、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタを用いることができる。ただし、トランジスタ500に用いるトランジスタの構造に応じて、トランジスタ500及び容量素子510の積層関係、並びに接続関係を適宜変更する。ここでは、トランジスタ500として、実施の形態4で説明したトランジスタ300を用いる。従って、トランジスタ500を説明するために、トランジスタ300を説明するために用いた符号を適宜用いる。   As the transistor 500 illustrated in FIGS. 22A and 22B, the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 can be used. Note that the stacking relationship and connection relationship between the transistor 500 and the capacitor 510 are changed as appropriate depending on the structure of the transistor used in the transistor 500. Here, the transistor 300 described in Embodiment 4 is used as the transistor 500. Therefore, in order to describe the transistor 500, the reference numerals used to describe the transistor 300 are used as appropriate.

メモリセル550は、トランジスタ500及び容量素子510を有し、トランジスタ500は、実施の形態4で説明したトランジスタ300と同様の構成を有する(図14(B)参照)。加えて、メモリセル550は、トランジスタ500のソース配線327a及びドレイン配線327b並びに層間絶縁膜124上に絶縁膜502が設けられており、絶縁膜502上に電極504が設けられており、絶縁膜502及び電極504上に絶縁膜506が設けられている。また、絶縁膜502及び絶縁膜506にドレイン配線327bに達する開口が設けられており、当該開口に配線508が設けられている。なお、配線508は隣接するメモリセルと接続するための配線として機能し、図21(A)の回路図におけるビット線BLに相当する。   The memory cell 550 includes a transistor 500 and a capacitor 510, and the transistor 500 has a structure similar to that of the transistor 300 described in Embodiment 4 (see FIG. 14B). In addition, the memory cell 550 includes an insulating film 502 provided over the source wiring 327 a and the drain wiring 327 b of the transistor 500 and the interlayer insulating film 124, and an electrode 504 provided over the insulating film 502. An insulating film 506 is provided over the electrode 504. In addition, an opening reaching the drain wiring 327 b is provided in the insulating film 502 and the insulating film 506, and a wiring 508 is provided in the opening. Note that the wiring 508 functions as a wiring for connecting to an adjacent memory cell, and corresponds to the bit line BL in the circuit diagram of FIG.

メモリセル550の容量素子510は、一方の電極であるソース配線327aと、他方の電極である電極504と、誘電体である絶縁膜502とで構成されている。   The capacitor 510 of the memory cell 550 includes a source wiring 327a that is one electrode, an electrode 504 that is the other electrode, and an insulating film 502 that is a dielectric.

絶縁膜502及び絶縁膜506は、トランジスタ500に用いられている絶縁膜(例えば、下地絶縁膜103、ゲート絶縁膜116、サイドウォール絶縁膜119、絶縁性を有する金属酸化膜121、層間絶縁膜123又は層間絶縁膜124)に適用可能な材料及び形成方法を用いて、単層構造又は積層構造で形成することができる。なお、絶縁膜502は、少なくとも、絶縁性を有する金属酸化膜121に適用可能な絶縁膜で形成することが好ましい。   The insulating film 502 and the insulating film 506 are insulating films used in the transistor 500 (for example, the base insulating film 103, the gate insulating film 116, the sidewall insulating film 119, the insulating metal oxide film 121, and the interlayer insulating film 123). Alternatively, a single layer structure or a stacked layer structure can be formed using a material and a formation method applicable to the interlayer insulating film 124). Note that the insulating film 502 is preferably formed using at least an insulating film applicable to the metal oxide film 121 having an insulating property.

電極504及び配線508は、トランジスタ500に用いられている電極又は配線(ゲート電極117、ソース電極127a、ドレイン電極127b、ソース配線327a、又はドレイン配線327b)に適用可能な材料及び形成方法を用いて形成することができる。また、配線508が設けられる開口は、トランジスタ500の開口125a、開口125bを形成する方法を用いることができる。なお、配線508はドレイン電極127bと直接接続するように形成してもよい。   The electrode 504 and the wiring 508 are formed using a material and a formation method applicable to the electrode or the wiring used in the transistor 500 (the gate electrode 117, the source electrode 127a, the drain electrode 127b, the source wiring 327a, or the drain wiring 327b). Can be formed. For the opening in which the wiring 508 is provided, a method for forming the opening 125 a and the opening 125 b of the transistor 500 can be used. Note that the wiring 508 may be formed so as to be directly connected to the drain electrode 127b.

トランジスタ500は、チャネル長方向にチャネル形成領域として機能する第1の領域107を挟んで、第1の領域107より低抵抗領域である一対の第2の領域109a、109b及び一対の第3の領域111a、111bを有する酸化物半導体膜105を有することにより、トランジスタ500はオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。   The transistor 500 includes a pair of second regions 109a and 109b and a pair of third regions which are lower resistance regions than the first region 107 with the first region 107 functioning as a channel formation region in the channel length direction. With the oxide semiconductor film 105 including 111a and 111b, the transistor 500 has high on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility), so that high-speed operation and high-speed response are possible.

また、一対の第2の領域109a、109bは、チャネル形成領域に加わる電界を緩和させることができる電界緩和領域として機能する。一対の第3の領域111a、111bはソース領域、又はドレイン領域として機能する。酸化物半導体膜105の中で、一対の第3領域111a、111bが一番低抵抗な領域であり、ソース電極127a及びドレイン電極127bとの接触抵抗を低減することができる。従って、トランジスタ500のオン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能となる。   In addition, the pair of second regions 109a and 109b functions as an electric field relaxation region capable of relaxing an electric field applied to the channel formation region. The pair of third regions 111a and 111b functions as a source region or a drain region. In the oxide semiconductor film 105, the pair of third regions 111a and 111b is the region with the lowest resistance, and the contact resistance with the source electrode 127a and the drain electrode 127b can be reduced. Accordingly, the on-characteristics (eg, on-current and field-effect mobility) of the transistor 500 are high, and high-speed operation and high-speed response are possible.

さらに、絶縁膜502に絶縁性を有する金属酸化膜が設けられることにより、外気に含まれる水素、水分などの不純物を通過させない機能を発することから、トランジスタ500の信頼性が良好となる。従って、本実施の形態に示す半導体装置は信頼性が良好な半導体装置である。   Further, since the insulating film 502 is provided with an insulating metal oxide film, the transistor 500 has a function of preventing impurities such as hydrogen and moisture contained in the outside air from passing, and thus the reliability of the transistor 500 is improved. Therefore, the semiconductor device described in this embodiment is a highly reliable semiconductor device.

図22(A)及び図22(B)において、トランジスタ500のドレイン電極127bは、隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極としても機能することができる。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。   22A and 22B, the drain electrode 127b of the transistor 500 can also function as a source electrode of a transistor included in an adjacent memory cell. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

以上のように、多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、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。   As described above, the plurality of memory cells formed in multiple layers are formed using transistors including an oxide semiconductor. Since a transistor including an oxide semiconductor has a small off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor. That is, the frequency of the refresh operation can be made extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced.

このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ(換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ)を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ(より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ)を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の高集積化を図ることができる。   As described above, a peripheral circuit using a transistor using a material other than an oxide semiconductor (in other words, a transistor capable of sufficiently high-speed operation) and a transistor using an oxide semiconductor (in a broader sense, sufficiently off) By integrally including a memory circuit using a transistor having a small current, a semiconductor device having characteristics that have never been achieved can be realized. In addition, by providing the peripheral circuit and the memory circuit in a stacked structure, the semiconductor device can be highly integrated.

以上より、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタは、オフ電流が低く、オン特性(例えば、オン電流及び電界効果移動度)が高く、高速動作、高速応答が可能であり、外気に含まれる水素又は水分などの不純物による劣化も抑制されている。従って、当該トランジスタを用いることで高性能及び高信頼性の半導体装置を提供することができる。また、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタは、良好な電気特性を有することからトランジスタの微細化、さらには半導体装置の微細化又は高集積化も達成できる。   As described above, the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 has low off-state current, high on-state characteristics (eg, on-state current and field-effect mobility), and high-speed operation and high-speed response are possible. In addition, deterioration due to impurities such as hydrogen or moisture contained in the outside air is also suppressed. Therefore, a high-performance and highly reliable semiconductor device can be provided by using the transistor. Further, since the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 has favorable electric characteristics, miniaturization of the transistor, and further miniaturization or high integration of the semiconductor device can be achieved.

なお、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   Note that the structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態8)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタを適用した半導体装置について、図23を参照して説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a semiconductor device to which the transistor described in any of Embodiments 1 to 4 is applied will be described with reference to FIGS.

図23(A)には、いわゆるDRAM(Dynamic Random Access Memory)に相当する構成の半導体装置の一例を示す。図23(A)に示すメモリセルアレイ1120は、複数のメモリセル1130がマトリクス状に配列された構成を有している。また、メモリセルアレイ1120は、m本の第1の配線、及びn本の第2の配線を有する。なお、本実施の形態においては、第1の配線をビット線BLとよび、第2の配線をワード線WLとよぶ。   FIG. 23A illustrates an example of a semiconductor device having a structure corresponding to a so-called DRAM (Dynamic Random Access Memory). A memory cell array 1120 illustrated in FIG. 23A has a structure in which a plurality of memory cells 1130 are arranged in a matrix. Further, the memory cell array 1120 includes m first wirings and n second wirings. Note that in this embodiment mode, the first wiring is referred to as a bit line BL and the second wiring is referred to as a word line WL.

メモリセル1130は、トランジスタ1131と、容量素子1132と、から構成されている。トランジスタ1131のゲート電極は、第1の配線(ワード線WL)と接続されている。また、トランジスタ1131のソース電極又はドレイン電極の一方は、第2の配線(ビット線BL)と接続されており、トランジスタ1131のソース電極又はドレイン電極の他方は、容量素子の電極の一方と接続されている。また、容量素子の電極の他方は容量線CLと接続され、一定の電位が与えられている。トランジスタ1131には、先の実施の形態に示すトランジスタが適用される。   The memory cell 1130 includes a transistor 1131 and a capacitor 1132. A gate electrode of the transistor 1131 is connected to the first wiring (word line WL). One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 1131 is connected to the second wiring (bit line BL), and the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1131 is connected to one of the electrodes of the capacitor. ing. In addition, the other electrode of the capacitor is connected to the capacitor line CL and given a constant potential. The transistor described in any of the above embodiments is applied to the transistor 1131.

実施の形態1乃至実施の形態4のいずれかで説明したトランジスタは、高純度化され、酸素欠損が修復された酸化物半導体膜を用いており、当該トランジスタのオフ電流を十分に低く、電気特性の変動が抑制されたトランジスタである。このようなトランジスタを用いることにより、いわゆるDRAMとして認識されている図23(A)に示す半導体装置を実質的な不揮発性メモリとして使用することが可能になる。   The transistor described in any of Embodiments 1 to 4 is formed using a highly purified oxide semiconductor film in which oxygen vacancies are repaired. The off-state current of the transistor is sufficiently low, so that electrical characteristics are reduced. This is a transistor in which fluctuations in are suppressed. By using such a transistor, the semiconductor device shown in FIG. 23A recognized as a so-called DRAM can be used as a substantially nonvolatile memory.

図23(B)には、いわゆるSRAM(Static Random Access Memory)に相当する構成の半導体装置の一例を示す。図23(B)に示すメモリセルアレイ1140は、複数のメモリセル1150がマトリクス状に配列された構成とすることができる。また、メモリセルアレイ1140は、第1の配線(ワード線WL)、第2の配線(ビット線BL)及び第3の配線(反転ビット線BLB)、電源電位線VDD、及び接地電位線VSSを有する。   FIG. 23B illustrates an example of a semiconductor device having a structure corresponding to a so-called SRAM (Static Random Access Memory). A memory cell array 1140 illustrated in FIG. 23B can have a structure in which a plurality of memory cells 1150 are arranged in a matrix. The memory cell array 1140 includes a first wiring (word line WL), a second wiring (bit line BL) and a third wiring (inverted bit line BLB), a power supply potential line VDD, and a ground potential line VSS. .

メモリセル1150は、第1のトランジスタ1151、第2のトランジスタ1152、第3のトランジスタ1153、第4のトランジスタ1154、第5のトランジスタ1155、及び第6のトランジスタ1156を有している。第1のトランジスタ1151と第2のトランジスタ1152は、選択トランジスタとして機能する。また、第3のトランジスタ1153と第4のトランジスタ1154のうち、一方はnチャネル型トランジスタ(ここでは、第4のトランジスタ1154)であり、他方はpチャネル型トランジスタ(ここでは、第3のトランジスタ1153)である。つまり、第3のトランジスタ1153と第4のトランジスタ1154によってCMOS回路が構成されている。同様に、第5のトランジスタ1155と第6のトランジスタ1156によってCMOS回路が構成されている。   The memory cell 1150 includes a first transistor 1151, a second transistor 1152, a third transistor 1153, a fourth transistor 1154, a fifth transistor 1155, and a sixth transistor 1156. The first transistor 1151 and the second transistor 1152 function as selection transistors. One of the third transistor 1153 and the fourth transistor 1154 is an n-channel transistor (here, the fourth transistor 1154), and the other is a p-channel transistor (here, the third transistor 1153). ). That is, the third transistor 1153 and the fourth transistor 1154 form a CMOS circuit. Similarly, the fifth transistor 1155 and the sixth transistor 1156 form a CMOS circuit.

第1のトランジスタ1151、第2のトランジスタ1152、第4のトランジスタ1154、第6のトランジスタ1156は、nチャネル型のトランジスタであり、先の実施の形態において示したトランジスタを適用することができる。第3のトランジスタ1153と第5のトランジスタ1155は、pチャネル型のトランジスタであり、酸化物半導体以外の材料(例えば、単結晶シリコンなど)をチャネル形成領域に用いる。   The first transistor 1151, the second transistor 1152, the fourth transistor 1154, and the sixth transistor 1156 are n-channel transistors, and any of the transistors described in the above embodiments can be used. The third transistor 1153 and the fifth transistor 1155 are p-channel transistors, and a material other than an oxide semiconductor (eg, single crystal silicon) is used for a channel formation region.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態9)
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタを少なくとも一部に用いてCPU(Central Processing Unit)を構成することができる。
(Embodiment 9)
A CPU (Central Processing Unit) can be formed using at least part of a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region.

図24(A)は、CPUの具体的な構成を示すブロック図である。図24(A)に示すCPUは、基板1190上に、演算回路(ALU:Arithmetic logic unit)1191、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(Bus I/F)1198、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース(ROM I/F)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及びROM I/F1189は、別チップに設けても良い。勿論、図24(A)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。   FIG. 24A is a block diagram illustrating a specific structure of a CPU. 24A includes an arithmetic circuit (ALU) 1191, an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, a bus, and the like. It has an interface (Bus I / F) 1198, a rewritable ROM 1199, and a ROM interface (ROM I / F) 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 I / F 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 24A is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application.

Bus I/F1198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 I / F 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、各種制御を行なう。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なう。   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、及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CLK1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、クロック信号CLK2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 an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the clock signal CLK2 to the various circuits.

図24(A)に示すCPUでは、レジスタ1196に、記憶素子が設けられている。レジスタ1196の記憶素子には、実施の形態5乃至実施の形態8に記載されている記憶素子を用いることができる。   In the CPU illustrated in FIG. 24A, the register 1196 is provided with a memory element. As the memory element of the register 1196, the memory element described in any of Embodiments 5 to 8 can be used.

図24(A)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が有する記憶素子において、論理(値)を反転させる論理素子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。論理(値)を反転させる論理素子によるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内の記憶素子への、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内の記憶素子への電源電圧の供給を停止することができる。   In the CPU illustrated in FIG. 24A, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, in the memory element included in the register 1196, whether to hold data by a logic element that inverts logic (value) or to hold data by a capacitor element is selected. When holding of data by a logic element that inverts logic (value) is selected, power supply voltage is supplied to the memory element 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 element in the register 1196 can be stopped.

電源停止に関しては、図24(B)又は図24(C)に示すように、記憶素子群と、電源電位Vdd又は電源電位Vssの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図24(B)及び図24(C)の回路の説明を行う。   The power supply is stopped by providing a switching element between the memory element group and the node to which the power supply potential Vdd or the power supply potential Vss is applied as shown in FIG. Can do. The circuits in FIGS. 24B and 24C will be described below.

図24(B)及び図24(C)では、記憶素子への電源電位の供給を制御するスイッチング素子に、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタを含む記憶回路の構成の一例を示す。   FIGS. 24B and 24C illustrate an example of a structure of a memory circuit including a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region as a switching element that controls supply of a power supply potential to the memory element.

図24(B)に示す記憶装置は、スイッチング素子1141と、記憶素子1142を複数有する記憶素子群1143とを有している。具体的に、各記憶素子1142には、実施の形態5乃至実施の形態8に記載されている記憶素子を用いることができる。記憶素子群1143が有する各記憶素子1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電源電位Vddが供給されている。さらに、記憶素子群1143が有する各記憶素子1142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位Vssの電位が与えられている。   A memory device illustrated in FIG. 24B includes a switching element 1141 and a memory element group 1143 including a plurality of memory elements 1142. Specifically, for each memory element 1142, the memory element described in any of Embodiments 5 to 8 can be used. A high-level power supply potential Vdd is supplied to each memory element 1142 included in the memory element group 1143 through the switching element 1141. Further, each memory element 1142 included in the memory element group 1143 is supplied with the potential of the signal IN and the low-level power supply potential Vss.

図24(B)では、スイッチング素子1141として、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極に与えられる信号SigAによりスイッチングが制御される。   In FIG. 24B, a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region is used as the switching element 1141, and switching of the transistor is controlled by a signal SigA applied to a gate electrode thereof.

なお、図24(B)では、スイッチング素子1141がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していても良い。スイッチング素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていても良いし、直列に接続されていても良いし、直列と並列が組み合わされて接続されていても良い。   Note that FIG. 24B illustrates a structure in which the switching element 1141 includes only one transistor; however, there is no particular limitation, and a plurality of transistors may be included. In the case where the switching element 1141 includes a plurality of transistors that function as switching elements, the plurality of transistors may be connected in parallel, may be connected in series, or a combination of series and parallel may be used. May be connected.

また、図24(B)では、スイッチング素子1141により、記憶素子群1143が有する各記憶素子1142への、ハイレベルの電源電位Vddの供給が制御されているが、スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位Vssの供給が制御されていても良い。   In FIG. 24B, the switching element 1141 controls the supply of the high-level power supply potential Vdd to each memory element 1142 included in the memory element group 1143. The switching element 1141 controls the low-level power supply potential Vdd. The supply of the power supply potential Vss may be controlled.

また、図24(C)には、記憶素子群1143が有する各記憶素子1142に、スイッチング素子1141を介して、ローレベルの電源電位Vssが供給されている、記憶装置の一例を示す。スイッチング素子1141により、記憶素子群1143が有する各記憶素子1142への、ローレベルの電源電位Vssの供給を制御することができる。   FIG. 24C illustrates an example of a memory device in which a low-level power supply potential Vss is supplied to each memory element 1142 included in the memory element group 1143 through the switching element 1141. The switching element 1141 can control supply of the low-level power supply potential Vss to each memory element 1142 included in the memory element group 1143.

記憶素子群と、電源電位Vdd又は電源電位Vssの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。   A switching element is provided between the memory element group and a node to which the power supply potential Vdd or the power supply potential Vss is applied to temporarily stop the operation of the CPU and retain data even when the supply of the power supply voltage is stopped. It is possible to reduce power consumption. Specifically, for example, the operation of the CPU can be stopped while the user of the personal computer stops inputting information to an input device such as a keyboard, thereby reducing power consumption. it can.

ここでは、CPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のLSIにも応用可能である。   Here, the CPU has been described as an example, but the present invention can also be applied to LSIs such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, and an FPGA (Field Programmable Gate Array).

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態10)
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトランジスタを作製する例について以下に説明する。
(Embodiment 10)
In this embodiment, an example in which at least part of a driver circuit and a transistor placed in a pixel portion are formed over the same substrate will be described below.

画素部に配置するトランジスタは、実施の形態1乃至実施の形態4で説明した方法に従って形成する。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TFT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とができる。このように、画素部や駆動回路に実施の形態1乃至実施の形態4で説明した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 is formed according to the method described in Embodiment Modes 1 to 4. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, part of the driver circuit that can be formed using an n-channel TFT in the driver circuit can be 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 Embodiments 1 to 4 for the pixel portion and the driver circuit.

アクティブマトリクス型表示装置の一例を図25(A)に示す。表示装置の基板600上には、画素部601、第1の走査線駆動回路602、第2の走査線駆動回路603、信号線駆動回路604を有する。画素部601には、複数の信号線が信号線駆動回路604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602、及び走査線駆動回路603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600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 the active matrix display device is illustrated in FIG. A pixel portion 601, a first scan line driver circuit 602, a second scan line driver circuit 603, and a signal line driver circuit 604 are provided over a substrate 600 of the display device. In the pixel portion 601, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 604, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 602 and the scan line driver circuit 603. Yes. Note that pixels each including a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 600 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25(A)では、第1の走査線駆動回路602、第2の走査線駆動回路603、信号線駆動回路604は、画素部601と同じ基板600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600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600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、又は歩留まりの向上を図ることができる。   In FIG. 25A, the first scan line driver circuit 602, the second scan line driver circuit 603, and the signal line driver circuit 604 are formed over the same substrate 600 as the pixel portion 601. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when a drive circuit is provided outside the substrate 600, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings increases. In the case where a driver circuit is provided over the same substrate 600, the number of connections between the wirings can be reduced, and reliability or yield can be improved.

また、画素部の回路構成の一例を図25(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネルの画素構造を示す。   An example of a circuit configuration of the pixel portion is shown in FIG. Here, a pixel structure of a VA liquid crystal display panel is shown.

この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極が有り、それぞれの画素電極にトランジスタが接続されている。各TFTは、異なるゲート信号で駆動されるように構成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御する構成を有している。   In this pixel structure, a single pixel has a plurality of pixel electrodes, and a transistor is connected to each pixel electrode. Each TFT is configured to be driven by a different gate signal. In other words, a multi-domain designed pixel has a configuration in which signals applied to individual pixel electrodes are controlled independently.

トランジスタ616のゲート配線612と、トランジスタ617のゲート配線613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、データ線として機能するソース電極又はドレイン電極614は、トランジスタ616とトランジスタ617で共通に用いられている。トランジスタ616とトランジスタ617は先の実施の形態に示した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パネルを提供することができる。   The gate wiring 612 of the transistor 616 and the gate wiring 613 of the transistor 617 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the source or drain electrode 614 functioning as a data line is used in common by the transistor 616 and the transistor 617. As the transistors 616 and 617, any of the transistors described in the above embodiments can be used as appropriate. Thereby, a highly reliable liquid crystal display panel can be provided.

トランジスタ616と電気的に接続する第1の画素電極と、トランジスタ617と電気的に接続する第2の画素電極の形状は異なっており、スリットによって分離されている。V字型に広がる第1の画素電極の外側を囲むように第2の画素電極が形成されている。第1の画素電極と第2の画素電極に印加する電圧のタイミングを、トランジスタ616及びトランジスタ617により異ならせることで、液晶の配向を制御している。トランジスタ616はゲート配線612と接続し、トランジスタ617はゲート配線613と接続している。ゲート配線612とゲート配線613は異なるゲート信号を与えることで、トランジスタ616とトランジスタ617の動作タイミングを異ならせることができる。   The first pixel electrode electrically connected to the transistor 616 and the second pixel electrode electrically connected to the transistor 617 have different shapes and are separated by a slit. A second pixel electrode is formed so as to surround the outside of the first pixel electrode extending in a V shape. The timing of the voltage applied to the first pixel electrode and the second pixel electrode is made different between the transistor 616 and the transistor 617, thereby controlling the alignment of the liquid crystal. The transistor 616 is connected to the gate wiring 612, and the transistor 617 is connected to the gate wiring 613. By giving different gate signals to the gate wiring 612 and the gate wiring 613, the operation timings of the transistor 616 and the transistor 617 can be made different.

また、容量配線610と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第1の画素電極又は第2の画素電極と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成する。   In addition, a storage capacitor is formed by the capacitor wiring 610, the gate insulating film functioning as a dielectric, and the capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode or the second pixel electrode.

第1の画素電極と液晶層と対向電極が重なり合うことで、第1の液晶素子618が形成されている。また、第2の画素電極と液晶層と対向電極が重なり合うことで、第2の液晶素子619が形成されている。また、一画素に第1の液晶素子618と第2の液晶素子619が設けられたマルチドメイン構造である。   The first liquid crystal element 618 is formed by overlapping the first pixel electrode, the liquid crystal layer, and the counter electrode. In addition, a second liquid crystal element 619 is formed by overlapping the second pixel electrode, the liquid crystal layer, and the counter electrode. A multi-domain structure is provided in which a first liquid crystal element 618 and a second liquid crystal element 619 are provided in one pixel.

なお、図25(B)に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図25(B)に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。   Note that the pixel structure illustrated in FIG. 25B 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 illustrated in FIG.

また、画素部の回路構成の一例を図25(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。   An example of a circuit configuration of the pixel portion is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display panel 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、一対の電極から電子及び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、それらキャリア(電子及び正孔)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 and holes are respectively injected from the pair of electrodes into the layer containing a light emitting organic compound, and a current flows. Then, these carriers (electrons and holes) recombine, whereby 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25(C)は、半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。   FIG. 25C illustrates an example of a pixel structure to which digital time grayscale driving can be applied as an example of a semiconductor device.

デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いる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。   A structure and operation of a pixel to which digital time gray scale driving can be applied will be described. Here, an example is shown in which two n-channel transistors each using an oxide semiconductor layer for a channel formation region are used for one pixel.

画素620は、スイッチング用トランジスタ621、駆動用トランジスタ622、発光素子624及び容量素子623を有している。スイッチング用トランジスタ621は、ゲート電極が走査線626に接続され、第1電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)が信号線625に接続され、第2電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)が駆動用トランジスタ622のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ622は、ゲート電極が容量素子623を介して電源線627に接続され、第1電極が電源線627に接続され、第2電極が発光素子624の第1電極(画素電極)に接続されている。発光素子624の第2電極は共通電極628に相当する。共通電極628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 620 includes a switching transistor 621, a driving transistor 622, a light-emitting element 624, and a capacitor 623. In the switching transistor 621, the gate electrode is connected to the scanning line 626, the first electrode (one of the source electrode and the drain electrode) is connected to the signal line 625, and the second electrode (the other of the source electrode and the drain electrode) is driven. The transistor 622 is connected to the gate electrode. The driving transistor 622 has a gate electrode connected to the power supply line 627 through the capacitor 623, a first electrode connected to the power supply line 627, and a second electrode connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 624. Has been. The second electrode of the light emitting element 624 corresponds to the common electrode 628. The common electrode 628 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621及び駆動用トランジスタ622は先の実施の形態に示す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素子を用いた表示パネルを提供することができる。   As the switching transistor 621 and the driving transistor 622, any of the transistors described in the above embodiments can be used as appropriate. Thereby, a display panel using a highly reliable organic EL element can be provided.

なお、発光素子624の第2電極(共通電極628)には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線627に設定される高電源電位を基準にして低電源電位<高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばGND、0Vなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子624に印加して、発光素子624に電流を流して発光素子624を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子624の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。   Note that a low power supply potential is set for the second electrode (the common electrode 628) of the light-emitting element 624. Note that the low power supply potential is a potential satisfying the low power supply potential <the high power supply potential with respect to the high power supply potential set in the power supply line 627. For example, GND, 0V, or the like is set as the low power supply potential. Also good. The potential difference between the high power supply potential and the low power supply potential is applied to the light emitting element 624 and a current is passed through the light emitting element 624 to cause the light emitting element 624 to emit light. Each potential is set to be equal to or higher than the forward threshold voltage.

なお、容量素子623は駆動用トランジスタ622のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ622のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。   Note that the capacitor 623 can be omitted by using the gate capacitance of the driving transistor 622 instead. With respect to the gate capacitance of the driving transistor 622, a capacitance may be formed between the channel formation region and the gate electrode.

ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ622のゲート電極には、駆動用トランジスタ622が十分なオン状態又はオフ状態の二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ622は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ622は線形領域で動作させるため、電源線627の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ622のゲート電極にかける。なお、信号線625には、(電源線電圧+駆動用トランジスタ622のVth)以上の電圧をかける。   Here, in the case of the voltage input voltage driving method, a video signal is input to the gate electrode of the driving transistor 622 so that the driving transistor 622 is in a sufficiently on state or an off state. That is, the driving transistor 622 is operated in a linear region. Since the driving transistor 622 operates in a linear region, a voltage higher than the voltage of the power supply line 627 is applied to the gate electrode of the driving transistor 622. Note that a voltage equal to or higher than (power supply line voltage + Vth of the driving transistor 622) is applied to the signal line 625.

また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図25(C)と同じ画素構成を用いることができる。   In addition, when analog grayscale driving is performed instead of digital time grayscale driving, the same pixel structure as that in FIG. 25C can be used by changing signal input.

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ622のゲート電極に発光素子624の順方向電圧+駆動用トランジスタ622のVth以上の電圧をかける。発光素子624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。なお、駆動用トランジスタ622が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子624に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ622を飽和領域で動作させるため、電源線627の電位は、駆動用トランジスタ622のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子624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。   When analog gradation driving is performed, a voltage equal to or higher than the forward voltage of the light emitting element 624 and Vth of the driving transistor 622 is applied to the gate electrode of the driving transistor 622. The forward voltage of the light-emitting element 624 refers to a voltage for obtaining desired luminance, and includes at least a forward threshold voltage. Note that when a video signal that causes the driving transistor 622 to operate in the saturation region is input, a current can flow through the light-emitting element 624. In order to operate the driving transistor 622 in the saturation region, the potential of the power supply line 627 is set higher than the gate potential of the driving transistor 622. By making the video signal analog, current corresponding to the video signal can be supplied to the light emitting element 624 to perform analog gradation driving.

なお、図25(C)に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図25(C)に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。   Note that the pixel structure illustrated in FIG. 25C is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態11)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。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等のカメラ、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。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について説明する。
(Embodiment 11)
The semiconductor device disclosed in this specification can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). 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 camera such as a digital camera or a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (a mobile phone or a mobile phone). Large-sized game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproduction apparatuses, and pachinko machines. Examples of electronic devices each including the semiconductor device described in any of the above embodiments will be described.

図26(A)は、携帯型の情報端末であり、本体1001、筐体1002、表示部1003a、1003bなどによって構成されている。表示部1003bはタッチパネルとなっており、表示部1003bに表示されるキーボードボタン1004を触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部1003aをタッチパネルとして構成してもよい。先の実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1003a、1003bに適用することにより、携帯型の情報端末の表示部の信頼性を向上させることができる。   FIG. 26A illustrates a portable information terminal which includes a main body 1001, a housing 1002, display portions 1003a and 1003b, and the like. The display portion 1003b is a touch panel, and screen operations and character input can be performed by touching a keyboard button 1004 displayed on the display portion 1003b. Of course, the display unit 1003a may be configured as a touch panel. By manufacturing a liquid crystal panel or an organic light-emitting panel using the transistor described in the above embodiment as a switching element and applying it to the display portions 1003a and 1003b, the reliability of the display portion of the portable information terminal can be improved. it can.

図26(A)は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。   FIG. 26A illustrates a function for displaying various types of information (still images, moving images, text images, etc.), a function for displaying a calendar, date, time, or the like on the display unit, and operating or editing information displayed on the display unit. A function, a function of controlling processing by various software (programs), and the like can be provided. In addition, an external connection terminal (such as an earphone terminal or a USB terminal), a recording medium insertion portion, or the like may be provided on the rear surface or side surface of the housing.

また、図26(A)に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。   The portable information terminal illustrated in FIG. 26A may be configured to be able to transmit and receive information wirelessly. It is also possible to adopt a configuration in which desired book data or the like is purchased and downloaded from an electronic book server wirelessly.

図26(B)は、携帯音楽プレイヤーであり、本体1021には表示部1023と、耳に装着するための固定部1022と、スピーカー、操作ボタン1024、外部メモリスロット1025等が設けられている。先の実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1023に適用することにより、携帯音楽プレイヤーの表示部の信頼性を向上させることができる。   FIG. 26B shows a portable music player. A main body 1021 is provided with a display portion 1023, a fixing portion 1022 to be attached to the ear, a speaker, operation buttons 1024, an external memory slot 1025, and the like. By manufacturing a liquid crystal panel or an organic light-emitting panel using the transistor described in the above embodiment as a switching element and applying it to the display portion 1023, the reliability of the display portion of the portable music player can be improved.

さらに、図26(B)に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。   Further, if the portable music player shown in FIG. 26B has an antenna, a microphone function, and a wireless function and is linked to a mobile phone, a wireless hands-free conversation is possible while driving a passenger car or the like.

図26(C)は、携帯電話であり、筐体1030及び筐体1031の二つの筐体で構成されている。筐体1031には、表示パネル1032、スピーカー1033、マイクロフォン1034、ポインティングデバイス1036、カメラ用レンズ1037、外部接続端子1038などを備えている。また、筐体1030には、携帯型情報端末の充電を行う太陽電池セル1040、外部メモリスロット1041などを備えている。また、アンテナは筐体1031内部に内蔵されている。先の実施の形態で示したトランジスタを表示パネル1032に適用することにより、携帯電話の表示部の信頼性を向上させることができる。   FIG. 26C illustrates a mobile phone, which includes two housings, a housing 1030 and a housing 1031. The housing 1031 includes a display panel 1032, a speaker 1033, a microphone 1034, a pointing device 1036, a camera lens 1037, an external connection terminal 1038, and the like. The housing 1030 is provided with a solar battery cell 1040 for charging the portable information terminal, an external memory slot 1041, and the like. The antenna is incorporated in the housing 1031. By applying the transistor described in the above embodiment to the display panel 1032, the reliability of the display portion of the cellular phone can be improved.

また、表示パネル1032はタッチパネルを備えており、図26(C)には映像表示されている複数の操作キー1035を点線で示している。なお、太陽電池セル1040で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。   The display panel 1032 includes a touch panel. A plurality of operation keys 1035 displayed as images is illustrated by dashed lines in FIG. Note that a booster circuit for boosting the voltage output from the solar battery cell 1040 to a voltage required for each circuit is also mounted.

表示パネル1032は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル1032と同一面上にカメラ用レンズ1037を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー1033及びマイクロフォン1034は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体1030と筐体1031は、スライドし、図26(C)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。   In the display panel 1032, the display direction can be appropriately changed depending on a usage pattern. In addition, since the camera lens 1037 is provided on the same surface as the display panel 1032, a videophone can be used. The speaker 1033 and the microphone 1034 can be used for videophone calls, recording and playing sound, and the like as well as voice calls. Further, the housing 1030 and the housing 1031 can be slid to be in an overlapped state from the developed state as illustrated in FIG. 26C, so that the size of the mobile phone can be reduced.

外部接続端子1038はACアダプタ及びUSBケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット1041に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。   The external connection terminal 1038 can be connected to an AC adapter and various types of cables such as a USB cable, and charging and data communication with a personal computer are possible. In addition, a recording medium can be inserted into the external memory slot 1041 so that a larger amount of data can be stored and moved.

また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。   In addition to the above functions, an infrared communication function, a television reception function, or the like may be provided.

図26(D)は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置1050は、筐体1051に表示部1053が組み込まれている。表示部1053により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、CPUを内蔵したスタンド1055により筐体1051を支持した構成を示している。先の実施の形態で示したトランジスタを表示部1053に適用することにより、テレビジョン装置1050の表示部の信頼性を向上させることができる。   FIG. 26D illustrates an example of a television set. In the television device 1050, a display portion 1053 is incorporated in a housing 1051. An image can be displayed on the display portion 1053. Here, a configuration in which the housing 1051 is supported by a stand 1055 with a built-in CPU is shown. By applying the transistor described in the above embodiment to the display portion 1053, the reliability of the display portion of the television device 1050 can be improved.

テレビジョン装置1050の操作は、筐体1051が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。   The television device 1050 can be operated with an operation switch provided in the housing 1051 or a separate remote controller. Further, the remote controller may be provided with a display unit that displays information output from the remote controller.

なお、テレビジョン装置1050は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。   Note that the television set 1050 is provided with a receiver, a modem, and the like. General TV broadcasts can be received by a receiver, and connected to a wired or wireless communication network via a modem, so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional (sender and receiver). It is also possible to perform information communication between each other or between recipients).

また、テレビジョン装置1050は、外部接続端子1054や、記憶媒体再生録画部1052、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子1054は、USBケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部1052では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ1056にデータ保存されている画像や映像などを表示部1053に映し出すことも可能である。   In addition, the television device 1050 includes an external connection terminal 1054, a storage medium playback / recording unit 1052, and an external memory slot. The external connection terminal 1054 can be connected to various types of cables such as a USB cable, and data communication with a personal computer or the like is possible. The storage medium playback / recording unit 1052 can insert a disk-shaped recording medium, read data stored in the recording medium, and write data to the recording medium. In addition, an image, a video, or the like stored in the external memory 1056 inserted into the external memory slot can be displayed on the display portion 1053.

また、先の実施の形態で示した記憶装置を外部メモリ1056やCPUに適用することにより、消費電力が十分に低減された信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。   In addition, by applying the memory device described in the above embodiment to the external memory 1056 or the CPU, the highly reliable television device 1050 with sufficiently reduced power consumption can be provided.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

Claims (5)

表面の一部が露出された酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、少なくとも前記ゲート電極の側面に接するサイドウォール絶縁膜とを形成し、
前記露出された酸化物半導体膜、前記ゲート電極及び前記サイドウォール絶縁膜上に金属元素を含む膜を形成した後、窒素雰囲気下で加熱処理をして、前記金属元素を含む膜の前記酸化物半導体膜に接する領域を酸化し、
前記酸化した領域を有する金属元素を含む膜を除去して、前記酸化物半導体膜の一部を露出することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an oxide semiconductor film in which a part of the surface is exposed, a gate insulating film, a gate electrode, and a sidewall insulating film in contact with at least a side surface of the gate electrode;
After forming the film containing a metal element over the exposed oxide semiconductor film, the gate electrode, and the sidewall insulating film, the oxide of the film containing the metal element is subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere. Oxidizes the region in contact with the semiconductor film,
A method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the film containing a metal element having the oxidized region is removed to expose part of the oxide semiconductor film.
表面の一部が露出された酸化物半導体膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、少なくとも前記ゲート電極の側面に接するサイドウォール絶縁膜とを形成し、
前記露出された酸化物半導体膜、前記ゲート電極及び前記サイドウォール絶縁膜上に金属元素を含む膜を形成した後、窒素雰囲気下で加熱処理をして、前記金属元素を含む膜の前記酸化物半導体膜に接する領域を酸化し、
前記酸化した領域を有する金属元素を含む膜及び前記酸化物半導体膜のエッチングガス又はエッチャントに対するエッチング速度の違いを利用し、前記酸化した領域を有する金属元素を含む膜を除去て、前記酸化物半導体膜の前記表面の一部を露出することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an oxide semiconductor film in which a part of the surface is exposed, a gate insulating film, a gate electrode, and a sidewall insulating film in contact with at least a side surface of the gate electrode;
After forming the film containing a metal element over the exposed oxide semiconductor film, the gate electrode, and the sidewall insulating film, the oxide of the film containing the metal element is subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere. Oxidizes the region in contact with the semiconductor film,
Said film comprising a metal element having the oxidized region and the by utilizing a difference in etching rate of the etching gas or etchant of the oxide semiconductor film, and removing a film containing a metal element having the oxidized region, said oxide A method for manufacturing a semiconductor device, comprising exposing a part of the surface of a semiconductor film.
請求項1又は請求項2において、
前記加熱処理は、前記酸化物半導体膜の前記金属元素を含む膜と接する領域に、前記金属元素を含む膜の元素が拡散し、前記領域が低抵抗化する温度で行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1 or claim 2,
The semiconductor is characterized in that the heat treatment is performed at a temperature at which the element of the film containing the metal element diffuses into a region in contact with the film containing the metal element of the oxide semiconductor film and the region has a low resistance. Device fabrication method.
絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上に酸素を含む絶縁膜を形成し、
前記酸素を含む絶縁膜上に絶縁性を有する第1の金属酸化膜を形成し、
前記第1の金属酸化膜上に、前記酸化物半導体膜と重畳するゲート電極を形成し、
前記ゲート電極をマスクとして、前記酸化物半導体膜にドーパントを注入し、
前記第1の金属酸化膜及び前記ゲート電極に接するサイドウォール絶縁膜を形成し、
前記酸素を含む絶縁膜の一部及び前記第1の金属酸化膜の一部を除去して、ドーパントが注入された酸化物半導体膜の一部を露出させると共にゲート絶縁膜を形成し、
少なくとも前記露出した酸化物半導体膜を覆う金属元素を含む膜を形成して、窒素雰囲気下で加熱処理をした後に前記金属元素を含む膜を除去し、
少なくとも前記金属元素を含む膜が除去された酸化物半導体膜を覆う、絶縁性を有する第2の金属酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an oxide semiconductor film over a substrate having an insulating surface;
Forming an insulating film containing oxygen over the oxide semiconductor film;
Forming an insulating first metal oxide film on the insulating film containing oxygen;
Forming a gate electrode overlying the oxide semiconductor film on the first metal oxide film;
Using the gate electrode as a mask, a dopant is implanted into the oxide semiconductor film,
Forming a sidewall insulating film in contact with the first metal oxide film and the gate electrode;
Removing a part of the insulating film containing oxygen and a part of the first metal oxide film to expose a part of the oxide semiconductor film into which the dopant has been implanted and forming a gate insulating film;
Forming a film containing a metal element covering at least the exposed oxide semiconductor film, removing the film containing the metal element after heat treatment in a nitrogen atmosphere;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein an insulating second metal oxide film is formed to cover an oxide semiconductor film from which a film containing at least the metal element is removed.
請求項4において、
前記金属元素を含む膜を形成して行う加熱処理は、前記ドーパントが注入された酸化物半導体膜の前記金属元素を含む膜と接する領域に、前記金属元素を含む膜の金属元素が拡散し、前記ドーパントが注入された酸化物半導体膜の前記サイドウォール絶縁膜と重畳する領域よりも低抵抗化する温度で行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
Oite to claim 4,
In the heat treatment performed by forming the film containing the metal element, the metal element of the film containing the metal element diffuses into a region in contact with the film containing the metal element of the oxide semiconductor film into which the dopant is implanted, The method for manufacturing a semiconductor device is performed at a temperature at which the resistance of the oxide semiconductor film into which the dopant is implanted is lower than that of a region overlapping with the sidewall insulating film.
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