[go: up one dir, main page]

JP6505769B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP6505769B2
JP6505769B2 JP2017078080A JP2017078080A JP6505769B2 JP 6505769 B2 JP6505769 B2 JP 6505769B2 JP 2017078080 A JP2017078080 A JP 2017078080A JP 2017078080 A JP2017078080 A JP 2017078080A JP 6505769 B2 JP6505769 B2 JP 6505769B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
insulating film
transistor
oxide semiconductor
oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2017078080A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017126791A (en
Inventor
岡崎 健一
健一 岡崎
宮本 敏行
敏行 宮本
野村 昌史
昌史 野村
貴士 羽持
貴士 羽持
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Publication of JP2017126791A publication Critical patent/JP2017126791A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6505769B2 publication Critical patent/JP6505769B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

本発明は、電界効果トランジスタを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a field effect transistor.

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
ンまた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。
A transistor used in many flat panel displays represented by a liquid crystal display device and a light emitting display device is formed of a silicon semiconductor such as amorphous silicon, single crystal silicon or polycrystalline silicon formed on a glass substrate. . In addition, transistors using the silicon semiconductor are also used in integrated circuits (ICs) and 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, in place of silicon semiconductors, a technique using a metal oxide exhibiting semiconductor characteristics for a transistor 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、またはIn−Ga−Zn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 technology is disclosed in which a transistor including zinc oxide or an In—Ga—Zn-based oxide is manufactured as an oxide semiconductor and the transistor is used as a switching element of a pixel of a display device (Patent Document 1) And Patent Document 2).

特開2007−123861号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-123861 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A

酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜の界面ま
たはゲート絶縁膜中に捕獲準位(界面準位ともいう。)があると、トランジスタのしきい
値電圧の変動、及びトランジスタがオン状態となるときにドレイン電流が一桁変化するの
に必要なゲート電圧を示すサブスレッショルド係数(S値)の増大の原因となる。この結
果、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。
In the transistor including an oxide semiconductor, fluctuation of the threshold voltage of the transistor and the trap state (also referred to as interface state) in the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film or in the gate insulating film This causes an increase in the subthreshold coefficient (S value) indicating the gate voltage required for the drain current to change by an order of magnitude when the transistor is turned on. As a result, there is a problem that the electrical characteristics vary among the transistors.

また、酸化物半導体膜及びゲート絶縁膜の界面またはゲート絶縁膜中に捕獲準位が含まれ
ると、経時変化や光ゲートBT(Bias−Temperature)ストレス試験によ
り、トランジスタの電気特性、代表的にはしきい値電圧が変動してしまうという問題があ
る。
In addition, when trap states are included in the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film or in the gate insulating film, electrical characteristics of the transistor can be reduced typically by a change over time or a light-gate BT (Bias-Temperature) stress test. There is a problem that the threshold voltage may fluctuate.

そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置において、電気特性を向上
させることを課題の一とする。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特
性の変動の少ない、信頼性の高い半導体装置を作製することを課題の一とする。
Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to improve electrical characteristics in a semiconductor device using an oxide semiconductor. Another object is to manufacture a highly reliable semiconductor device with little change in electrical characteristics due to change over time or an optical gate BT stress test.

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極の一部とゲート絶縁膜を介して重なる酸化
物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極とを有するトランジスタにおいて、酸
化物半導体膜に接する絶縁膜の一以上を膜密度が高く、且つ欠陥の少ない絶縁膜で形成す
ることを特徴とする。
One embodiment of the present invention is a transistor including a gate electrode, an oxide semiconductor film which overlaps with part of the gate electrode with a gate insulating film interposed therebetween, and a pair of electrodes in contact with the oxide semiconductor film; It is characterized in that one or more of the insulating films in contact are formed of an insulating film which has a high film density and which has few defects.

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極の一部とゲート絶縁膜を介して重なる酸化
物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極とを有するトランジスタにおいて、ゲ
ート絶縁膜を、膜密度が2.26g/cm以上2.63g/cm以下であり、電子ス
ピン共鳴法によって計測される信号において、g値が2.001に現れる信号のスピン密
度が2×1015spins/cm以下である絶縁膜で形成することを特徴とする。
One embodiment of the present invention is a transistor including a gate electrode, an oxide semiconductor film overlapping with part of the gate electrode with a gate insulating film interposed therebetween, and a pair of electrodes in contact with the oxide semiconductor film, film density is below 2.26 g / cm 3 or more 2.63 g / cm 3, in the signal measured by the electron spin resonance method, g values are the spin density of 2 × 10 15 of the signal appearing at 2.001 spins / It is characterized in that it is formed of an insulating film which is cm 3 or less.

本発明の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極の一部とゲート絶縁膜を介して重なる酸化
物半導体膜と、酸化物半導体膜に接する一対の電極と、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜と
接する面と反対の面において接する絶縁膜と、を有するトランジスタにおいて、ゲート絶
縁膜及び絶縁膜を、膜密度が2.26g/cm以上2.63g/cm以下であり、電
子スピン共鳴法によって計測される信号において、g値が2.001に現れる信号のスピ
ン密度が2×1015spins/cm以下である絶縁膜で形成することを特徴とする
One embodiment of the present invention includes a gate electrode, an oxide semiconductor film overlapping with a part of the gate electrode with the gate insulating film interposed therebetween, a pair of electrodes in contact with the oxide semiconductor film, and a gate insulating film of the oxide semiconductor film an insulating film in contact in the plane opposite to the surface in contact, in a transistor having a gate insulating film and the insulating film, the film density is at 2.26 g / cm 3 or more 2.63 g / cm 3 or less, by electron spin resonance A signal to be measured is formed using an insulating film in which a spin density of a signal whose g value appears at 2.001 is 2 × 10 15 spins / cm 3 or less.

なお、ゲート絶縁膜、及びゲート絶縁膜の反対側の面において酸化物半導体膜と接する絶
縁膜は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンである。
Note that the gate insulating film and the insulating film in contact with the oxide semiconductor film on the surface opposite to the gate insulating film are silicon oxide or silicon oxynitride.

酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、酸化物半導体膜に接する絶縁膜に、膜密
度が高く、欠陥の少ない絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧の変動が少
なく、電気特性のばらつきの少ない、優れた電気特性を有するトランジスタを作製するこ
とができる。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない
、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
In a transistor including an oxide semiconductor film, the use of an insulating film with high film density and few defects as an insulating film in contact with the oxide semiconductor film reduces variation in threshold voltage of the transistor and variation in electrical characteristics. It is possible to manufacture a transistor having few and excellent electrical characteristics. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a transistor. トランジスタの一形態を説明する断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a transistor. トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. トランジスタの作製方法の一形態を説明する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a transistor. トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. トランジスタの一形態を説明する上面図及び断面図である。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. トランジスタの一形態を説明する断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. トランジスタの一形態を説明する断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a transistor. 半導体装置の一形態を説明する断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を説明する回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一形態を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of a semiconductor device. 試料のスピン密度を説明する図である。It is a figure explaining the spin density of a sample. 試料の膜密度を説明する図である。It is a figure explaining the film density of a sample. トランジスタのしきい値電圧の変動を説明する図である。It is a figure explaining the fluctuation | variation of the threshold voltage of a transistor.

以下では、本発明の実施の形態及び実施例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及び実施例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、同一部分または同様の機能を
有する部分には、同一の符号また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 and examples 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 can be easily understood by those skilled in the art that various changes can be made in the form and details without departing from the spirit of the present invention and the scope thereof. Therefore,
The present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments and examples given below. In the embodiments and examples described below, the same reference numerals or the same hatch patterns are used in common in different drawings for the same portions or portions having similar functions, and the repetitive description thereof is omitted. 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、または領域は、明
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
It should be noted that in the figures described herein, the size of each component, the thickness of the film, or the area may be exaggerated for clarity. 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」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
Further, the terms first, second, third and the like used in the present specification are given to avoid confusion of components, and are not limited numerically. Therefore, for example, "first"
The description can be appropriately replaced with the second "or" or the like.

「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 switched when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in the present 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エッチング工程後に除去するものとする。
In this specification, in the case where the etching step is performed after the photolithography step,
The mask formed in the photolithography step is to be removed after the etching step.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置、及び当該半導体装置の作製方法に
ついて図面を参照して説明する。
Embodiment 1
In this embodiment mode, a semiconductor device which is one embodiment of the present invention and a manufacturing method of the semiconductor device are described with reference to drawings.

図1(A)乃至図1(C)に、半導体装置が有するトランジスタ10の上面図及び断面図
を示す。図1(A)はトランジスタ10の上面図であり、図1(B)は、図1(A)の一
点鎖線A−B間の断面図であり、図1(C)は、図1(A)の一点鎖線C−D間の断面図
である。なお、図1(A)では、明瞭化のため、基板11、下地絶縁膜13、トランジス
タ10の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁膜17)、絶縁膜23などを省略している
1A to 1C illustrate a top view and a cross-sectional view of the transistor 10 included in the semiconductor device. 1A is a top view of the transistor 10, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A-B in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view of FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line C-D. Note that in FIG. 1A, the substrate 11, the base insulating film 13, part of components of the transistor 10 (eg, the gate insulating film 17), the insulating film 23, and the like are omitted for clarity.

図1(B)及び図1(C)に示すトランジスタ10は、下地絶縁膜13上に形成されるゲ
ート電極15と、下地絶縁膜13及びゲート電極15上に形成されるゲート絶縁膜17と
、ゲート絶縁膜17を介して、ゲート電極15と重なる酸化物半導体膜19と、酸化物半
導体膜19に接する一対の電極21と、を有する。また、ゲート絶縁膜17、酸化物半導
体膜19、及び一対の電極21を覆う絶縁膜23を有する。
The transistor 10 illustrated in FIGS. 1B and 1C includes a gate electrode 15 formed over the base insulating film 13, a gate insulating film 17 formed over the base insulating film 13 and the gate electrode 15, and The oxide semiconductor film 19 overlapping with the gate electrode 15 and the pair of electrodes 21 in contact with the oxide semiconductor film 19 are provided with the gate insulating film 17 interposed therebetween. In addition, an insulating film 23 which covers the gate insulating film 17, the oxide semiconductor film 19, and the pair of electrodes 21 is provided.

本実施の形態に示すトランジスタ10は、ゲート絶縁膜17が、膜密度が高く、且つ欠陥
の少ない絶縁膜で形成されている。代表的には、ゲート絶縁膜17の膜密度が2.26g
/cm以上、理論膜密度である2.63g/cm以下、好ましくは2.30g/cm
以上2.63g/cm以下であり、ゲート絶縁膜17の膜密度が高い。また、電子ス
ピン共鳴法(ESR)によって計測される信号において、シリコンのタングリングボンド
を示すE’−center(g値が2.001)に現れる信号のスピン密度が2×10
spins/cm以下、さらに好ましくは検出下限(1×1015spins/cm
)以下であり、ゲート絶縁膜17に含まれるシリコンのダングリングボンドが極めて少
ない。このため、当該ゲート絶縁膜17を有するトランジスタ10のしきい値電圧の変動
が少なく、トランジスタ10は優れた電気特性を有する。
In the transistor 10 described in this embodiment, the gate insulating film 17 is formed of an insulating film with high film density and few defects. Typically, the film density of the gate insulating film 17 is 2.26 g
/ Cm 3 or more, theoretical film density 2.63 g / cm 3 or less, preferably 2.30 g / cm
The film density is 3 or more and 2.63 g / cm 3 or less, and the film density of the gate insulating film 17 is high. In addition, in the signal measured by electron spin resonance (ESR), the spin density of the signal appearing at E′-center (g value is 2.001) indicating a tongue ring bond of silicon is 2 × 10 1
5 spins / cm 3 or less, more preferably the lower detection limit (1 × 10 15 spins / cm
3 ) or less, and dangling bonds of silicon contained in the gate insulating film 17 are extremely small. Therefore, the threshold voltage of the transistor 10 including the gate insulating film 17 does not fluctuate significantly, and the transistor 10 has excellent electrical characteristics.

上記ゲート絶縁膜17となる絶縁膜としては、例えば厚さ5nm以上400nm以下、よ
り好ましくは10nm以上300nm以下、より好ましくは50nm以上250nm以下
の酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
As an insulating film to be the gate insulating film 17, for example, silicon oxide, silicon oxynitride or the like having a thickness of 5 nm to 400 nm, more preferably 10 nm to 300 nm, more preferably 50 nm to 250 nm can be used.

以下に、トランジスタ10の他の構成の詳細について説明する。 Details of other configurations of the transistor 10 will be described below.

基板11の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐
熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファ
イア基板等を、基板11として用いてもよい。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等の化合物半導体基板、SOI
基板等を適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、
基板11として用いてもよい。
The material of the substrate 11 and the like are not particularly limited, but at least the heat resistance needs to be sufficient to withstand the subsequent heat treatment. For example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like may be used as the substrate 11. In addition, single crystal semiconductor substrates such as silicon and silicon carbide, polycrystalline semiconductor substrates, compound semiconductor substrates such as silicon germanium, SOI
It is also possible to apply a substrate or the like, and those in which semiconductor elements are provided on these substrates,
It may be used as the substrate 11.

また、基板11として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、下地絶縁膜13及びト
ランジスタ10を形成してもよい。または、基板11と下地絶縁膜13の間に剥離層を設
けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板11
より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタ10は
耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate 11, and the base insulating film 13 and the transistor 10 may be formed directly on the flexible substrate. Alternatively, a peeling layer may be provided between the substrate 11 and the base insulating film 13. The peeling layer is formed on the substrate 11 after the semiconductor device is partially or completely completed.
It can be used to separate more and transfer to another substrate. At this time, the transistor 10 can be transferred to a substrate having low heat resistance or a flexible substrate.

下地絶縁膜13としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シ
リコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒
化アルミニウム等がある。なお、下地絶縁膜13として、窒化シリコン、酸化ガリウム、
酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム等を用いることで、基板11から
酸化物半導体膜19へ、アルカリ金属、水、水素等の不純物が拡散することを抑制できる
The base insulating film 13 includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, silicon nitride oxide, gallium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, and the like. As the base insulating film 13, silicon nitride, gallium oxide,
By using hafnium oxide, yttrium oxide, aluminum oxide or the like, diffusion of an impurity such as an alkali metal, water, hydrogen or the like from the substrate 11 to the oxide semiconductor film 19 can be suppressed.

ゲート電極15は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タング
ステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金
属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニ
ウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極
15は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアル
ミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜
上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造
、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チ
タン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成す
る三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブ
デン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の膜、または複数組み合わせた
合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
The gate electrode 15 is formed using a metal element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, or an alloy containing the above-described metal element, or an alloy combining the above-described metal elements, or the like. can do. In addition, a metal element selected from any one or more of manganese and zirconium may be used. The gate electrode 15 may have a single layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film Layer structure, a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film or a tungsten nitride film, a three-layer structure in which an aluminum film is stacked on a titanium film and a titanium film, and a titanium film is formed thereon is there. Alternatively, a film of an element selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium, or an alloy film or a combination of two or more elements may be used for aluminum.

また、ゲート電極15は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化
物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物
、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加し
たインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上
記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
The gate electrode 15 may be made of indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used. Alternatively, the light-transmitting conductive material can have a stacked-layer structure of the above-described metal element.

また、ゲート電極15とゲート絶縁膜17との間に、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体
膜、In−Sn系酸窒化物半導体膜、In−Ga系酸窒化物半導体膜、In−Zn系酸窒
化物半導体膜、Sn系酸窒化物半導体膜、In系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜(InN
、ZnN等)等を設けることが好ましい。これらの膜は5eV以上、好ましくは5.5e
V以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物
半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノー
マリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、In−Ga−Zn系酸窒化物
半導体膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体膜19より高い窒素濃度、具体的には7
原子%以上のIn−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる。
In addition, an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film, an In—Sn-based oxynitride semiconductor film, an In—Ga-based oxynitride semiconductor film, and an In—Zn between the gate electrode 15 and the gate insulating film 17. -Based oxynitride semiconductor film, Sn-based oxynitride semiconductor film, In-based oxynitride semiconductor film, metal nitride film (InN
, ZnN etc.) is preferably provided. These films are 5 eV or more, preferably 5.5 e
Since it has a work function of V or more and is a value larger than the electron affinity of an oxide semiconductor, the threshold voltage of a transistor including an oxide semiconductor can be positively shifted, which is a so-called normally-off characteristic. A switching element can be realized. For example, in the case of using an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film, a nitrogen concentration higher than at least the oxide semiconductor film 19, specifically, 7%.
An In-Ga-Zn-based oxynitride semiconductor film of atomic percent or more is used.

酸化物半導体膜19は、少なくともインジウム(In)若しくは亜鉛(Zn)を含むこと
が好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を
用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザー
の一または複数を有することが好ましい。
The oxide semiconductor film 19 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). Alternatively, it is preferable to contain both In and Zn. In addition, in order to reduce variation in electrical characteristics of a transistor including the oxide semiconductor, it is preferable to include one or more stabilizers in addition to them.

スタビライザーとしては、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、アル
ミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザーと
しては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(P
r)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(
Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウ
ム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等がある
As the stabilizer, there are gallium (Ga), tin (Sn), hafnium (Hf), aluminum (Al), zirconium (Zr), and the like. Other stabilizers include lanthanoids, lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (P
r), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (
Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu) and the like.

例えば、酸化物半導体として、一元系金属酸化物である酸化インジウム、酸化スズ、酸化
亜鉛、二元系金属酸化物であるIn−Zn系金属酸化物、Sn−Zn系金属酸化物、Al
−Zn系金属酸化物、Zn−Mg系金属酸化物、Sn−Mg系金属酸化物、In−Mg系
金属酸化物、In−Ga系金属酸化物、In−W系金属酸化物、三元系金属酸化物である
In−Ga−Zn系金属酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系金属酸化
物、In−Sn−Zn系金属酸化物、Sn−Ga−Zn系金属酸化物、Al−Ga−Zn
系金属酸化物、Sn−Al−Zn系金属酸化物、In−Hf−Zn系金属酸化物、In−
La−Zn系金属酸化物、In−Ce−Zn系金属酸化物、In−Pr−Zn系金属酸化
物、In−Nd−Zn系金属酸化物、In−Sm−Zn系金属酸化物、In−Eu−Zn
系金属酸化物、In−Gd−Zn系金属酸化物、In−Tb−Zn系金属酸化物、In−
Dy−Zn系金属酸化物、In−Ho−Zn系金属酸化物、In−Er−Zn系金属酸化
物、In−Tm−Zn系金属酸化物、In−Yb−Zn系金属酸化物、In−Lu−Zn
系金属酸化物、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系金属酸化物、In−H
f−Ga−Zn系金属酸化物、In−Al−Ga−Zn系金属酸化物、In−Sn−Al
−Zn系金属酸化物、In−Sn−Hf−Zn系金属酸化物、In−Hf−Al−Zn系
金属酸化物を用いることができる。
For example, as the oxide semiconductor, indium oxide which is a one-way metal oxide, tin oxide, zinc oxide, In-Zn-based metal oxide which is a two-way metal oxide, Sn-Zn-based metal oxide, Al
Zn-based metal oxide, Zn-Mg-based metal oxide, Sn-Mg-based metal oxide, In-Mg-based metal oxide, In-Ga-based metal oxide, In-W-based metal oxide, ternary system In-Ga-Zn-based metal oxide (also referred to as IGZO) which is a metal oxide, In-Al-Zn-based metal oxide, In-Sn-Zn-based metal oxide, Sn-Ga-Zn-based metal oxide , Al-Ga-Zn
-Based metal oxide, Sn-Al-Zn-based metal oxide, In-Hf-Zn-based metal oxide, In-
La-Zn based metal oxide, In-Ce-Zn based metal oxide, In-Pr-Zn based metal oxide, In-Nd-Zn based metal oxide, In-Sm-Zn based metal oxide, In- Eu-Zn
-Based metal oxide, In-Gd-Zn-based metal oxide, In-Tb-Zn-based metal oxide, In-
Dy-Zn based metal oxide, In-Ho-Zn based metal oxide, In-Er-Zn based metal oxide, In-Tm-Zn based metal oxide, In-Yb-Zn based metal oxide, In- Lu-Zn
-Based metal oxides, quaternary metal oxides In-Sn-Ga-Zn-based metal oxides, In-H
f-Ga-Zn based metal oxide, In-Al-Ga-Zn based metal oxide, In-Sn-Al
A -Zn-based metal oxide, an In-Sn-Hf-Zn-based metal oxide, or an In-Hf-Al-Zn-based metal oxide can be used.

なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系金属酸化物とは、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。
Here, for example, an In—Ga—Zn-based metal oxide means an oxide having In, Ga, and Zn as main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Also, In
And may contain metal elements other than Ga and Zn.

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
一の金属元素また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。
In addition, as an oxide semiconductor, InMO 3 (ZnO) m (m> 0, and m is not an integer)
The material represented by may be used. M represents one or more metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. In addition, as an oxide semiconductor, In 2 SnO 5
A material represented by (ZnO) n (n> 0, and n is an integer) may be used.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Z
n=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系金属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系金属酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。なお、金属酸化物の
原子数比は、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス20%の変動を含む。
For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Ga: Z
n = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1/5), or In: Ga: Zn = 3: 1: 2
An In—Ga—Zn-based metal oxide having an atomic ratio of (= 1/2: 1/6: 1/3) or an oxide near the composition thereof can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 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 (= In- of atomic ratio of 1/4: 1/8: 5/8)
It is preferable to use an Sn—Zn-based metal oxide or an oxide near the composition thereof. Note that the atomic ratio of the metal oxide includes a variation of plus or minus 20% of the above atomic ratio as an error.

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性及び電気特性(電界効果移動度、しき
い値電圧等)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及
び電気特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、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 to these, and one having an appropriate composition may be used according to the required semiconductor characteristics and electrical characteristics (field effect mobility, threshold voltage, etc.). Further, in order to obtain the required semiconductor characteristics and electrical characteristics, it is preferable to set the carrier density, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal element to oxygen, interatomic distance, density and the like to be appropriate.

例えば、In−Sn−Zn系金属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系金属酸化物でも、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 in an In-Sn-Zn-based metal oxide. However, even in the In—Ga—Zn-based metal oxide, the mobility can be increased by lowering the defect density in the bulk.

また、酸化物半導体膜19に形成することが可能な金属酸化物は、エネルギーギャップが
2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である。このように
、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低
減することができる。
The metal oxide that can be formed in the oxide semiconductor film 19 has an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more. As described above, with the use of the oxide semiconductor with a wide energy gap, the off-state current of the transistor can be reduced.

また、酸化物半導体膜19は、非晶質構造、単結晶構造、または多結晶構造であってもよ
い。
The oxide semiconductor film 19 may have an amorphous structure, a single crystal structure, or a polycrystalline structure.

また、酸化物半導体膜19は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、C
AAC(C Axis Aligned Crystal)、多結晶、微結晶、非晶質部
の一以上を有する。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 Crystal Oxide Sem
iconductor)と呼ぶ。酸化物半導体膜19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。
The oxide semiconductor film 19 may have, for example, a non-single crystal. Non-single crystals are, for example, C
AAC (C Axis Aligned Crystal), polycrystal, microcrystalline, having one or more of amorphous parts. The amorphous part has a higher density of defect states than microcrystalline or CAAC. In addition, microcrystals have a higher density of defect states than CAAC. Note that an oxide semiconductor containing a CAAC is
CAAC-OS (C Axis Aligned Crystal Oxide Sem
It is called an iconductor. The oxide semiconductor film 19 may have, for example, a CAAC-OS. The CAAC-OS is, for example, c-axis oriented, and the a-axis or / and the b-axis are not aligned with the macro.

酸化物半導体膜19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10n
m未満のサイズの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を膜中に含む。
The oxide semiconductor film 19 may have, for example, microcrystalline. Note that an oxide semiconductor having microcrystalline is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. The microcrystalline oxide semiconductor film is, for example, 1 nm to 10 n
Microcrystals (also referred to as nanocrystals) with a size of less than m are included in the film.

酸化物半導体膜19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。
The oxide semiconductor film 19 may have an amorphous portion, for example. Note that an oxide semiconductor having an amorphous portion is referred to as an amorphous oxide semiconductor. The amorphous oxide semiconductor film has, for example, disordered atomic arrangement and no crystalline component. Alternatively, the amorphous oxide semiconductor film is, for example, completely amorphous and does not have a crystal part.

なお、酸化物半導体膜19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 19 may be a mixed film of a CAAC-OS, a microcrystalline oxide semiconductor, or an amorphous oxide semiconductor. The mixed film includes, for example, a region of an amorphous oxide semiconductor, a region of a microcrystalline oxide semiconductor, and a region of a CAAC-OS. The mixed film may have, for example, a stacked structure of a region of an amorphous oxide semiconductor, a region of a microcrystalline oxide semiconductor, and a region of a CAAC-OS.

なお、酸化物半導体膜19は、例えば、単結晶を有してもよい。 Note that the oxide semiconductor film 19 may have, for example, a single crystal.

酸化物半導体膜19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 19 preferably includes a plurality of crystal parts, and c axes of the crystal parts are preferably aligned in a direction parallel to a normal vector of the formation surface or a normal vector of the surface. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. A CAAC-OS film is an example of such an oxide semiconductor film.

ここでCAAC−OS膜の詳細について説明する。CAAC−OS膜に含まれる結晶部は
、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。
Here, the details of the CAAC-OS film are described. In most cases, the crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 100 nm. Also, a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope)
In the observation image according to the above, the boundary between the crystal part and the crystal part contained in the CAAC-OS film is not clear. In addition, a clear grain boundary (also referred to as a grain boundary) can not be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, a decrease 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
ベクトルまた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または六角形状に配列を有し、c軸に垂直な方向から見
て金属原子が層状また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。
For example, the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned such that the c-axis is parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and the direction perpendicular to the ab plane The metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape as viewed from the direction perpendicular to the c-axis, and the metal atoms are arranged in layers or the metal atoms and the oxygen atoms are arranged in layers. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In the present specification, the term “perpendicular” also includes a range of 80 ° to 100 °, preferably 85 ° to 95 °. Moreover, when it describes only as parallel, it shall also contain the range of -10 degrees or more and 10 degrees or less, preferably -5 degrees or more and 5 degrees or less.

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、CAA
C−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、CA
AC−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の結晶
性が低下することもある。
In the CAAC-OS film, distribution of crystal parts is not necessarily uniform. For example, CAA
In the case of crystal growth from the surface side of the oxide semiconductor film in the formation process of the C-OS film, the proportion of the crystal part in the vicinity of the surface may be higher than that in the vicinity of the formation surface. Also, CA
By adding the impurity to the AC-OS film, the crystallinity of the crystal part in the impurity added region may be lowered.

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
ルまた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または表面の断面形状)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または表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。
The c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface; therefore, 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), they may be directed in different directions. In addition, 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-axis of the crystal part is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the normal vector of the surface when the CAAC-OS film is formed.

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。
The transistor including the CAAC-OS film has less variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light. Thus, the transistor is highly reliable.

また、酸化物半導体膜19は、複数の酸化物半導体膜が積層された構造でもよい。例えば
、酸化物半導体膜19を、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜の積層として、
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物を用いてもよ
い。例えば、第1の酸化物半導体膜に二元系金属酸化物乃至四元系金属酸化物の一を用い
、第2の酸化物半導体膜に第1の酸化物半導体膜と異なる二元系金属酸化物乃至四元系金
属酸化物を用いてもよい。
The oxide semiconductor film 19 may have a structure in which a plurality of oxide semiconductor films are stacked. For example, the oxide semiconductor film 19 is a stack of a first oxide semiconductor film and a second oxide semiconductor film.
Metal oxides of different compositions may be used for the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film. For example, a binary metal oxide which is different from the first oxide semiconductor film is used for the second oxide semiconductor film, using one of a binary metal oxide to a quaternary metal oxide for the first oxide semiconductor film. Alternatively, quaternary or quaternary metal oxides may be used.

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。なお、
各酸化物半導体膜の原子数比は、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス20%の変
動を含む。
The constituent elements of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film may be the same, and the compositions of the two may be different. For example, the atomic ratio of the first oxide semiconductor film can be expressed as In: Ga: Zn = 1
Alternatively, the atomic ratio of the second oxide semiconductor film may be In: 1: 3: 1: 2. Further, the atomic ratio of the first oxide semiconductor film is set to In: Ga: Zn = 1: 3: 2,
The atomic ratio of the second oxide semiconductor film may be In: Ga: Zn = 2: 1: 3. Note that
The atomic ratio of each oxide semiconductor film includes a variation of plus or minus 20% of the atomic ratio described above as an error.

この時、第1の酸化物半導体膜と第2の酸化物半導体膜のうち、ゲート電極に近い側(チ
ャネル側)の酸化物半導体膜のInとGaの含有率をIn>Gaとするとよい。またゲー
ト電極から遠い側(バックチャネル側)の酸化物半導体膜のInとGaの含有率をIn≦
Gaとするとよい。
At this time, in the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film, the content ratio of In and Ga in the oxide semiconductor film closer to the gate electrode (channel side) may be In> Ga. Further, the In and Ga contents of the oxide semiconductor film on the side (back channel side) far from the gate electrode are In ≦≦.
It is good to be 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、より多くのs軌道が重なるため、In>Gaの組成となる酸化物
はIn≦Gaの組成となる酸化物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
となる酸化物はIn>Gaの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備える。
In oxide semiconductors, the s orbital of heavy metal mainly contributes to carrier conduction, and by increasing the In content, more s orbitals overlap, so that an oxide with a composition of In> Ga is In ≦ Ga. It has a high mobility compared to the oxide that has the composition of In addition, since Ga has a large formation energy of oxygen vacancy compared to In and is less likely to cause oxygen vacancy, an oxide having a composition of In ≦ Ga has stable characteristics compared to an oxide having a composition of In> Ga. Prepare.

チャネル側にIn>Gaの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にIn≦
Gaの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの電界効果移動度および
信頼性をさらに高めることが可能となる。
An oxide semiconductor with a composition of In> Ga is applied to the channel side, and In ≦≦ on the back channel side.
By using an oxide semiconductor which has a composition of Ga, the field-effect mobility and reliability of the transistor can be further improved.

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、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半
導体、非晶質酸化物半導体、またはCAAC−OS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
質酸化物半導体を適用すると、酸化物半導体膜19の内部応力や外部からの応力を緩和し
、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、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 with different crystallinity may be applied to the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film. That is, a single crystal oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, a microcrystalline oxide semiconductor, an amorphous oxide semiconductor, or a CAAC-OS may be combined as appropriate. In addition, when an amorphous oxide semiconductor is applied to at least one of the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film, internal stress or stress from the outside of the oxide semiconductor film 19 is alleviated. Variations in transistor characteristics are reduced, and transistor reliability can be further enhanced.

酸化物半導体膜19の厚さは、1nm以上100nm以下、更に好ましくは1nm以上5
0nm以下、更に好ましくは1nm以上30nm以下、更に好ましくは3nm以上20n
m以下とすることが好ましい。
The thickness of the oxide semiconductor film 19 is 1 nm to 100 nm, preferably 1 nm to 5 nm.
0 nm or less, more preferably 1 nm to 30 nm, further preferably 3 nm to 20 n
It is preferable to set it as m or less.

酸化物半導体膜19において、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度は、1×10
18atoms/cm以下、さらに好ましくは2×1016atoms/cm以下で
あることが望ましい。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合すると
キャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流の上昇の原因となるためである
In the oxide semiconductor film 19, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal is 1 × 10
It is desirable that it is 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. When an alkali metal or an alkaline earth metal is bonded to an oxide semiconductor, a carrier may be generated, which causes an increase in off-state current of the transistor.

酸化物半導体膜19には、5×1018atoms/cm以下の窒素が含まれてもよい
The oxide semiconductor film 19 may contain nitrogen of 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

一対の電極21は、導電材料として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イ
ットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単
体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば
、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二
層構造、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、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜
または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタ
ン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、
そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し
、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。な
お、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
The pair of electrodes 21 has a single-layer structure or a single metal composed of aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten as a conductive material, or an alloy containing this as a main component Used as a laminated structure. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a tungsten film, a copper film on a copper-magnesium-aluminum alloy film A two-layer structure to be stacked, a three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is stacked on the titanium film or titanium nitride film and the titanium film or titanium nitride film and further a titanium film or a titanium nitride film is formed thereon A molybdenum film or a molybdenum nitride film,
There is a three-layer structure or the like in which an aluminum film or a copper film is stacked on the molybdenum film or the molybdenum nitride film, and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.

絶縁膜23は、厚さが30nm以上500nm以下、好ましくは100nm以上400n
m以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ア
ルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用い
ればよく、積層または単層で設ける。
The insulating film 23 has a thickness of 30 nm to 500 nm, preferably 100 nm to 400 n.
A silicon oxide, a silicon oxynitride, a silicon nitride oxide, a silicon nitride, an aluminum oxide, an aluminum oxynitride, an aluminum nitride oxide, an aluminum nitride, or the like which is less than or equal to m may be used.

なお、絶縁膜23として、ゲート絶縁膜17と同様に、膜密度が高く、且つ欠陥の少ない
絶縁膜、代表的には、膜密度が2.26g/cm以上、理論膜密度である2.63g/
cm以下、好ましくは2.30g/cm以上2.63g/cm以下であり、電子ス
ピン共鳴法によって計測される信号において、g値が2.001に現れる信号のスピン密
度が2×1015spins/cm以下、さらに好ましくは検出下限(1×1015
pins/cm)以下である絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧の変
動を抑制することができる。
As the insulating film 23, an insulating film having a high film density and few defects, as in the case of the gate insulating film 17, typically, a film density of 2.26 g / cm 3 or more and a theoretical film density 2. 63g /
cm 3, preferably not more than 2.30 g / cm 3 or more 2.63 g / cm 3, in the signal measured by the electron spin resonance method, signals spin density of 2 × 10 of the g value appears to 2.001 15 spins / cm 3 or less, more preferably the lower detection limit (1 × 10 15 s
By using the insulating film which is smaller than or equal to pins / cm 3 , variation in threshold voltage of the transistor can be suppressed.

なお、酸化物半導体膜19がインジウムを含む金属酸化物で形成される場合、絶縁膜23
に1×1015atoms/cm以上5×1017atoms/cm以下のインジウ
ムが含まれる。これは、絶縁膜23の成膜の際に酸化物半導体膜19に含まれるインジウ
ムが絶縁膜23へと拡散するためである。なお、絶縁膜23の成膜温度が高くなるにつれ
、例えば350℃以上であると、絶縁膜23に含まれるインジウムの含有量が増加する。
Note that in the case where the oxide semiconductor film 19 is formed of a metal oxide containing indium, the insulating film 23
And 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less of indium. This is because indium contained in the oxide semiconductor film 19 diffuses into the insulating film 23 when the insulating film 23 is formed. Note that, as the film formation temperature of the insulating film 23 becomes higher, for example, 350 ° C. or more, the content of indium contained in the insulating film 23 increases.

次に、図1に示す半導体装置が有するトランジスタの作製方法について、図2を用いて説
明する。
Next, a method for manufacturing a transistor included in the semiconductor device illustrated in FIG. 1 is described with reference to FIGS.

図2(A)に示すように、基板11上に下地絶縁膜13及びゲート電極15を形成し、ゲ
ート電極15上にゲート絶縁膜17を形成する。次に、ゲート絶縁膜17上に酸化物半導
体膜18を形成する。
As shown in FIG. 2A, the base insulating film 13 and the gate electrode 15 are formed on the substrate 11, and the gate insulating film 17 is formed on the gate electrode 15. Next, the oxide semiconductor film 18 is formed over the gate insulating film 17.

下地絶縁膜13は、スパッタリング法、CVD法等により形成する。ここでは、厚さ10
0nmの酸化窒化シリコン膜をCVD法により形成する。
The base insulating film 13 is formed by sputtering, CVD or the like. Here, thickness 10
A 0 nm silicon oxynitride film is formed by a CVD method.

ゲート電極15の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、CVD法、蒸着
法等により導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成する
。次に、該マスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極15を形成する。
この後、マスクを除去する。
The formation method of the gate electrode 15 is shown below. First, a conductive film is formed by a sputtering method, a CVD method, an evaporation method, or the like, and a mask is formed over the conductive film by a photolithography step. Next, part of the conductive film is etched using the mask to form the gate electrode 15.
After this, the mask is removed.

なお、ゲート電極15は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェ
ット法等で形成してもよい。
The gate electrode 15 may be formed by an electrolytic plating method, a printing method, an inkjet method or the like instead of the above forming method.

ここでは、厚さ100nmのタングステン膜をスパッタリング法により形成する。次に、
フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いてタングステン膜をド
ライエッチングして、ゲート電極15を形成する。
Here, a tungsten film with a thickness of 100 nm is formed by a sputtering method. next,
A mask is formed by a photolithography step, and the tungsten film is dry etched using the mask to form the gate electrode 15.

ゲート絶縁膜17は、プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を
300℃以上400℃以下、さらに好ましくは320℃以上380℃以下に保持し、処理
室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を30Pa以上250Pa以下、さらに好
ましくは40Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0.17W/c
以上0.5W/cm以下、さらに好ましくは0.26W/cm以上0.35W/
cm以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン
膜を形成する。
The gate insulating film 17 holds the substrate placed in the evacuated processing chamber of the plasma CVD apparatus at 300 ° C. to 400 ° C., more preferably 320 ° C. to 380 ° C., and introduces the source gas into the processing chamber. The pressure in the processing chamber is set to 30 Pa to 250 Pa, more preferably 40 Pa to 200 Pa, and the electrode provided in the processing chamber is 0.17 W / c.
m 2 or more 0.5 W / cm 2 or less, more preferably 0.26 W / cm 2 or more 0.35 W /
A silicon oxide film or a silicon oxynitride film is formed under the condition of supplying high frequency power of cm 2 or less.

ゲート絶縁膜17の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用い
ることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、ト
リシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、
二酸化窒素、乾燥空気等がある。
As a source gas of the gate insulating film 17, it is preferable to use a deposition gas containing silicon and an oxidizing gas. Typical examples of the deposition gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, fluorosilane and the like. Oxidizing gases include oxygen, ozone, nitrous oxide,
There are nitrogen dioxide, dry air, etc.

ゲート絶縁膜17の成膜条件において、高周波電力のパワー密度を上記のように高いパワ
ー密度とすることで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し
、シリコンを含む堆積性気体の酸化が進む。さらに、基板温度を、上記温度とすることで
、シリコン及び酸素の結合力が強くなる。これらの結果、ゲート絶縁膜として膜密度が高
く、且つシリコンのダングリングボンドの少ない絶縁膜、即ち膜密度が高く、且つ欠陥の
少ない酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
Under the film forming conditions of the gate insulating film 17, by setting the power density of the high frequency power to the high power density as described above, the decomposition efficiency of the source gas in the plasma is enhanced, the oxygen radicals are increased, and the deposition including silicon is performed. Gas oxidation proceeds. Further, by setting the substrate temperature to the above temperature, the bonding strength between silicon and oxygen becomes strong. As a result, an insulating film with high film density and few dangling bonds of silicon, that is, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with high film density and few defects can be formed as a gate insulating film.

ここでは、厚さ250nmの酸化窒化シリコン膜をCVD法により形成することで、ゲー
ト絶縁膜17を形成する。
Here, a gate insulating film 17 is formed by forming a silicon oxynitride film having a thickness of 250 nm by a CVD method.

酸化物半導体膜18は、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーア
ブレーション法等により形成する。
The oxide semiconductor film 18 is formed by a sputtering method, a coating method, a pulsed laser deposition method, a laser ablation method, or the like.

スパッタリング法で酸化物半導体膜18を形成する場合、プラズマを発生させるための電
源装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。
In the case of forming the oxide semiconductor film 18 by a sputtering method, an RF power supply, an AC power supply, a DC power supply, or the like can be used as appropriate as a power supply for generating plasma.

スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び
酸素の混合ガス雰囲気を適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに
対して酸素のガス比を高めることが好ましい。
As a sputtering gas, a rare gas (typically, argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, and a mixed gas atmosphere of a rare gas and oxygen are appropriately used. In the case of a mixed gas of a rare gas and oxygen, it is preferable to increase the gas ratio of oxygen to the rare gas.

また、ターゲットは、形成する酸化物半導体膜18の組成にあわせて、適宜選択すればよ
い。
The target may be selected as appropriate in accordance with the composition of the oxide semiconductor film 18 to be formed.

なお、酸化物半導体膜18を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基
板温度を150℃以上750℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下、さらに好ま
しくは200℃以上350℃以下として、酸化物半導体膜18を成膜することで、CAA
C−OS膜を形成することができる。
When the oxide semiconductor film 18 is formed, for example, in the case of using a sputtering method, the substrate temperature is set to 150 ° C. to 750 ° C., preferably 150 ° C. to 450 ° C., and more preferably 200 ° C. to 350 ° C. By forming the oxide semiconductor film 18, the CAA
A C-OS film can be formed.

なお、CAAC−OS膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲ
ットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイ
オンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面から劈開
し、a−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥
離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持した
まま基板に到達することで、CAAC−OS膜を成膜することができる。
Note that the CAAC-OS film is formed, for example, by a sputtering method using a polycrystalline oxide semiconductor sputtering target. When ions collide with the sputtering target, the crystal region included in the sputtering target is cleaved from the a-b plane, and separated as flat-plate-like or pellet-like sputtering particles having a plane parallel to the a-b plane. is there. In this case, the CAAC-OS film can be formed by the flat sputtering particles reaching the substrate while maintaining the crystalline state.

また、CAAC−OS膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。 Further, in order to form a CAAC-OS film, the following conditions are preferably applied.

成膜時の不純物混入を抑制することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制でき
る。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)を
低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が
−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
By suppressing the mixing of impurities at the time of film formation, it is possible to suppress that the crystal state is broken by the impurities. For example, the concentration of impurities (such as hydrogen, water, carbon dioxide, and nitrogen) in the deposition chamber may be reduced. Further, the concentration of impurities in the deposition gas may be reduced. Specifically, a deposition gas whose dew point is lower than or equal to -80.degree. C., preferably lower than or equal to -100.degree. C. is used.

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグ
レーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上基板歪み点未満、好まし
くは200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、
平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり
、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
In addition, by raising the substrate heating temperature at the time of film formation, migration of sputtering particles occurs after reaching the substrate. Specifically, the film is formed at a substrate heating temperature of 100 ° C. or more and less than the substrate strain point, preferably 200 ° C. or more and 500 ° C. or less. By raising the substrate heating temperature during film formation,
When the flat sputtering particles reach the substrate, migration occurs on the substrate, and the flat surface of the sputtering particles adheres to the substrate.

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージ
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体
積%とする。
Further, it is preferable to reduce plasma damage at the time of film formation by increasing the proportion of oxygen in the film formation gas and optimizing the power. The proportion of oxygen in the deposition gas is 30% by volume or more, preferably 100% by volume.

スパッタリング用ターゲットの一例として、In−Ga−Zn系金属酸化物ターゲットに
ついて以下に示す。
An In—Ga—Zn-based metal oxide target is described below as an example of a sputtering target.

InO粉末、GaO粉末およびZnO粉末を所定のmol数比で混合し、加圧処理
後、1000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−G
a−Zn系金属酸化物ターゲットとする。なお、X、YおよびZは任意の正数である。こ
こで、所定のmol数比は、例えば、InO粉末、GaO粉末およびZnO粉末が
、2:2:1、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2であ
る。なお、粉末の種類、およびその混合するmol数比は、作製するスパッタリング用タ
ーゲットによって適宜変更すればよい。
In-G which is polycrystalline by mixing InO X powder, GaO Y powder, and ZnO Z powder at a predetermined molar ratio, heat-treating at a temperature of 1000 ° C. to 1500 ° C. after pressure treatment
An a-Zn-based metal oxide target is used. Note that X, Y and Z are arbitrary positive numbers. Here, the predetermined molar ratio is, for example, InO X powder, GaO Y powder, and ZnO Z powder: 2: 2: 1, 8: 4: 3, 3: 1: 1, 1: 1: 1, 4 It is 2: 3 or 3: 1: 2. The type of powder and the molar ratio to be mixed may be changed as appropriate depending on the sputtering target to be produced.

次に、図2(B)に示すように、ゲート絶縁膜17上であって、ゲート電極15の一部と
重なるように、素子分離された酸化物半導体膜19を形成する。酸化物半導体膜18上に
フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜1
8の一部をエッチングすることで、素子分離された酸化物半導体膜19を形成することが
できる。
Next, as illustrated in FIG. 2B, the oxide semiconductor film 19 which is separated into elements is formed on the gate insulating film 17 so as to overlap with part of the gate electrode 15. After a mask is formed over the oxide semiconductor film 18 by a photolithography step, the oxide semiconductor film 1 is formed using the mask.
By etching part of the element 8, the element-separated oxide semiconductor film 19 can be formed.

また、酸化物半導体膜19として印刷法を用いることで、素子分離された酸化物半導体膜
19を直接的に形成することができる。
In addition, by using a printing method as the oxide semiconductor film 19, the oxide semiconductor film 19 which is subjected to element isolation can be formed directly.

ここでは、スパッタリング法により、厚さ35nmの酸化物半導体膜18を形成した後、
当該酸化物半導体膜18上にマスクを形成し、酸化物半導体膜18の一部を選択的にエッ
チングすることで、酸化物半導体膜19を形成する。こののち、マスクを除去する。
Here, after the oxide semiconductor film 18 with a thickness of 35 nm is formed by sputtering,
A mask is formed over the oxide semiconductor film 18, and a part of the oxide semiconductor film 18 is selectively etched to form the oxide semiconductor film 19. After this, the mask is removed.

次に、図2(C)に示すように、一対の電極21を形成する。 Next, as shown in FIG. 2C, a pair of electrodes 21 is formed.

一対の電極21の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、CVD法、蒸着
法等で導電膜を形成する。次に、該導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形
成する。次に、該マスクを用いて導電膜をエッチングして、一対の電極21を形成する。
この後、マスクを除去する。
The method of forming the pair of electrodes 21 is shown below. First, a conductive film is formed by a sputtering method, a CVD method, an evaporation method, or the like. Next, a mask is formed over the conductive film by a photolithography step. Next, the conductive film is etched using the mask to form a pair of electrodes 21.
After this, the mask is removed.

ここでは、スパッタリング法により厚さ50nmのタングステン膜、厚さ400nmのア
ルミニウム膜、及び厚さ100nmのチタン膜を順にスパッタリング法により積層する。
次に、チタン膜上にフォトリソグラフィ工程によりマスクを形成し、当該マスクを用いて
タングステン膜、アルミニウム膜、及びチタン膜をドライエッチングして、一対の電極2
1を形成する。
Here, a 50-nm-thick tungsten film, a 400-nm-thick aluminum film, and a 100-nm-thick titanium film are sequentially stacked by a sputtering method by a sputtering method.
Next, a mask is formed over the titanium film by a photolithography step, and the tungsten film, the aluminum film, and the titanium film are dry etched using the mask to form a pair of electrodes 2.
Form one.

なお、一対の電極21を形成した後、エッチング残渣を除去するため、洗浄処理をするこ
とが好ましい。この洗浄処理を行うことで、一対の電極21の短絡を抑制することができ
る。当該洗浄処理は、TMAH(Tetramethylammonium Hydro
xide)溶液などのアルカリ性の溶液、希フッ酸、シュウ酸、リン酸などの酸性の溶液
、または水を用いて行うことができる。
Note that after the pair of electrodes 21 is formed, a cleaning process is preferably performed to remove etching residues. By performing this cleaning process, a short circuit of the pair of electrodes 21 can be suppressed. The cleaning process is carried out using TMAH (Tetramethylammonium Hydro
It can be carried out using an alkaline solution such as a solution, an acidic solution such as dilute hydrofluoric acid, oxalic acid or phosphoric acid, or water.

次に、図2(D)に示すように、絶縁膜23を形成する。 Next, as shown in FIG. 2D, the insulating film 23 is formed.

絶縁膜23は、CVD法またはスパッタリング法により形成する。 The insulating film 23 is formed by a CVD method or a sputtering method.

なお、ゲート絶縁膜17と同様の条件を用いて、絶縁膜23として膜密度が高く、且つ欠
陥の少ない絶縁膜を形成してもよい。
Note that under the same conditions as the gate insulating film 17, an insulating film with high film density and few defects may be formed as the insulating film 23.

または、プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を180℃以上
250℃以下、さらに好ましくは180℃以上230℃以下に保持し、処理室に原料ガス
を導入して処理室内における圧力を100Pa以上250Pa以下、さらに好ましくは1
00Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0.17W/cm以上
0.5W/cm以下、さらに好ましくは0.25W/cm以上0.35W/cm
下の高周波電力を供給する条件により、絶縁膜23として、酸化シリコン膜または酸化窒
化シリコン膜を形成してもよい。
Alternatively, the substrate placed in the evacuated processing chamber of the plasma CVD apparatus is maintained at 180 ° C. or more and 250 ° C. or less, more preferably 180 ° C. or more and 230 ° C. or less, and source gas is introduced into the processing chamber Pressure in the range from 100 Pa to 250 Pa, more preferably 1
And 00Pa or 200Pa or less, the process in the electrode provided in the indoor 0.17 W / cm 2 or more 0.5 W / cm 2 or less, more preferably supply the following high-frequency power 0.25 W / cm 2 or more 0.35 W / cm 2 Depending on the conditions, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film may be formed as the insulating film 23.

絶縁膜23の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いること
が好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラ
ン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化
窒素等がある。
As a source gas of the insulating film 23, it is preferable to use a deposition gas containing silicon and an oxidizing gas. Typical examples of the deposition gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, fluorosilane and the like. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, dinitrogen monoxide, and nitrogen dioxide.

絶縁膜23の成膜条件として、上記圧力の処理室において上記パワー密度の高周波電力を
供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、シ
リコンを含む堆積性気体の酸化が進むため、絶縁膜23中における酸素含有量が化学量論
比よりも多くなる。一方、基板温度が、上記温度で形成された膜では、シリコンと酸素の
結合力が弱いため、後の工程の加熱処理により膜中の酸素の一部が脱離する。これらの結
果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を形成することがで
きる。即ち、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜を形成することができる。
By supplying the high frequency power of the above power density in the processing chamber under the above pressure as the film forming condition of the insulating film 23, the decomposition efficiency of the source gas is enhanced in the plasma, oxygen radicals are increased, and the deposition gas contains silicon. As a result, the oxygen content in the insulating film 23 becomes larger than the stoichiometric ratio. On the other hand, in the case of a film formed at the above temperature, the bonding force between silicon and oxygen is weak, so that part of oxygen in the film is released by heat treatment in a later step. As a result, an oxide insulating film which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition can be formed. That is, an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating can be formed.

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を絶縁膜23として設け
ることで、加熱処理により酸化物半導体膜19に酸素を拡散させ、酸化物半導体膜19に
含まれる酸素欠損を補填することが可能である。
By providing an oxide insulating film which contains oxygen at a proportion higher than that in the stoichiometric composition as the insulating film 23, oxygen is diffused into the oxide semiconductor film 19 by heat treatment, and the oxygen contained in the oxide semiconductor film 19 is obtained. It is possible to compensate for the defect.

次に、加熱処理を行う。該加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満
、好ましくは250℃以上450℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とす
る。
Next, heat treatment is performed. The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or more and less than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or more and 450 ° C. or less, and more preferably 300 ° C. or more and 450 ° C. or less.

該加熱処理は、電気炉、RTA(Rapid Thermal Anneal)装置等を
用いることができる。RTA装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温
度で熱処理を行うことができる。そのため、絶縁膜23から酸化物半導体膜19への酸素
拡散時間を短縮することができる。
As the heat treatment, an electric furnace, a rapid thermal annealing (RTA) apparatus, or the like can be used. By using the RTA apparatus, heat treatment can be performed at a temperature higher than the strain point of the substrate for only a short time. Therefore, oxygen diffusion time from the insulating film 23 to the oxide semiconductor film 19 can be shortened.

加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気(水の含有量が20ppm以下、好ましくは1pp
m以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウム等)の
雰囲気下で行えばよい。
Heat treatment is carried out using nitrogen, oxygen, ultra-dry air (water content is 20 ppm or less, preferably 1 pp
The heating may be performed under an atmosphere of m or less, preferably 10 ppb or less) or a rare gas (argon, helium or the like).

ここでは、窒素及び酸素雰囲気で、350℃、1時間の加熱処理を行う。 Here, heat treatment is performed at 350 ° C. for one hour in a nitrogen and oxygen atmosphere.

以上の工程により、しきい値電圧のばらつきが少なく、優れた特性を有するトランジスタ
を作製することができる。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の
変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
Through the above steps, a transistor with excellent characteristics and less variation in threshold voltage can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

次に、図1と異なる構造のトランジスタについて、図3及び図4を用いて説明する。ここ
では、図1に示すトランジスタ10と比較して、ゲート絶縁膜及び酸化物半導体膜上に設
ける絶縁膜を積層構造とする形態について、図3を用いて説明する。
Next, a transistor having a structure different from that in FIG. 1 is described with reference to FIGS. 3 and 4. Here, a mode in which an insulating film provided over the gate insulating film and the oxide semiconductor film has a stacked structure in comparison with the transistor 10 illustrated in FIG. 1 is described with reference to FIGS.

図3に示すトランジスタ30は、基板11上に設けられる下地絶縁膜13と、下地絶縁膜
13上に形成されるゲート電極15とを有する。また、下地絶縁膜13及びゲート電極1
5上に、絶縁膜31及び絶縁膜32で構成されるゲート絶縁膜33が形成され、ゲート絶
縁膜33を介して、ゲート電極15と重なる酸化物半導体膜20と、酸化物半導体膜20
に接する一対の電極21とを有する。また、ゲート絶縁膜33、酸化物半導体膜20、及
び一対の電極21上には、絶縁膜34及び絶縁膜36で構成される保護膜37が形成され
る。
The transistor 30 illustrated in FIG. 3 includes a base insulating film 13 provided on the substrate 11 and a gate electrode 15 formed on the base insulating film 13. In addition, base insulating film 13 and gate electrode 1
A gate insulating film 33 composed of the insulating film 31 and the insulating film 32 is formed on the fifth, and the oxide semiconductor film 20 overlapping the gate electrode 15 with the gate insulating film 33 interposed therebetween, and the oxide semiconductor film 20
And a pair of electrodes 21 in contact with the Further, over the gate insulating film 33, the oxide semiconductor film 20, and the pair of electrodes 21, a protective film 37 including the insulating film 34 and the insulating film 36 is formed.

また、ゲート絶縁膜33が絶縁膜31及び絶縁膜32の積層構造である。絶縁膜31とし
て、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウ
ムまたはGa−Zn系金属酸化物などを用いればよい。また、絶縁膜31として、加熱に
より酸素が脱離する酸化絶縁膜を用いてもよい。絶縁膜31に加熱により酸素が脱離する
膜を用いることで、絶縁膜32及び酸化物半導体膜20の界面における界面準位を低減す
ることが可能であり、電気特性のばらつきの少ないトランジスタを得ることができる。ま
た、絶縁膜31として、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を設けるこ
とで、酸化物半導体膜20からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体膜20へ
の水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する
絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガ
リウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウ
ム等がある。
Further, the gate insulating film 33 has a stacked structure of the insulating film 31 and the insulating film 32. As the insulating film 31, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, a Ga—Zn-based metal oxide, or the like may be used. Alternatively, as the insulating film 31, an oxide insulating film from which oxygen is released by heating may be used. By using a film from which oxygen is released by heating for the insulating film 31, the interface state at the interface between the insulating film 32 and the oxide semiconductor film 20 can be reduced, and a transistor with less variation in electrical characteristics can be obtained. be able to. Further, by providing an insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, or the like as the insulating film 31, diffusion of oxygen from the oxide semiconductor film 20 to the outside and hydrogen from the outside to the oxide semiconductor film 20 Can prevent the entry of water etc. As an insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water and the like, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxide nitride, hafnium oxide, hafnium oxide nitride and the like can be given.

また、絶縁膜31として、ハフニウムシリケート(HfSiO)、窒素が添加されたハ
フニウムシリケート(HfSi)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート
(HfAl)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を
用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
Further, as the insulating film 31, hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSi x O y N z ), hafnium aluminate to which nitrogen is added (HfAl x O y N z ), hafnium oxide, The gate leakage of the transistor can be reduced by using a high-k material such as yttrium oxide.

なお、絶縁膜31としては、厚さ5nm以上400nm以下で、上記列挙した材料を適宜
用いる絶縁膜を形成する。絶縁膜32として、厚さ5nm以上400nm以下の酸化シリ
コン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。なお、絶縁膜31及び絶縁膜32の厚さは
、2つの絶縁膜の合計の厚さが図1に示すトランジスタ10のゲート絶縁膜17の範囲と
なるように、適宜選択すればよい。
Note that as the insulating film 31, an insulating film is formed with a thickness of 5 nm or more and 400 nm or less, using the materials listed above as appropriate. As the insulating film 32, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with a thickness of 5 nm to 400 nm is formed. Note that the thicknesses of the insulating film 31 and the insulating film 32 may be appropriately selected so that the total thickness of the two insulating films falls within the range of the gate insulating film 17 of the transistor 10 shown in FIG.

また、酸化物半導体膜20が、酸化雰囲気で発生したプラズマに曝されている。酸化雰囲
気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素等の雰囲気がある。さらには、プラズマ処理に
おいて、平行平板型のプラズマCVD装置を用い、上部電極にバイアスを印加し、基板1
1が搭載される下部電極にバイアスを印加しない状態で発生させたプラズマに酸化物半導
体膜を曝すことが好ましい。この結果、ダメージが少なく、且つ酸素が酸化物半導体膜2
0に供給されるため、酸化物半導体膜20に含まれる酸素欠損量を低減することができる
In addition, the oxide semiconductor film 20 is exposed to plasma generated in an oxidizing atmosphere. As an oxidizing atmosphere, there is an atmosphere of oxygen, ozone, dinitrogen monoxide or the like. Furthermore, in the plasma processing, a bias is applied to the upper electrode using a parallel plate type plasma CVD apparatus to
It is preferable to expose the oxide semiconductor film to plasma generated in a state where a bias is not applied to the lower electrode on which 1 is mounted. As a result, damage is small and oxygen is an oxide semiconductor film 2
Since oxygen is supplied to 0, the amount of oxygen vacancies contained in the oxide semiconductor film 20 can be reduced.

また、トランジスタ30は、酸化物半導体膜20に接するように、絶縁膜32及び絶縁膜
34が形成されている。絶縁膜32及び絶縁膜34は、図1に示すゲート絶縁膜17と同
様に、膜密度が高く、且つ欠陥の少ない絶縁膜で形成されている。代表的には、膜密度が
2.26g/cm以上、理論膜密度である2.63g/cm以下、好ましくは2.3
0g/cm以上2.63g/cm以下であり、電子スピン共鳴法によって計測される
信号において、g値が2.001に現れる信号のスピン密度が2×1015spins/
cm以下、さらに好ましくは検出下限(1×1015spins/cm)以下である
絶縁膜で形成されている。このため、当該絶縁膜32を有するゲート絶縁膜33を有する
トランジスタ30のしきい値電圧の変動が少なく、トランジスタ30は優れた電気特性を
有する。また、膜密度が高い絶縁膜で形成されている絶縁膜32を有することで、基板1
1、下地絶縁膜13、ゲート電極15、及び絶縁膜31からの不純物が酸化物半導体膜2
0に混入するのを抑制することができる。また、絶縁膜34を有することで、絶縁膜34
を形成した後の加熱処理工程において、酸化物半導体膜20からの酸素脱離量を低減する
こと可能であり、酸化物半導体膜20の酸素欠損量を低減することができる。
In the transistor 30, the insulating film 32 and the insulating film 34 are formed to be in contact with the oxide semiconductor film 20. Similarly to the gate insulating film 17 shown in FIG. 1, the insulating film 32 and the insulating film 34 are formed of an insulating film having a high film density and few defects. Typically, the film density is 2.26 g / cm 3 or more and the theoretical film density is 2.63 g / cm 3 or less, preferably 2.3.
0 g / cm 3 or more 2.63 g / cm 3 or less, the signal measured by the electron spin resonance method, g values are the spin density of 2 × 10 15 of the signal appearing at 2.001 spins /
It is formed of an insulating film having a cm 3 or less, more preferably a detection lower limit (1 × 10 15 spins / cm 3 ) or less. For this reason, the threshold voltage of the transistor 30 including the gate insulating film 33 including the insulating film 32 is less varied, and the transistor 30 has excellent electrical characteristics. Further, by having the insulating film 32 formed of an insulating film having a high film density, the substrate 1 can be obtained.
1, impurities from the base insulating film 13, the gate electrode 15, and the insulating film 31 are the oxide semiconductor film 2
It can suppress mixing in 0. In addition, the insulating film 34 enables the insulating film 34 to be formed.
In the heat treatment step after formation of oxygen, the amount of oxygen released from the oxide semiconductor film 20 can be reduced, and the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 20 can be reduced.

なお、酸化物半導体膜20がインジウムを含む金属酸化物で形成される場合、絶縁膜34
に1×1015atoms/cm以上5×1017atoms/cm以下のインジウ
ムが含まれる。これは、絶縁膜34の成膜の際に酸化物半導体膜20に含まれるインジウ
ムが絶縁膜34へと拡散するためである。なお、絶縁膜34の成膜温度が高くなるにつれ
、例えば350℃以上であると、絶縁膜34に含まれるインジウムの含有量が増加する。
Note that in the case where the oxide semiconductor film 20 is formed of a metal oxide containing indium, the insulating film 34
And 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less of indium. This is because indium contained in the oxide semiconductor film 20 diffuses into the insulating film 34 when the insulating film 34 is formed. Note that as the film formation temperature of the insulating film 34 becomes higher, for example, 350 ° C. or more, the content of indium contained in the insulating film 34 increases.

絶縁膜32及び絶縁膜34としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を用いるこ
とができる。
As the insulating film 32 and the insulating film 34, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

絶縁膜36として、厚さが30nm以上500nm以下、好ましくは100nm以上40
0nm以下の、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸
化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を
用いればよく、積層または単層で設ける。なお、絶縁膜36として、化学量論的組成を満
たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を設けてもよい。
The insulating film 36 has a thickness of 30 nm to 500 nm, preferably 100 nm to 40 nm.
A silicon oxide, a silicon oxynitride, a silicon nitride oxide, a silicon nitride, an aluminum oxide, an aluminum oxynitride, an aluminum nitride oxide, an aluminum nitride, or the like with a thickness of 0 nm or less may be used. Note that as the insulating film 36, an oxide insulating film which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition may be provided.

トランジスタ30は、酸化雰囲気で発生したプラズマに曝され、酸素欠損の少ない酸化物
半導体膜を有する。また、当該酸化物半導体膜は、密度が高く、且つ欠陥の少ない絶縁膜
32、絶縁膜34で露出部が覆われている。このため、トランジスタのしきい値電圧の変
動及び電気特性のばらつきが少ない、優れた電気特性を有するトランジスタとなる。また
、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない、優れた電気特性
を有するトランジスタとなる。
The transistor 30 is exposed to plasma generated in an oxidizing atmosphere and includes an oxide semiconductor film with few oxygen vacancies. Further, in the oxide semiconductor film, the exposed portion is covered with the insulating film 32 and the insulating film 34 which have high density and few defects. Therefore, the transistor has excellent electrical characteristics with less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics. In addition, the transistor has excellent electrical characteristics with little change in electrical characteristics due to time-lapse changes and light gate BT stress tests.

次に、図3に示すトランジスタの作製方法について、図4を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the transistor illustrated in FIG. 3 is described with reference to FIGS.

図4(A)に示すように、基板11上に図2に示す工程と同様に、下地絶縁膜13及びゲ
ート電極15を形成する。次に、ゲート絶縁膜33として機能する絶縁膜31及び絶縁膜
32を形成する。
As shown in FIG. 4A, the base insulating film 13 and the gate electrode 15 are formed on the substrate 11 in the same manner as the step shown in FIG. Next, the insulating film 31 and the insulating film 32 which function as the gate insulating film 33 are formed.

絶縁膜31としては、CVD法またはスパッタリング法を用いて形成する。絶縁膜32と
して、トランジスタ10のゲート絶縁膜17と同様の条件を用いることで、膜密度が高く
、欠陥の少ない酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
The insulating film 31 is formed by using a CVD method or a sputtering method. By using the same conditions as the gate insulating film 17 of the transistor 10 as the insulating film 32, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with high film density and few defects is formed.

ここでは、絶縁膜31として、CVD法により、厚さ50nmの窒化シリコン膜を形成す
る。また、絶縁膜32として、トランジスタ10のゲート絶縁膜17と同様の条件を用い
て、厚さ200nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。当該条件により、膜密度が高く、
且つ欠陥の少ない酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
Here, a silicon nitride film with a thickness of 50 nm is formed as the insulating film 31 by the CVD method. In addition, a silicon oxynitride film with a thickness of 200 nm is formed as the insulating film 32 under the same conditions as the gate insulating film 17 of the transistor 10. Under the conditions, the film density is high,
In addition, a silicon oxynitride film with few defects can be formed.

ここでは、ゲート絶縁膜33の厚さを厚くすることで、さらに好ましくは抵抗率が5×1
13Ω・cm以上1×1015Ω・cm以下の窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜
とを積層することで、後に形成されるトランジスタのゲート電極15と、酸化物半導体膜
20または一対の電極21との間に発生する静電気破壊を抑制することができる。
Here, by increasing the thickness of the gate insulating film 33, more preferably, the resistivity is 5 × 1.
By stacking a silicon nitride film and a silicon oxynitride film at 0 13 Ω · cm or more and 1 × 10 15 Ω · cm or less, a gate electrode 15 of a transistor to be formed later, an oxide semiconductor film 20, or a pair of transistors It is possible to suppress electrostatic breakdown occurring between the electrode 21 and the electrode 21.

次に、図4(B)に示すように、図2に示す工程と同様に、ゲート絶縁膜33上に酸化物
半導体膜19を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 4B, the oxide semiconductor film 19 is formed over the gate insulating film 33 in the same manner as the process illustrated in FIG.

次に、図4(C)に示すように、一対の電極21を形成する。次に、酸化物半導体膜19
を酸化雰囲気で発生させたプラズマに曝し、酸化物半導体膜19に酸素22を供給し、図
4(D)に示す酸化物半導体膜20を形成する。酸化雰囲気としては、酸素、オゾン、一
酸化二窒素等の雰囲気がある。さらに、プラズマ処理において、基板11が搭載される下
部電極にバイアスを印加しない状態で発生したプラズマを酸化物半導体膜19に曝さすこ
とが好ましい。この結果、酸化物半導体膜19にダメージを与えず、且つ酸素を供給する
ことが可能である。
Next, as shown in FIG. 4C, a pair of electrodes 21 is formed. Next, the oxide semiconductor film 19
Is exposed to plasma generated in an oxidizing atmosphere, oxygen 22 is supplied to the oxide semiconductor film 19, and an oxide semiconductor film 20 shown in FIG. 4D is formed. As an oxidizing atmosphere, there is an atmosphere of oxygen, ozone, dinitrogen monoxide or the like. Furthermore, in plasma treatment, it is preferable to expose the oxide semiconductor film 19 to plasma generated without applying a bias to the lower electrode on which the substrate 11 is mounted. As a result, oxygen can be supplied without damaging the oxide semiconductor film 19.

ここでは、プラズマCVD装置の処理室に一酸化二窒素を導入し、処理室に設けられる上
部電極に27.12MHzの高周波電源を用いて150Wの高周波電力を供給して発生さ
せた酸素プラズマに酸化物半導体膜19を曝す。
In this case, dinitrogen monoxide is introduced into the processing chamber of the plasma CVD apparatus, and 150 W of high frequency power is supplied to the upper electrode provided in the processing chamber using a 27.12 MHz high frequency power source to oxidize the generated oxygen plasma. The semiconductor semiconductor film 19 is exposed.

次に、酸化物半導体膜20及び一対の電極21上に絶縁膜34を形成する。ここでは、ト
ランジスタ10のゲート絶縁膜17と同様の条件を用いて、厚さ10nmの酸化窒化シリ
コン膜を形成する。当該条件により、膜密度が高く、且つ欠陥の少ない酸化窒化シリコン
膜を形成することができる。
Next, the insulating film 34 is formed over the oxide semiconductor film 20 and the pair of electrodes 21. Here, a silicon oxynitride film with a thickness of 10 nm is formed under the same conditions as the gate insulating film 17 of the transistor 10. Under the conditions, a silicon oxynitride film with high film density and few defects can be formed.

次に、絶縁膜34に酸素35を添加してもよい。絶縁膜34に酸素35を添加する方法と
しては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理等がある。この結果、絶縁膜
34を、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜とすることがで
きる。
Next, oxygen 35 may be added to the insulating film 34. Methods of adding oxygen 35 to the insulating film 34 include an ion implantation method, an ion doping method, plasma treatment, and the like. As a result, the insulating film 34 can be an oxide insulating film which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition.

次に、図4(E)に示すように、絶縁膜34上に絶縁膜36を形成する。絶縁膜36とし
て、プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を180℃以上25
0℃以下、さらに好ましくは180℃以上230℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導
入して処理室内における圧力を100Pa以上250Pa以下、さらに好ましくは100
Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0.17W/cm以上0.
5W/cm以下、さらに好ましくは0.25W/cm以上0.35W/cm以下の
高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する
Next, as shown in FIG. 4E, the insulating film 36 is formed on the insulating film 34. As the insulating film 36, the substrate placed in the evacuated processing chamber of the plasma CVD apparatus is heated to 180 ° C. or higher.
The pressure in the processing chamber is maintained at 0 ° C. or less, more preferably 180 ° C. or more and 230 ° C. or less, and the pressure in the processing chamber is 100 Pa or more and 250 Pa or less, more preferably 100.
And Pa to 200Pa or less, the electrode provided in the processing chamber 0.17 W / cm 2 or more 0.
5W / cm 2 or less, more preferably under the conditions for supplying high-frequency power of 0.25 W / cm 2 or more 0.35 W / cm 2 or less, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.

次に、図2に示す工程と同様に、加熱処理を行う。 Next, heat treatment is performed in the same manner as the step shown in FIG.

以上の工程により、しきい値電圧のマイナスシフトが抑制されたトランジスタを作製する
ことができる。また、トランジスタのしきい値電圧の変動が少なく、電気特性のばらつき
の少ない、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、経時変
化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジス
タを作製することができる。
Through the above steps, a transistor in which the negative shift of the threshold voltage is suppressed can be manufactured. In addition, a transistor with excellent electrical characteristics, which has less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics, can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1と異なる構造のトランジスタについて、図5を用いて説
明する。本実施の形態に示すトランジスタ100は、実施の形態1に示すトランジスタと
比較して、トップゲート構造のトランジスタである点が異なる。
Second Embodiment
In this embodiment, a transistor having a structure different from that in Embodiment 1 will be described with reference to FIG. The transistor 100 described in this embodiment is different from the transistor described in Embodiment 1 in that it is a top-gate transistor.

図5(A)乃至図5(C)に、トランジスタ100の上面図及び断面図を示す。図5(A
)はトランジスタ100の上面図であり、図5(B)は、図5(A)の一点鎖線A−B間
の断面図であり、図5(C)は、図5(A)の一点鎖線C−D間の断面図である。なお、
図5(A)では、明瞭化のため、基板101、下地絶縁膜103、トランジスタ100の
構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁膜109)、絶縁膜113などを省略している。
5A to 5C illustrate a top view and a cross-sectional view of the transistor 100. FIG. Figure 5 (A
5A is a top view of the transistor 100, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A-B in FIG. 5A, and FIG. 5C is a dashed-dotted line in FIG. It is a sectional view between C-D. Note that
In FIG. 5A, the substrate 101, the base insulating film 103, part of components of the transistor 100 (eg, the gate insulating film 109), the insulating film 113, and the like are omitted for clarity.

図5に示すトランジスタ100は、下地絶縁膜103上に形成される酸化物半導体膜10
5と、酸化物半導体膜105に接する一対の電極107と、下地絶縁膜103、酸化物半
導体膜105、及び一対の電極107に接するゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁膜10
9を介して酸化物半導体膜105と重なるゲート電極111とを有する。また、ゲート絶
縁膜109及びゲート電極111を覆う絶縁膜113を有する。また、ゲート絶縁膜10
9及び絶縁膜113の開口部110において、一対の電極107と接する配線115とを
有してもよい。
The transistor 100 illustrated in FIG. 5 includes an oxide semiconductor film 10 formed over the base insulating film 103.
5, a pair of electrodes 107 in contact with the oxide semiconductor film 105, a base insulating film 103, the oxide semiconductor film 105, a gate insulating film 109 in contact with the pair of electrodes 107, and a gate insulating film 10.
And a gate electrode 111 which overlaps with the oxide semiconductor film 105 with the reference numeral 9. In addition, an insulating film 113 which covers the gate insulating film 109 and the gate electrode 111 is provided. Also, gate insulating film 10
In the opening portion 110 of the insulating film 113 and the wiring 9, the wiring 115 may be in contact with the pair of electrodes 107.

本実施の形態に示すトランジスタ100は、一対の電極107及びゲート電極111がゲ
ート絶縁膜109を介して重なっている。このため、酸化物半導体膜105において、ゲ
ート絶縁膜109を介してゲート電極111と対向する領域がチャネル領域として機能し
、一対の電極107と接する領域がソース領域及びドレイン領域として機能する。即ち、
チャネル領域と、ソース領域及びドレイン領域とが接している。チャネル領域と、ソース
領域及びドレイン領域との間に抵抗となる領域がないため、オン電流及び電界効果移動度
が高いトランジスタが得られる。
In the transistor 100 described in this embodiment, the pair of electrodes 107 and the gate electrode 111 overlap with each other with the gate insulating film 109 interposed therebetween. Thus, in the oxide semiconductor film 105, a region facing the gate electrode 111 with the gate insulating film 109 functions as a channel region, and regions in contact with the pair of electrodes 107 function as a source region and a drain region. That is,
The channel region is in contact with the source region and the drain region. Since there is no region serving as a resistance between the channel region and the source and drain regions, a transistor with high on-state current and field-effect mobility can be obtained.

本実施の形態に示すトランジスタ100は、ゲート絶縁膜109が、膜密度が高く、且つ
欠陥の少ない絶縁膜で形成されている。代表的には、ゲート絶縁膜109の膜密度が2.
26g/cm以上、理論膜密度である2.63g/cm以下、好ましくは2.30g
/cm以上2.63g/cm以下であるため、ゲート絶縁膜17の膜密度が高い。ま
た、電子スピン共鳴法(ESR)によって計測される信号において、シリコンのタングリ
ングボンドを示すE’−center(g値が2.001)に現れる信号のスピン密度が
2×1015spins/cm以下、さらに好ましくは検出下限(1×1015spi
ns/cm)以下であるため、ゲート絶縁膜109に含まれるシリコンのダングリング
ボンドが極めて少ない。このため、当該ゲート絶縁膜109を有するトランジスタ100
のしきい値電圧の変動が少なく、トランジスタ100は優れた電気特性を有する。
In the transistor 100 described in this embodiment, the gate insulating film 109 is formed using an insulating film with high film density and few defects. Typically, the film density of the gate insulating film 109 is 2.
26 g / cm 3 or more, theoretical film density 2.63 g / cm 3 or less, preferably 2.30 g
The film density of the gate insulating film 17 is high because it is not less than 3 cm 3 and not more than 2.63 g / cm 3 . In addition, in the signal measured by the electron spin resonance method (ESR), the spin density of the signal appearing at E′-center (g value is 2.001) indicating a tongue ring bond of silicon is 2 × 10 15 spins / cm 3 Or less, more preferably the lower detection limit (1 × 10 15 spi
Since it is equal to or less than ns / cm 3 , dangling bonds of silicon contained in the gate insulating film 109 are extremely small. Therefore, the transistor 100 including the gate insulating film 109
The transistor 100 has excellent electrical characteristics.

上記ゲート絶縁膜109としては、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン等がある。 Examples of the gate insulating film 109 include silicon oxide and silicon oxynitride.

なお、酸化物半導体膜105がインジウムを含む金属酸化物で形成される場合、ゲート絶
縁膜109に1×1015atoms/cm以上5×1017atoms/cm以下
のインジウムが含まれる。これは、ゲート絶縁膜109の成膜の際に酸化物半導体膜10
5に含まれるインジウムがゲート絶縁膜109へと拡散するためである。なお、ゲート絶
縁膜109の成膜温度が高くなるにつれ、例えば350℃以上であると、ゲート絶縁膜1
09に含まれるインジウムの含有量が増加する。
Note that in the case where the oxide semiconductor film 105 is formed using a metal oxide containing indium, the gate insulating film 109 contains indium at 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. This is because the oxide semiconductor film 10 is formed when the gate insulating film 109 is formed.
This is because indium contained in 5 diffuses into the gate insulating film 109. As the film formation temperature of the gate insulating film 109 becomes higher, for example, 350 ° C. or higher, the gate insulating film 1 is formed.
The content of indium contained in 09 increases.

以下に、トランジスタ100の他の構成の詳細について説明する。 Hereinafter, details of another structure of the transistor 100 are described.

基板101は、実施の形態1に示す基板11に列挙する基板を適宜用いることができる。 As the substrate 101, any of the substrates listed in the substrate 11 described in Embodiment 1 can be used as appropriate.

下地絶縁膜103は、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜を用いて形成すること
が好ましい。加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜としては、化学量論的組成を満
たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素の
一部が脱離する酸化絶縁膜は、加熱処理により酸化物半導体膜に酸素を拡散させることが
できる。下地絶縁膜103の代表例としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸
化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸
化窒化アルミニウム等がある。
The base insulating film 103 is preferably formed using an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating. As an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating, it is preferable to use an oxide insulating film which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition. The oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating can diffuse oxygen into the oxide semiconductor film by heat treatment. Typical examples of the base insulating film 103 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, gallium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, and the like.

下地絶縁膜103は、50nm以上、好ましくは200nm以上3000nm以下、好ま
しくは300nm以上1000nm以下とする。下地絶縁膜103を厚くすることで、下
地絶縁膜103の酸素脱離量を増加させることができると共に、下地絶縁膜103及び後
に形成される酸化物半導体膜との界面における界面準位を低減することが可能である。
The base insulating film 103 has a thickness of 50 nm or more, preferably 200 nm to 3000 nm, and preferably 300 nm to 1000 nm. By thickening the base insulating film 103, the amount of oxygen released from the base insulating film 103 can be increased, and interface states at the interface with the base insulating film 103 and an oxide semiconductor film to be formed later are reduced. It is possible.

ここで、「加熱により酸素の一部が脱離する」とは、TDS(Thermal Deso
rption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて、酸素原子に
換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0
×1020atoms/cm以上であることをいう。
Here, “part of oxygen is released by heating” means TDS (Thermal Deso
rption Spectroscopy: Temperature-programmed desorption gas spectroscopy) analysis shows that the amount of desorbed oxygen in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0
X 10 20 atoms / cm 3 or more.

上記構成において、加熱により酸素の一部が脱離する絶縁膜は、酸素が過剰な酸化シリコ
ン(SiO(X>2))であってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン(SiO(X>
2))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。
In the above structure, the insulating film from which part of oxygen is released by heating may be silicon oxide with excess oxygen (SiO x (X> 2)). Oxygen-rich silicon oxide (SiO X (X>
2) is one containing an oxygen atom per unit volume which is more than twice the number of silicon atoms. The number of silicon atoms and the number of oxygen atoms per unit volume are values measured by the Rutherford backscattering method.

ここで、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量の測定方法について、以下
に説明する。
Here, a method of measuring the amount of desorption of oxygen in terms of oxygen atoms in TDS analysis will be described below.

TDS分析したときの気体の脱離量は、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、気体の脱離量を計算
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 desorption when TDS analysis is proportional to the integral value of the spectrum. Therefore, the desorption amount of gas can be calculated by the integral value of the spectrum of the insulating film and the ratio to the reference value of the standard sample. 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脱離量(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, from the results of TDS analysis of a silicon wafer containing hydrogen of a predetermined density, which is a standard sample, and the TDS analysis result of an insulating film, the desorption amount (N O2 ) of oxygen molecules in the insulating film can be obtained by Equation 1. it can. Here, it is assumed that all of the spectra detected with a mass number of 32 obtained by TDS analysis are derived from molecular oxygen. There is CH 3 OH as mass number 32 but it is not considered here as being unlikely to be present. Further, oxygen molecules containing an oxygen atom having a mass number of 17 and an oxygen atom having a mass number of 18, which are isotopes of oxygen atoms, are not considered because the abundance ratio in the natural world is extremely small.

O2=NH2/SH2×SO2×α (数式1) N O2 = N H2 / S H2 × S O2 × α (Equation 1)

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、N
H2/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公報を参照する。なお、上記絶縁膜の酸素の脱離量は、
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1×1016atoms/cmの水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定する
N H2 is a value obtained by converting the density of hydrogen molecules desorbed from the standard sample. S H2 is an integral value of a spectrum when TDS analysis of a standard sample is performed. Here, the reference value of the standard sample is N
It is set to H2 / S H2 . SO2 is an integral value of the spectrum when TDS analysis of the insulating film is performed. α is a coefficient that affects the spectral intensity in TDS analysis. For details of Formula 1, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-275697. Note that the amount of oxygen released from the insulating film is
It measures using the silicon wafer which contains a hydrogen atom of 1 * 10 < 16 > atoms / cm < 2 > as a standard sample using the temperature rising desorption analyzer EMD-WA1000S / W made from electronic science corporation | Co., Ltd. | KK.

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、酸素分子の脱離量を評価することで、酸素原子の脱離量につ
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. In addition, since the above-mentioned (alpha) contains the ionization rate of an oxygen molecule, it can estimate also about the detachment amount of an oxygen atom by evaluating the desorption amount of an oxygen molecule.

なお、NO2は酸素分子の脱離量である。絶縁膜においては、酸素原子に換算したときの
酸素の脱離量は、酸素分子の脱離量の2倍となる。
Here, NO2 is the amount of desorption of molecular oxygen. In the insulating film, the amount of desorption of oxygen when converted to oxygen atoms is twice the amount of desorption of molecular oxygen.

下地絶縁膜103から酸化物半導体膜105に酸素が供給されることで、下地絶縁膜10
3及び酸化物半導体膜105の界面準位を低減できる。この結果、トランジスタの動作な
どに起因して生じうる電荷などが、上述の下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜105の
界面に捕獲されることを抑制することができ、電気特性の変動の少ないトランジスタを得
ることができる。
Oxygen is supplied from the base insulating film 103 to the oxide semiconductor film 105, whereby the base insulating film 10 is formed.
The interface states of the oxide semiconductor film 105 and the oxide semiconductor film 105 can be reduced. As a result, charge which may be generated due to the operation of the transistor and the like can be prevented from being captured at the interface between the above base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 105, and the transistor has less variation in electrical characteristics. You can get

即ち、酸化物半導体膜105に酸素欠損が生じると、下地絶縁膜103と酸化物半導体膜
105との界面において電荷が捕獲され、当該電荷がトランジスタの電気特性に影響して
しまうところ、下地絶縁膜103に、加熱により酸素が脱離する絶縁膜を設けることで、
酸化物半導体膜105及び下地絶縁膜103の界面準位を低減し、酸化物半導体膜105
及び下地絶縁膜103の界面における電荷捕獲の影響を小さくすることができる。
That is, when oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor film 105, charges are captured at the interface between the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 105, and the charges affect the electrical characteristics of the transistor. 103 by providing an insulating film from which oxygen is released by heating;
The interface state of the oxide semiconductor film 105 and the base insulating film 103 is reduced, and the oxide semiconductor film 105 is formed.
And the influence of charge trapping at the interface of the base insulating film 103 can be reduced.

なお、下地絶縁膜103として、ゲート絶縁膜109と同様の、膜密度が高く、且つ欠陥
の少ない絶縁膜、代表的には、膜密度が2.26g/cm以上、理論膜密度である2.
63g/cm以下、好ましくは2.30g/cm以上2.63g/cm以下であり
、電子スピン共鳴法によって計測される信号において、g値が2.001に現れる信号の
スピン密度が2×1015spins/cm以下である絶縁膜を用いてもよい。または
、下地絶縁膜103を積層構造とし、酸化物半導体膜105側に、ゲート絶縁膜109と
同様の、膜密度が高く、且つ欠陥の少ない絶縁膜、代表的には、膜密度が2.26g/c
以上2.63g/cm以下であり、電子スピン共鳴法によって計測される信号にお
いて、g値が2.001に現れる信号のスピン密度が2×1015spins/cm
下、さらに好ましくは検出下限(1×1015spins/cm)以下である絶縁膜を
用いることで、トランジスタのしきい値電圧の変動を抑制することができる。
Note that as the base insulating film 103, an insulating film with a high film density and few defects, which is similar to the gate insulating film 109, typically, a film density of 2.26 g / cm 3 or more and a theoretical film density 2 .
63 g / cm 3 or less, preferably not more than 2.30 g / cm 3 or more 2.63 g / cm 3, in the signal measured by the electron spin resonance method, the spin density of the signal g value appears to 2.001 2 Alternatively, an insulating film which is 10 15 spins / cm 3 or less may be used. Alternatively, the base insulating film 103 has a stacked-layer structure, and on the oxide semiconductor film 105 side, an insulating film with a high film density and few defects similar to the gate insulating film 109, typically, a film density of 2.26 g. / C
In the signal which is m 3 to 2.63 g / cm 3 and is measured by the electron spin resonance method, the spin density of the signal having a g value of 2.001 is 2 × 10 15 spins / cm 3 or less, more preferably By using the insulating film which is lower than or equal to the detection lower limit (1 × 10 15 spins / cm 3 ), fluctuation of the threshold voltage of the transistor can be suppressed.

酸化物半導体膜105は、実施の形態1に示す酸化物半導体膜19と同様に形成すること
ができる。
The oxide semiconductor film 105 can be formed in the same manner as the oxide semiconductor film 19 described in Embodiment 1.

一対の電極107は、実施の形態1に示す一対の電極21と同様に形成することができる
。なお、一対の電極107において、チャネル幅方向における長さが酸化物半導体膜10
5より長く、更にはチャネル長方向と交差する端部を覆う構造とし、一対の電極107及
び酸化物半導体膜105の接触面積を増大させることで、酸化物半導体膜105と一対の
電極107との接触抵抗を低減することが可能であり、トランジスタのオン電流を高める
ことができる。
The pair of electrodes 107 can be formed in the same manner as the pair of electrodes 21 described in Embodiment 1. Note that the length of the pair of electrodes 107 in the channel width direction is the oxide semiconductor film 10.
In addition, the end portion which is longer than 5 and further intersects the channel length direction is covered, and the contact area of the pair of electrodes 107 and the oxide semiconductor film 105 is increased. The contact resistance can be reduced, and the on current of the transistor can be increased.

ゲート電極111は、実施の形態1に示すゲート電極15と同様に形成することができる
。また、絶縁膜113は、実施の形態1に示す絶縁膜23と同様に形成することができる
The gate electrode 111 can be formed in the same manner as the gate electrode 15 described in Embodiment 1. The insulating film 113 can be formed in the same manner as the insulating film 23 described in Embodiment 1.

配線115は、一対の電極107に列挙する材料を適宜用いることができる。 For the wiring 115, any of the materials listed in the pair of electrodes 107 can be used as appropriate.

次に、図5に示すトランジスタの作製方法について、図6を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the transistor illustrated in FIG. 5 is described with reference to FIGS.

図6(A)に示すように、基板101上に下地絶縁膜103を形成する。次に、下地絶縁
膜103上に酸化物半導体膜105を形成する。
As shown in FIG. 6A, the base insulating film 103 is formed over the substrate 101. Next, the oxide semiconductor film 105 is formed over the base insulating film 103.

下地絶縁膜103は、スパッタリング法、CVD法等により形成する。 The base insulating film 103 is formed by a sputtering method, a CVD method, or the like.

下地絶縁膜103として、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜をスパッタリング
法により形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素
及び希ガスの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を6
%以上100%以下にすることが好ましい。
In the case where an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating is formed as the base insulating film 103 by a sputtering method, the amount of oxygen in a deposition gas is preferably high, and oxygen or a mixture of oxygen and a rare gas is preferably used. Gas or the like can be used. Typically, the oxygen concentration in the deposition gas is 6
It is preferable to make it% or more and 100% or less.

また、下地絶縁膜103としてCVD法で酸化絶縁膜を形成する場合、原料ガス由来の水
素または水が酸化絶縁膜中に混入される場合がある。このため、CVD法で酸化絶縁膜を
形成した後、脱水素化または脱水化として、加熱処理を行うことが好ましい。
In the case where an oxide insulating film is formed as the base insulating film 103 by a CVD method, hydrogen or water derived from a source gas may be mixed into the oxide insulating film. Therefore, after the oxide insulating film is formed by a CVD method, heat treatment is preferably performed as dehydrogenation or dehydration.

さらに、CVD法で形成した酸化絶縁膜に、酸素を導入することで、加熱により脱離する
酸素量を増加させることができる。酸化絶縁膜に酸素を導入する方法としては、イオン注
入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラ
ズマ処理等がある。
Further, by introducing oxygen into the oxide insulating film formed by a CVD method, the amount of oxygen released by heating can be increased. Methods of introducing oxygen into the oxide insulating film include an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, and the like.

ここで、酸化物半導体膜105は、実施の形態1に示す酸化物半導体膜19と同様の形成
方法を適宜用いることができる。
Here, the oxide semiconductor film 105 can be formed by a method similar to that of the oxide semiconductor film 19 described in Embodiment 1 as appropriate.

また、CAAC−OS膜に含まれる結晶部の配向を高めるためには、酸化物半導体膜の下
地絶縁膜である、下地絶縁膜103の表面の平坦性を高めることが好ましい。代表的には
、下地絶縁膜103の平均面粗さ(Ra)を、1nm以下、0.3nm以下、または0.
1nm以下とすることが好ましい。なお、本明細書等において、平均面粗さ(Ra)とは
、JISB0601:2001(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される。また、平坦化処理としては、化学的機械的研
磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理、ド
ライエッチング処理、真空のチャンバーに不活性ガス、例えばアルゴンガスを導入し、被
処理面を陰極とする電界をかけて、表面の微細な凹凸を平坦化するプラズマ処理(いわゆ
る逆スパッタ)等の一または複数を適用することができる。
In order to increase the orientation of the crystal part in the CAAC-OS film, planarity of the surface of the base insulating film 103 which is a base insulating film of an oxide semiconductor film is preferably increased. Typically, the average surface roughness (Ra) of the base insulating film 103 is 1 nm or less, 0.3 nm or less, or 0.
It is preferable to set it as 1 nm or less. In this specification and the like, the average surface roughness (Ra) is a three-dimensional extension of the arithmetic average roughness defined in JIS B 0601: 2001 (ISO 4287: 1997) so that it can be applied to a curved surface. Yes, expressed as a value obtained by averaging the absolute value of the deviation from the reference surface to the designated surface. In addition, as planarization treatment, chemical mechanical polishing (CMP) treatment, dry etching treatment, an inert gas such as argon gas is introduced into a vacuum chamber, and an electric field having a surface to be treated as a cathode is used. In addition, one or more of plasma treatment (so-called reverse sputtering) or the like can be applied to flatten fine irregularities on the surface.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理により、下地絶縁膜103に含まれ
る酸素の一部を、下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜105の界面近傍に拡散させるこ
とができる。この結果、下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜105の界面近傍における
界面準位を低減することができる。
Next, heat treatment is preferably performed. By the heat treatment, part of oxygen contained in the base insulating film 103 can be diffused in the vicinity of the interface between the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 105. As a result, interface states in the vicinity of the interface between the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 105 can be reduced.

加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、好ましくは250℃以上
450℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とする。
The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or more and less than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or more and 450 ° C. or less, and more preferably 300 ° C. or more and 450 ° C. or less.

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒
素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気
で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれない
ことが好ましい。処理時間は3分〜24時間とする。
The heat treatment is performed in a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, krypton, or an inert gas atmosphere containing nitrogen. Alternatively, after heating in an inert gas atmosphere, heating may be performed in an oxygen atmosphere. Preferably, the inert atmosphere and the oxygen atmosphere do not contain hydrogen, water, and the like. Treatment time is 3 minutes to 24 hours.

なお、後に酸化物半導体膜105となる酸化物半導体膜を下地絶縁膜103上に形成し、
上記加熱処理を行った後、該酸化物半導体膜の一部をエッチングして、酸化物半導体膜1
05を形成してもよい。当該工程により、下地絶縁膜103に含まれる酸素において、よ
り多くの酸素を下地絶縁膜103及び酸化物半導体膜105の界面近傍に拡散させること
ができる。
Note that an oxide semiconductor film to be an oxide semiconductor film 105 later is formed over the base insulating film 103,
After the heat treatment, part of the oxide semiconductor film is etched to form the oxide semiconductor film 1.
May form 05. Through the step, oxygen which is included in the base insulating film 103 can be diffused in the vicinity of the interface between the base insulating film 103 and the oxide semiconductor film 105.

次に、図6(B)に示すように、一対の電極107を形成する。一対の電極107は実施
の形態1に示す一対の電極21と同様の形成方法を適宜用いることができる。または、印
刷法またはインクジェット法により一対の電極107を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 6B, a pair of electrodes 107 is formed. The pair of electrodes 107 can be formed using a method similar to that of the pair of electrodes 21 described in Embodiment 1 as appropriate. Alternatively, the pair of electrodes 107 can be formed by a printing method or an inkjet method.

次に、図6(C)に示すように、ゲート絶縁膜109を形成した後、ゲート絶縁膜109
上にゲート電極111を形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, after the gate insulating film 109 is formed, the gate insulating film 109 is formed.
A gate electrode 111 is formed thereon.

ゲート絶縁膜109は、実施の形態1に示すゲート絶縁膜17と同様の形成方法を適宜用
いることで、膜密度が高く、欠陥の少ない酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形
成することができる。
The gate insulating film 109 can be formed using a method similar to that of the gate insulating film 17 described in Embodiment 1 to form a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with high film density and few defects.

また、CAAC−OS膜は、被形成面または表面に沿って酸素が移動しやすい。このため
、素子分離した酸化物半導体膜105の側面から酸素の脱離が生じやすく、酸素欠損が形
成されやすい。しかしながら、酸化物半導体膜105上に加熱により酸素の一部が脱離す
る酸化絶縁膜と、当該酸化絶縁膜上に金属酸化膜をゲート絶縁膜109として設けること
により、酸化物半導体膜105の側面からの酸素脱離を抑制することが可能である。この
結果、酸化物半導体膜105の側面の導電性の上昇を抑制することを抑制することができ
る。
In addition, oxygen is easily moved along the formation surface or the surface of the CAAC-OS film. Thus, desorption of oxygen is likely to occur from the side surface of the element-separated oxide semiconductor film 105, and oxygen vacancies are easily formed. However, an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating is formed over the oxide semiconductor film 105, and a metal oxide film is provided as the gate insulating film 109 over the oxide insulating film; It is possible to suppress oxygen desorption from As a result, suppression of the increase in conductivity of the side surface of the oxide semiconductor film 105 can be suppressed.

ゲート電極111は、実施の形態1に示すゲート電極15の形成方法を適宜用いることが
できる。
For the gate electrode 111, the method for forming the gate electrode 15 described in Embodiment 1 can be used as appropriate.

次に、図6(D)に示すように、ゲート絶縁膜109及びゲート電極111上に絶縁膜1
13を形成した後、一対の電極107に接続する配線115を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, the insulating film 1 is formed on the gate insulating film 109 and the gate electrode 111.
After formation of the wiring 13, a wiring 115 connected to the pair of electrodes 107 is formed.

絶縁膜113は、実施の形態1に示す絶縁膜23と同様に形成することができる。 The insulating film 113 can be formed in the same manner as the insulating film 23 described in Embodiment 1.

次に、実施の形態1と同様に、加熱処理を行う。該加熱処理の温度は、代表的には、15
0℃以上基板歪み点未満、好ましくは250℃以上450℃以下、更に好ましくは300
℃以上450℃以下とする。
Next, heat treatment is performed as in the first embodiment. The temperature of the heat treatment is typically 15
0 ° C. or more and less than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or more and 450 ° C. or less, more preferably 300
° C to 450 ° C.

配線115は、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜
上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成する。導電膜上に形成するマスクは、
印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適宜用いることができる。この後マ
スクを除去する。また、配線115をデュアルダマシン法で形成してもよい。
The wiring 115 is formed by forming a conductive film by a sputtering method, a CVD method, an evaporation method, or the like, and then forming a mask over the conductive film and etching the conductive film. The mask formed on the conductive film is
A printing method, an inkjet method, or a photolithography method can be used as appropriate. After this, the mask is removed. Alternatively, the wiring 115 may be formed by a dual damascene method.

以上の工程により、トランジスタのしきい値電圧の変動が少なく、電気特性のばらつきの
少ない、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、経時変化
や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタ
を作製することができる。
Through the above steps, a transistor having excellent electrical characteristics and less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1及び実施の形態2と異なる構造のトランジスタについて
、図7を用いて説明する。本実施の形態に示すトランジスタ120は、実施の形態2に示
すトランジスタ100と比較して、ゲート電極が一対の電極が重なっていない点が異なる
。また、酸化物半導体膜にドーパントが添加されている点が異なる。
Third Embodiment
In this embodiment, a transistor having a different structure from those in Embodiments 1 and 2 will be described with reference to FIGS. The transistor 120 described in this embodiment is different from the transistor 100 described in Embodiment 2 in that a pair of electrodes does not overlap with a gate electrode. Another difference is that a dopant is added to the oxide semiconductor film.

図7(A)及び図7(B)に、トランジスタ120の上面図及び断面図を示す。図7(A
)はトランジスタ120の上面図であり、図7(B)は、図7(A)の一点鎖線A−B間
の断面図である。なお、図7(A)では、明瞭化のため、基板101、下地絶縁膜103
、トランジスタ120の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁膜109)、絶縁膜113
などを省略している。
7A and 7B illustrate a top view and a cross-sectional view of the transistor 120. FIG. Figure 7 (A
7B is a top view of the transistor 120, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A-B in FIG. 7A. Note that in FIG. 7A, the substrate 101 and the base insulating film 103 are provided for the sake of clarity.
, Part of the components of the transistor 120 (eg, the gate insulating film 109), the insulating film 113
Etc are omitted.

図7(B)に示すトランジスタ120は、下地絶縁膜103上に形成される酸化物半導体
膜121と、酸化物半導体膜121に接する一対の電極107と、下地絶縁膜103、酸
化物半導体膜121、及び一対の電極107に接するゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁
膜109を介して酸化物半導体膜121と重なるゲート電極129とを有する。また、ゲ
ート絶縁膜109及びゲート電極129を覆う絶縁膜113を有する。また、ゲート絶縁
膜109及び絶縁膜113の開口部110(図7(A)参照。)において、一対の電極1
07と接する配線115とを有してもよい。
The transistor 120 illustrated in FIG. 7B includes an oxide semiconductor film 121 formed over the base insulating film 103, a pair of electrodes 107 in contact with the oxide semiconductor film 121, the base insulating film 103, and the oxide semiconductor film 121. And a gate insulating film 109 in contact with the pair of electrodes 107, and a gate electrode 129 overlapping with the oxide semiconductor film 121 with the gate insulating film 109 interposed therebetween. In addition, an insulating film 113 which covers the gate insulating film 109 and the gate electrode 129 is provided. Further, in the opening 110 (see FIG. 7A) of the gate insulating film 109 and the insulating film 113, the pair of electrodes 1 is formed.
A wiring 115 may be in contact with the wiring 07.

本実施の形態に示すトランジスタ120は、酸化物半導体膜121において、ゲート電極
129とゲート絶縁膜109を介して重なる第1の領域123と、ドーパントが添加され
た一対の第2の領域125と、一対の電極107と接する一対の第3の領域127とを有
する。なお、第1の領域123及び第3の領域127には、ドーパントが添加されていな
い。第1の領域123を挟むように一対の第2の領域125が設けられる。また、第1の
領域123及び第2の領域125を間に挟むように一対の第3の領域127が設けられる
In the transistor 120 described in this embodiment, the first region 123 overlaps with the gate electrode 129 with the gate insulating film 109 in the oxide semiconductor film 121, and a pair of second regions 125 to which a dopant is added. And a pair of third regions 127 in contact with the pair of electrodes 107. Note that no dopant is added to the first region 123 and the third region 127. A pair of second regions 125 is provided to sandwich the first region 123. In addition, a pair of third regions 127 is provided so as to sandwich the first region 123 and the second region 125 therebetween.

第1の領域123は、トランジスタ120においてチャネル領域として機能する。第3の
領域127において一対の電極107と接する領域は、一対の電極107によって酸素の
一部が一対の電極107に拡散し、酸素欠損ができ、n型化する。このため、第3の領域
127の一部はソース領域及びドレイン領域として機能する。第2の領域は、ドーパント
が添加され、導電率が高いため、低抵抗領域として機能し、チャネル領域と、ソース領域
及びドレイン領域との間の抵抗を低減することができる。このため、トランジスタ120
のオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。
The first region 123 functions as a channel region in the transistor 120. In a region in contact with the pair of electrodes 107 in the third region 127, part of oxygen is diffused to the pair of electrodes 107 by the pair of electrodes 107, oxygen deficiency is caused, and n-type is realized. Therefore, part of the third region 127 functions as a source region and a drain region. The second region is doped with a dopant and has high conductivity, so that it can function as a low resistance region and reduce the resistance between the channel region and the source and drain regions. Therefore, the transistor 120
Current and field effect mobility can be increased.

第2の領域125に添加されるドーパントとしては、ホウ素、窒素、リン、及びヒ素の少
なくとも一以上がある。または、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノ
ンの少なくとも一以上がある。なお、ドーパントとして、ホウ素、窒素、リン、及びヒ素
の一以上と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノンの一以上とが適宜
組み合わされて含まれていてもよい。
The dopant added to the second region 125 includes at least one or more of boron, nitrogen, phosphorus, and arsenic. Alternatively, there is at least one or more of helium, neon, argon, krypton, and xenon. Note that one or more of boron, nitrogen, phosphorus, and arsenic and one or more of helium, neon, argon, krypton, and xenon may be appropriately combined and contained as a dopant.

また、一対の第2の領域125に含まれるドーパントの濃度は、5×1018atoms
/cm以上1×1022atoms/cm以下、好ましくは5×1018atoms
/cm以上5×1019atoms/cm未満とする。
Further, the concentration of the dopant contained in the pair of second regions 125 is 5 × 10 18 atoms.
/ Cm 3 or more and 1 × 10 22 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 18 atoms
/ Cm 3 or more and 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

第2の領域125はドーパントを含むため、キャリア密度または欠陥を増加させることが
できる。このため、ドーパントを含まない第1の領域123及び第3の領域127と比較
して導電性を高めることができる。なお、ドーパント濃度を増加させすぎると、ドーパン
トがキャリアの移動を阻害することになり、第2の領域125の導電性を低下させること
になる。
Since the second region 125 contains a dopant, carrier density or defects can be increased. Therefore, the conductivity can be enhanced as compared to the first region 123 and the third region 127 which do not contain a dopant. Note that if the dopant concentration is increased too much, the dopant will inhibit the movement of carriers, and the conductivity of the second region 125 will be reduced.

第2の領域125は、導電率が0.1S/cm以上1000S/cm以下、好ましくは1
0S/cm以上1000S/cm以下とすることが好ましい。
The second region 125 has a conductivity of 0.1 S / cm or more and 1000 S / cm or less, preferably 1
It is preferable to set it as 0 S / cm or more and 1000 S / cm or less.

次に、本実施の形態に示すトランジスタ120の作製方法について、図6及び図7を用い
て説明する。
Next, a method for manufacturing the transistor 120 described in this embodiment will be described with reference to FIGS.

実施の形態2と同様に、図6(A)乃至図6(B)の工程を経て、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121を形成し、酸化物半導
体膜121上に一対の電極107を形成する。次に、酸化物半導体膜121及び一対の電
極107上にゲート絶縁膜109を形成し、ゲート絶縁膜109を介して、酸化物半導体
膜121の一部と重なるように、ゲート電極129を形成する。
As in Embodiment 2, through the steps of FIGS. 6A to 6B, the base insulating film 103 is formed over the substrate 101, and the oxide semiconductor film 121 is formed over the base insulating film 103. The pair of electrodes 107 is formed over the oxide semiconductor film 121. Next, the gate insulating film 109 is formed over the oxide semiconductor film 121 and the pair of electrodes 107, and the gate electrode 129 is formed to overlap with part of the oxide semiconductor film 121 with the gate insulating film 109 interposed therebetween. .

ここで、露光装置の解像限界以下の幅にまで微細化されたゲート電極の形成方法の一例に
ついて説明する。ゲート電極129の形成に用いるマスクに対してスリミング処理を行い
、より微細な構造のマスクとすることが好ましい。スリミング処理としては、例えば、酸
素ラジカルなどを用いるアッシング処理を適用することができる。ただし、スリミング処
理はフォトリソグラフィ法などによって形成されたマスクをより微細な構造に加工できる
処理であれば、アッシング処理以外の方法を用いてもよい。また、スリミング処理によっ
て形成されるマスクによって、トランジスタのチャネル長が決定されることになるため、
制御性の良好な処理を適用することが好ましい。スリミング処理の結果、フォトリソグラ
フィ法などによって形成されたマスクを、露光装置の解像限界以下、好ましくは、1/2
以下、より好ましくは1/3以下の幅にまで微細化することが可能である。例えば、形成
されたマスクの幅は、20nm以上2000nm以下、好ましくは50nm以上350n
m以下を達成することができる。また、スリミングしたマスクを後退させながら、導電膜
をエッチングすることで、露光装置の解像限界以下の幅にまで微細化されたゲート電極1
29を形成することができる。
Here, an example of a method for forming a gate electrode which is miniaturized to a width equal to or less than the resolution limit of the exposure apparatus will be described. It is preferable that a slimming process be performed on a mask used for forming the gate electrode 129 to make a mask having a finer structure. As the slimming process, for example, an ashing process using an oxygen radical or the like can be applied. However, the slimming process may be a method other than the ashing process as long as the mask can be processed into a finer structure by a photolithography method or the like. In addition, since the mask formed by the slimming process determines the channel length of the transistor,
It is preferable to apply a process with good controllability. As a result of the slimming process, the mask formed by photolithography or the like is equal to or less than the resolution limit of the exposure apparatus, preferably 1/2.
It is possible to reduce the width to a width of 1/3 or less, more preferably. For example, the width of the formed mask is 20 nm or more and 2000 nm or less, preferably 50 nm or more and 350 n
m or less can be achieved. In addition, the gate electrode 1 miniaturized to a width equal to or less than the resolution limit of the exposure apparatus by etching the conductive film while retracting the slimmed mask.
29 can be formed.

次に、一対の電極107及びゲート電極129をマスクとして、酸化物半導体膜121に
ドーパントを添加する。酸化物半導体膜121にドーパントを添加する方法として、イオ
ンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることができる。
Next, a dopant is added to the oxide semiconductor film 121 using the pair of electrodes 107 and the gate electrode 129 as a mask. As a method for adding a dopant to the oxide semiconductor film 121, an ion doping method or an ion implantation method can be used.

また、上記酸化物半導体膜121へのドーパントの添加は、酸化物半導体膜121を覆っ
て、ゲート絶縁膜109が形成されている状態を示したが、酸化物半導体膜121が露出
している状態でドーパントの添加を行ってもよい。
In addition, although the addition of the dopant to the oxide semiconductor film 121 shows a state in which the gate insulating film 109 is formed to cover the oxide semiconductor film 121, a state in which the oxide semiconductor film 121 is exposed The dopant may be added by

さらに、上記ドーパントの添加はイオンドーピング法またはイオンインプランテーション
法などによる注入以外の方法でも行うことができる。例えば、添加する元素を含むガス雰
囲気にてプラズマを発生させて、酸化物半導体膜121に対してプラズマ処理を行うこと
によって、ドーパントを添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては
、ドライエッチング装置、プラズマCVD装置などを用いることができる。
Furthermore, addition of the above-mentioned dopant can also be performed by methods other than implantation by ion doping method or ion implantation method. For example, the dopant can be added by generating plasma in a gas atmosphere containing an element to be added and performing plasma treatment on the oxide semiconductor film 121. As an apparatus for generating the plasma, a dry etching apparatus, a plasma CVD apparatus, or the like can be used.

なお、ドーパントの添加処理は、基板101を加熱しながら行ってもよい。 Note that the addition processing of the dopant may be performed while heating the substrate 101.

ここでは、イオンインプランテーション法により、リンを酸化物半導体膜121に添加す
る。
Here, phosphorus is added to the oxide semiconductor film 121 by an ion implantation method.

この後、加熱処理を行う。当該加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上450℃以
下、好ましくは250℃以上325℃以下とする。または、250℃から325℃まで徐
々に温度上昇させながら加熱してもよい。
After this, heat treatment is performed. The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or more and 450 ° C. or less, preferably 250 ° C. or more and 325 ° C. or less. Alternatively, heating may be performed while gradually raising the temperature from 250 ° C to 325 ° C.

当該加熱処理により、第2の領域125の導電率を高めることができる。なお、当該加熱
処理において、第1の領域123、第2の領域125,及び第3の領域127は、多結晶
構造、非晶質構造、またはCAAC−OSとなる。
The heat treatment can increase the conductivity of the second region 125. Note that in the heat treatment, the first region 123, the second region 125, and the third region 127 have a polycrystalline structure, an amorphous structure, or a CAAC-OS.

こののち、実施の形態2と同様に、絶縁膜113を形成し、加熱処理を行った後、配線1
15を形成して、図7に示すトランジスタ120を形成することができる。
Thereafter, as in the second embodiment, the insulating film 113 is formed and heat treatment is performed.
15 can be formed to form the transistor 120 shown in FIG.

以上の工程により、トランジスタのしきい値電圧の変動が少なく、電気特性のばらつきの
少ない、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。また、経時変化
や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタ
を作製することができる。
Through the above steps, a transistor having excellent electrical characteristics and less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態3と異なる構造のトランジスタについて
、図8を用いて説明する。本実施の形態に示すトランジスタ130は、他の実施の形態に
示すトランジスタと比較して、酸化物半導体膜の構造が異なり、チャネル領域と、ソース
領域及びドレイン領域との間に、電界緩和領域を有する。
Embodiment 4
In this embodiment, a transistor having a different structure from those in Embodiments 1 to 3 will be described with reference to FIGS. The transistor 130 described in this embodiment has a different structure from the oxide semiconductor film in the transistor described in the other embodiments, and an electric field relaxation region is provided between the channel region and the source and drain regions. Have.

図8(A)及び図8(B)に、トランジスタ130の上面図及び断面図を示す。図8(A
)はトランジスタ130の上面図であり、図8(B)は、図8(A)の一点鎖線A−B間
の断面図である。なお、図8(A)では、明瞭化のため、基板101、下地絶縁膜103
、トランジスタ130の構成要素の一部(例えば、ゲート絶縁膜109)、絶縁膜113
などを省略している。
8A and 8B illustrate a top view and a cross-sectional view of the transistor 130. FIG. Figure 8 (A
8B is a top view of the transistor 130, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A-B in FIG. 8A. Note that in FIG. 8A, the substrate 101 and the base insulating film 103 are provided for the sake of clarity.
, Part of the components of the transistor 130 (eg, the gate insulating film 109), the insulating film 113
Etc are omitted.

図8(B)に示すトランジスタ130は、下地絶縁膜103上に形成される酸化物半導体
膜131と、酸化物半導体膜131に接する一対の電極139と、下地絶縁膜103、酸
化物半導体膜131、及び一対の電極139に接するゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁
膜109を介して酸化物半導体膜131と重なるゲート電極129とを有する。また、ゲ
ート絶縁膜109及びゲート電極129を覆う絶縁膜113を有する。また、ゲート絶縁
膜109及び絶縁膜113の開口部110において、一対の電極139と接する配線11
5とを有してもよい。
The transistor 130 illustrated in FIG. 8B includes an oxide semiconductor film 131 formed over the base insulating film 103, a pair of electrodes 139 in contact with the oxide semiconductor film 131, the base insulating film 103, and the oxide semiconductor film 131. And a gate insulating film 109 in contact with the pair of electrodes 139, and a gate electrode 129 overlapping with the oxide semiconductor film 131 with the gate insulating film 109 interposed therebetween. In addition, an insulating film 113 which covers the gate insulating film 109 and the gate electrode 129 is provided. In addition, in the opening 110 of the gate insulating film 109 and the insulating film 113, the wiring 11 in contact with the pair of electrodes 139
And 5 may be provided.

本実施の形態に示すトランジスタ130は、酸化物半導体膜131において、ゲート電極
とゲート絶縁膜109を介して重なる第1の領域133と、ドーパントが添加された一対
の第2の領域135と、一対の電極139と接し、且つドーパントが添加された一対の第
3の領域137とを有する。なお、第1の領域133には、ドーパントが添加されていな
い。第1の領域133を挟むように一対の第2の領域135が設けられる。また、第1の
領域133及び第2の領域135を間に挟むように一対の第3の領域137が設けられる
In the transistor 130 described in this embodiment, in the oxide semiconductor film 131, a first region 133 overlapping with the gate electrode with the gate insulating film 109 interposed therebetween, a pair of second regions 135 to which a dopant is added, and a pair And a pair of third regions 137 in contact with the electrode 139 and doped with a dopant. Note that the dopant is not added to the first region 133. A pair of second regions 135 is provided to sandwich the first region 133. In addition, a pair of third regions 137 is provided so as to sandwich the first region 133 and the second region 135 therebetween.

第2の領域135及び第3の領域137に添加されるドーパントとしては、実施の形態3
に示す第2の領域125と同様のドーパントを適宜用いることができる。
As a dopant to be added to the second region 135 and the third region 137, Embodiment 3 can be used.
A dopant similar to that of the second region 125 shown in FIG.

また、第2の領域135及び第3の領域137に含まれるドーパントの濃度及び導電率は
、実施の形態3に示す第2の領域125と同様のドーパントの濃度とすることができる。
なお、本実施の形態においては、第2の領域135より第3の領域137の方がドーパン
トの濃度及び導電率が高い。
Further, the concentration and the conductivity of the dopant included in the second region 135 and the third region 137 can be the same as the concentration of the dopant in the second region 125 described in Embodiment 3.
In the present embodiment, the third region 137 has a higher concentration and conductivity of the dopant than the second region 135.

第1の領域133は、トランジスタ130においてチャネル領域として機能する。第2の
領域135は、電界緩和領域として機能する。第3の領域137において一対の電極13
9と接する領域は、一対の電極139の材料によっては酸素の一部が一対の電極139に
拡散し、酸素欠損ができ、n型化する。また、第3の領域137にはドーパントが添加さ
れ、導電率が高いため、第3の領域137及び一対の電極139のコンタクト抵抗をさら
に低減することができる。このため、トランジスタ130のオン電流及び電界効果移動度
を高めることができる。
The first region 133 functions as a channel region in the transistor 130. The second region 135 functions as an electric field relaxation region. In the third region 137, the pair of electrodes 13
Depending on the material of the pair of electrodes 139, part of oxygen diffuses to the pair of electrodes 139 in a region in contact with the electrode 9 and oxygen deficiency occurs, which results in n-type conversion. In addition, since a dopant is added to the third region 137 and conductivity is high, the contact resistance of the third region 137 and the pair of electrodes 139 can be further reduced. Thus, the on-state current and the field-effect mobility of the transistor 130 can be increased.

なお、一対の電極139は、第3の領域137にドーパントを添加させるために、膜厚を
薄くすることが好ましく、代表的には、10nm以上100nm以下、好ましくは20n
m以上50nm以下とする。
Note that in order to add a dopant to the third region 137, the pair of electrodes 139 preferably has a thin film thickness, typically 10 nm to 100 nm, and preferably 20 n.
m or more and 50 nm or less.

次に、本実施の形態に示すトランジスタ130の作製方法について、図6及び図8を用い
て説明する。
Next, a method for manufacturing the transistor 130 described in this embodiment will be described with reference to FIGS.

実施の形態2と同様に、図6(A)及び図6(B)の工程を経て、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131を形成し、酸化物半導
体膜131上に一対の電極139(図8(B)参照。)を形成する。次に、酸化物半導体
膜131及び一対の電極139上にゲート絶縁膜109を形成し、ゲート絶縁膜109を
介して、酸化物半導体膜131の一部と重なるように、ゲート電極129を形成する。
As in Embodiment 2, through the steps of FIGS. 6A and 6B, the base insulating film 103 is formed over the substrate 101, and the oxide semiconductor film 131 is formed over the base insulating film 103. A pair of electrodes 139 (see FIG. 8B) is formed over the oxide semiconductor film 131. Next, the gate insulating film 109 is formed over the oxide semiconductor film 131 and the pair of electrodes 139, and the gate electrode 129 is formed to overlap with part of the oxide semiconductor film 131 with the gate insulating film 109 interposed therebetween. .

次に、ゲート電極129をマスクとして、酸化物半導体膜131にドーパントを添加する
。ドーパントの添加方法は、実施の形態3に示す方法を適宜用いることができる。なお、
本実施の形態では、第2の領域135と共に、第3の領域137にもドーパントを添加す
る。さらに、第2の領域135より第3の領域137の方がドーパントの濃度が高い。こ
のため、ドーパント濃度のプロファイルのピークが第3の領域137となるように、添加
方法の条件を適宜用いる。このとき、第3の領域137は一対の電極139と重なるが、
第2の領域135は、一対の電極139と重ならない。このため、第2の領域135では
、ドーパント濃度のプロファイルのピークが下地絶縁膜103となるため、第2の領域1
35におけるドーパントの濃度は、第3の領域137より低くなる。
Next, a dopant is added to the oxide semiconductor film 131 using the gate electrode 129 as a mask. As a method for adding a dopant, the method described in Embodiment 3 can be used as appropriate. Note that
In this embodiment mode, a dopant is added to the third region 137 as well as the second region 135. Furthermore, the concentration of the dopant is higher in the third region 137 than in the second region 135. Therefore, the conditions of the addition method are appropriately used so that the peak of the profile of the dopant concentration becomes the third region 137. At this time, the third region 137 overlaps with the pair of electrodes 139, but
The second region 135 does not overlap with the pair of electrodes 139. Therefore, in the second region 135, the peak of the profile of the dopant concentration serves as the base insulating film 103.
The concentration of dopant at 35 is lower than in the third region 137.

この後、加熱処理を行う。当該加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上450℃以
下、好ましくは250℃以上325℃以下とする。または、250℃から325℃まで徐
々に温度上昇させながら加熱してもよい。
After this, heat treatment is performed. The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or more and 450 ° C. or less, preferably 250 ° C. or more and 325 ° C. or less. Alternatively, heating may be performed while gradually raising the temperature from 250 ° C to 325 ° C.

当該加熱処理により、第2の領域135及び第3の領域137の導電率を高めることがで
きる。なお、当該加熱処理において、第1の領域133、第2の領域135、及び第3の
領域137は、多結晶構造、非晶質構造、またはCAAC−OSとなる。
By the heat treatment, the conductivity of the second region 135 and the third region 137 can be increased. Note that in the heat treatment, the first region 133, the second region 135, and the third region 137 have a polycrystalline structure, an amorphous structure, or a CAAC-OS.

こののち、実施の形態2と同様に、絶縁膜113を形成し、加熱処理を行った後、配線1
15を形成して、図8に示すトランジスタ130を形成することができる。
Thereafter, as in the second embodiment, the insulating film 113 is formed and heat treatment is performed.
15 can be formed to form the transistor 130 shown in FIG.

本実施の形態に示すトランジスタ130は、酸化物半導体膜131において、チャネル領
域となる第1の領域133と、ソース領域及びドレイン領域として機能する第3の領域1
37の間に、電界緩和領域として機能する第2の領域135を有する。このため、実施の
形態2に示すトランジスタ100と比較して、トランジスタの劣化を抑制することができ
る。また、一対の電極139と接する第3の領域137にドーパントが含まれるため、一
対の電極139及び第3の領域137の接触抵抗をさらに低減することが可能であり、オ
ン電流を高めたトランジスタを作製することができる。また、トランジスタのしきい値電
圧の変動が少なく、電気特性のばらつきの少ない、優れた電気特性を有するトランジスタ
を作製することができる。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の
変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
In the oxide semiconductor film 131, the transistor 130 described in this embodiment is a first region 133 which serves as a channel region and a third region 1 which functions as a source region and a drain region.
Between 37 is a second region 135 which functions as a field relaxation region. Therefore, deterioration of the transistor can be suppressed as compared to the transistor 100 described in Embodiment 2. In addition, since the third region 137 in contact with the pair of electrodes 139 contains a dopant, the contact resistance between the pair of electrodes 139 and the third region 137 can be further reduced, and a transistor with an increased on-state current can be obtained. It can be made. In addition, a transistor with excellent electrical characteristics, which has less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics, can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(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と異なる構造のトランジスタについて
、図9を用いて説明する。
Fifth Embodiment
In this embodiment, a transistor having a structure different from that in Embodiments 1 to 4 is described with reference to FIG.

図9(A)に示すトランジスタ210は、基板101上に設けられる下地絶縁膜103と
、下地絶縁膜103上に形成される酸化物半導体膜211と、下地絶縁膜103及び酸化
物半導体膜211に接するゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁膜109を介して酸化物半
導体膜211と重なるゲート電極129とを有する。また、ゲート絶縁膜109及びゲー
ト電極129を覆う絶縁膜217と、ゲート絶縁膜109及び絶縁膜217の開口部にお
いて、酸化物半導体膜211と接する配線219を有する。
The transistor 210 illustrated in FIG. 9A includes the base insulating film 103 provided over the substrate 101, the oxide semiconductor film 211 formed over the base insulating film 103, the base insulating film 103, and the oxide semiconductor film 211. The gate insulating film 109 is in contact with a gate electrode 129 which overlaps with the oxide semiconductor film 211 with the gate insulating film 109 interposed therebetween. Further, the insulating film 217 which covers the gate insulating film 109 and the gate electrode 129 and a wiring 219 which is in contact with the oxide semiconductor film 211 in the opening portion of the gate insulating film 109 and the insulating film 217 is provided.

本実施の形態に示すトランジスタ210は、酸化物半導体膜211は、ゲート電極129
とゲート絶縁膜109を介して重なる第1の領域213と、ドーパントが添加された一対
の第2の領域215とを有する。なお、第1の領域213には、ドーパントが添加されて
いない。また、第1の領域213を挟むように一対の第2の領域215が設けられる。
In the transistor 210 described in this embodiment, the oxide semiconductor film 211 includes a gate electrode 129.
And a gate insulating film 109 and a first region 213 overlapping with each other, and a pair of second regions 215 to which a dopant is added. Note that the dopant is not added to the first region 213. In addition, a pair of second regions 215 is provided so as to sandwich the first region 213.

第1の領域213は、トランジスタ210においてチャネル領域として機能する。第2の
領域215はソース領域及びドレイン領域として機能する。
The first region 213 functions as a channel region in the transistor 210. The second region 215 functions as a source region and a drain region.

第2の領域215に添加されるドーパントとしては、実施の形態3に示す第2の領域12
5と同様のドーパントを適宜用いることができる。
As a dopant to be added to the second region 215, the second region 12 described in Embodiment 3 can be used.
A dopant similar to 5 can be used as appropriate.

また、第2の領域215に含まれるドーパントの濃度及び導電率は、実施の形態3に示す
第2の領域125と同様のドーパントの濃度とすることができる。
Further, the concentration and conductivity of the dopant included in the second region 215 can be the same as the concentration of the dopant in the second region 125 described in Embodiment 3.

図9(B)に示すトランジスタ220は、基板101上に設けられる下地絶縁膜103と
、下地絶縁膜103上に設けられる酸化物半導体膜211と、酸化物半導体膜211に接
する、ソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極225と、酸化物半導体膜
211の少なくとも一部と接するゲート絶縁膜223と、ゲート絶縁膜223上であって
、且つ酸化物半導体膜211と重畳するゲート電極129とを有する。
The transistor 220 illustrated in FIG. 9B includes a base insulating film 103 provided over the substrate 101, an oxide semiconductor film 211 provided over the base insulating film 103, and a source electrode and a drain in contact with the oxide semiconductor film 211. A pair of electrodes 225 functioning as electrodes, a gate insulating film 223 in contact with at least part of the oxide semiconductor film 211, and a gate electrode 129 over the gate insulating film 223 and overlapping with the oxide semiconductor film 211 Have.

また、ゲート電極129の側面に接するサイドウォール絶縁膜221を有する。また、下
地絶縁膜103、ゲート電極129、サイドウォール絶縁膜221、及び一対の電極22
5上に絶縁膜217を有する。また、絶縁膜217の開口部において、一対の電極225
と接する配線219を有する。
In addition, sidewall insulating films 221 in contact with the side surfaces of the gate electrode 129 are provided. The base insulating film 103, the gate electrode 129, the sidewall insulating film 221, and the pair of electrodes 22 are also provided.
An insulating film 217 is provided over the device 5. In the opening of the insulating film 217, the pair of electrodes 225 is formed.
And a wire 219 in contact with the device.

図9(B)に示すトランジスタにおいて、酸化物半導体膜211は、ゲート電極129と
ゲート絶縁膜223を介して重なる第1の領域213と、ドーパントが添加された一対の
第2の領域215とを有する。なお、第1の領域213には、ドーパントが添加されてい
ない。第1の領域213を挟むように一対の第2の領域215が設けられる。
In the transistor illustrated in FIG. 9B, the oxide semiconductor film 211 includes a first region 213 overlapping with the gate electrode 129 with the gate insulating film 223 interposed therebetween, and a pair of second regions 215 to which a dopant is added. Have. Note that the dopant is not added to the first region 213. A pair of second regions 215 is provided to sandwich the first region 213.

トランジスタの一対の電極225の端部が、サイドウォール絶縁膜221上に位置し、更
に酸化物半導体膜211において、一対の電極225が、ドーパントを含む一対の第2の
領域215の露出部を全て覆っている。このため、チャネル長方向におけるソース電極−
ドレイン電極間の距離(より正確には、一対の電極225と接する酸化物半導体膜211
の間の距離)を、サイドウォール絶縁膜221の幅で制御することができる。つまりマス
クを用いてパターンを形成するのが困難な微細なデバイスにおいて、酸化物半導体膜21
1と接する一対の電極225のチャネル側の端部を、マスクを用いずに形成させることが
できる。また、マスクを使用しないため、複数のトランジスタにおける加工ばらつきを低
減することができる。
End portions of the pair of electrodes 225 of the transistor are located over the sidewall insulating film 221, and in the oxide semiconductor film 211, the pair of electrodes 225 includes all exposed portions of the pair of second regions 215 including a dopant. Covering. Therefore, the source electrode in the channel length direction
The distance between the drain electrodes (more precisely, the oxide semiconductor film 211 in contact with the pair of electrodes 225
The distance between the two) can be controlled by the width of the sidewall insulating film 221. That is, in a fine device in which it is difficult to form a pattern using a mask, the oxide semiconductor film 21
The end portions on the channel side of the pair of electrodes 225 in contact with 1 can be formed without using a mask. In addition, since no mask is used, processing variations in a plurality of transistors can be reduced.

本実施の形態に示すトランジスタ210、220に設けられるゲート絶縁膜109、22
3は、膜密度が高く、欠陥の少ない絶縁膜である。この結果、トランジスタのしきい値電
圧の変動が少なく、電気特性のばらつきの少ない、優れた電気特性を有するトランジスタ
を作製することができる。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の
変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
Gate insulating films 109 and 22 provided in the transistors 210 and 220 described in this embodiment.
3 is an insulating film having a high film density and few defects. As a result, a transistor with excellent electrical characteristics can be manufactured, which has less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態5と異なる構造のトランジスタについて
、図10を用いて説明する。本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体膜を介し
て対向する複数のゲート電極を有することを特徴とする。なお、本実施の形態では、実施
の形態2に示すトランジスタを用いて説明するが、適宜他の実施の形態と組み合わせるこ
とができる。
Sixth Embodiment
In this embodiment, a transistor having a different structure from those in Embodiments 1 to 5 will be described with reference to FIGS. The transistor described in this embodiment is characterized by having a plurality of gate electrodes facing each other through an oxide semiconductor film. Although this embodiment mode will be described using the transistor described in Embodiment Mode 2, this embodiment mode can be combined with other embodiment modes as appropriate.

図10に示すトランジスタ230は、基板101上に設けられるゲート電極231と、ゲ
ート電極231を覆う絶縁膜233を有する。また、絶縁膜233上に形成される酸化物
半導体膜105と、酸化物半導体膜105に接する一対の電極107と、絶縁膜233、
酸化物半導体膜105、及び一対の電極107に接するゲート絶縁膜109と、ゲート絶
縁膜109を介して酸化物半導体膜105と重なるゲート電極111とを有する。また、
ゲート絶縁膜109及びゲート電極111を覆う絶縁膜113を有する。また、ゲート絶
縁膜109及び絶縁膜113の開口部において、一対の電極107と接する配線115と
を有してもよい。
The transistor 230 illustrated in FIG. 10 includes a gate electrode 231 provided over the substrate 101 and an insulating film 233 which covers the gate electrode 231. In addition, an oxide semiconductor film 105 formed over the insulating film 233, a pair of electrodes 107 in contact with the oxide semiconductor film 105, an insulating film 233, and
The oxide semiconductor film 105 and the gate insulating film 109 in contact with the pair of electrodes 107 and the gate electrode 111 overlapping with the oxide semiconductor film 105 with the gate insulating film 109 interposed therebetween are included. Also,
An insulating film 113 covering the gate insulating film 109 and the gate electrode 111 is provided. In addition, the opening portion of the gate insulating film 109 and the insulating film 113 may have a wiring 115 in contact with the pair of electrodes 107.

ゲート電極231は、実施の形態1に示すゲート電極15と同様に形成することができる
。なお、ゲート電極231は、後に形成される絶縁膜233の被覆性を高めるために、側
面がテーパ形状であることが好ましく、基板101とゲート電極231の側面のなす角度
は、20度以上70度以下、好ましくは30度以上60度以下とする。
The gate electrode 231 can be formed in the same manner as the gate electrode 15 described in Embodiment 1. Note that in order to enhance the coverage of the insulating film 233 to be formed later, the gate electrode 231 preferably has a tapered side surface, and the angle between the substrate 101 and the side surface of the gate electrode 231 is 20 degrees to 70 degrees. Hereinafter, preferably, it is 30 degrees or more and 60 degrees or less.

絶縁膜233は、実施の形態2に示す下地絶縁膜103と同様に形成することができる。
なお、後に、絶縁膜233上に酸化物半導体膜105を形成するため、絶縁膜233の表
面は平坦であることが好ましい。このため、後に絶縁膜233となる絶縁膜を基板101
及びゲート電極231上に形成した後、当該絶縁膜を平坦化処理して、表面の凹凸が少な
い絶縁膜233を形成する。
The insulating film 233 can be formed in the same manner as the base insulating film 103 described in Embodiment 2.
Note that in order to form the oxide semiconductor film 105 over the insulating film 233 later, the surface of the insulating film 233 is preferably flat. Therefore, the insulating film to be the insulating film 233 later is used as the substrate 101.
After the insulating film is formed over the gate electrode 231, the insulating film is planarized to form the insulating film 233 with few surface irregularities.

本実施の形態に示すトランジスタ230は、酸化物半導体膜105を介して対向するゲー
ト電極231及びゲート電極111を有する。ゲート電極231とゲート電極111に異
なる電位を印加することで、トランジスタ230のしきい値電圧を制御し、好ましくは、
しきい値電圧をプラスシフトさせることができる。
The transistor 230 described in this embodiment includes the gate electrode 231 and the gate electrode 111 which are opposed to each other with the oxide semiconductor film 105 interposed therebetween. The threshold voltage of the transistor 230 is controlled by applying different potentials to the gate electrode 231 and the gate electrode 111, preferably,
The threshold voltage can be positively shifted.

本実施の形態に示すトランジスタ230に設けられるゲート絶縁膜109は、膜密度が高
く、欠陥の少ない絶縁膜である。この結果、トランジスタのしきい値電圧の変動が少なく
、電気特性のばらつきの少ない、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することが
できる。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない、信
頼性の高いトランジスタを作製することができる。
The gate insulating film 109 provided in the transistor 230 described in this embodiment is a high-density insulating film with few defects. As a result, a transistor with excellent electrical characteristics can be manufactured, which has less variation in threshold voltage of the transistor and less variation in electrical characteristics. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(実施の形態7)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態6に示すトランジスタにおいて、酸化物
半導体膜中に含まれる水素濃度を低減したトランジスタの作製方法について説明する。こ
こでは、代表的に実施の形態1及び実施の形態2を用いて説明するが、適宜他の実施の形
態と組み合わせることができる。なお、本実施の形態に示す工程の一以上と、実施の形態
1及び実施の形態2に示すトランジスタの作製工程とが組み合わさればよく、全て組み合
わせる必要はない。
Seventh Embodiment
In this embodiment, a method for manufacturing the transistor described in any of Embodiments 1 to 6 in which the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor film is reduced is described. Here, although the description will be made typically using Embodiment 1 and Embodiment 2, they can be combined with other embodiments as appropriate. Note that one or more of the steps described in this embodiment may be combined with the manufacturing steps of the transistor described in Embodiments 1 and 2, and it is not necessary to combine them all.

実施の形態1に示す酸化物半導体膜19及び実施の形態2に示す酸化物半導体膜105に
おいて、水素濃度を5×1018atoms/cm未満、好ましくは1×1018at
oms/cm以下、より好ましくは5×1017atoms/cm以下、さらに好ま
しくは1×1016atoms/cm以下とすることが好ましい。
In the oxide semiconductor film 19 described in Embodiment 1 and the oxide semiconductor film 105 described in Embodiment 2, the hydrogen concentration is less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 18 at.
It is preferable that oms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, and still more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

酸化物半導体膜19、105に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水と
なると共に、酸素が脱離した格子(あるいは酸素が脱離した部分)には欠損が形成されて
しまう。また、水素が酸素と結合することで、キャリアである電子が生じてしまう。これ
らのため、酸化物半導体膜の成膜工程において、水素を含む不純物を極めて減らすことに
より、酸化物半導体膜の水素濃度を低減することが可能である。このため、水素をできる
だけ除去し、高純度化させた酸化物半導体膜をチャネル領域とすることにより、しきい値
電圧のマイナスシフトを低減することができ、またトランジスタのソース電極及びドレイ
ン電極の間に生じるリーク電流を、代表的には、チャネル幅あたりのオフ電流を数yA/
μm〜数zA/μmにまで低減することが可能であり、トランジスタの電気特性を向上さ
せることができる。
Hydrogen contained in the oxide semiconductor films 19 and 105 reacts with oxygen bonded to metal atoms to form water, and defects are formed in a lattice from which oxygen is released (or a portion from which oxygen is released). I will. Further, hydrogen bonds with oxygen to generate electrons as carriers. For these reasons, the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor film can be reduced by extremely reducing the impurity containing hydrogen in the step of forming the oxide semiconductor film. Therefore, negative shift of the threshold voltage can be reduced by removing hydrogen as much as possible and using a highly purified oxide semiconductor film as a channel region, and between the source electrode and the drain electrode of the transistor. Leakage current that occurs is typically a few yA / off current per channel width.
The electric characteristics can be reduced to μm to several zA / μm, and the electric characteristics of the transistor can be improved.

酸化物半導体膜19中の水素濃度を低減する第1の方法として、酸化物半導体膜19を形
成する前に、加熱処理またはプラズマ処理により、基板11、下地絶縁膜13、ゲート電
極15、ゲート絶縁膜17それぞれに含まれる水素または水を脱離させる方法がある。こ
の結果、後の加熱処理において、基板11乃至ゲート絶縁膜17に付着または含有する水
素若しくは水が、酸化物半導体膜19中に拡散することを防ぐことができる。なお、加熱
処理は、不活性雰囲気、減圧雰囲気または乾燥空気雰囲気にて、100℃以上基板の歪み
点未満の温度で行う。また、プラズマ処理は、希ガス、酸素、窒素または酸化窒素(亜酸
化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素等)を用いる。なお、実施の形態2乃至実施の形態6に
おいては、酸化物半導体膜105を形成する前に、加熱処理またはプラズマ処理により、
基板101及び下地絶縁膜103それぞれに含まれる水素または水を脱離させる。
As a first method of reducing the hydrogen concentration in the oxide semiconductor film 19, the substrate 11, the base insulating film 13, the gate electrode 15, and the gate insulating film are formed by heat treatment or plasma treatment before the oxide semiconductor film 19 is formed. There is a method of desorbing hydrogen or water contained in each of the membranes 17. As a result, diffusion of hydrogen or water attached to or contained in the substrate 11 to the gate insulating film 17 into the oxide semiconductor film 19 can be prevented in heat treatment to be performed later. The heat treatment is performed in an inert atmosphere, a reduced pressure atmosphere, or a dry air atmosphere at a temperature of 100 ° C. or more and less than the strain point of the substrate. In addition, plasma treatment uses a rare gas, oxygen, nitrogen, or nitrogen oxide (such as nitrous oxide, nitrogen monoxide, or nitrogen dioxide). Note that in Embodiment Modes 2 to 6, heat treatment or plasma treatment is performed before the oxide semiconductor film 105 is formed.
Hydrogen or water contained in each of the substrate 101 and the base insulating film 103 is released.

酸化物半導体膜19、105中の水素濃度を低減する第2の方法として、酸化物半導体膜
をスパッタリング装置で成膜する前に、スパッタリング装置にダミー基板を搬入し、ダミ
ー基板上に酸化物半導体膜を成膜して、ターゲット表面、または防着板に付着した水素、
水等を取り除く方法がある。この結果、酸化物半導体膜中への水素または水等の混入を低
減することが可能である。
As a second method of reducing the hydrogen concentration in the oxide semiconductor films 19 and 105, the dummy substrate is carried into the sputtering apparatus before the oxide semiconductor film is formed by the sputtering apparatus, and the oxide semiconductor is deposited on the dummy substrate. Hydrogen deposited on the target surface or anti-adhesion plate
There is a way to remove water etc. As a result, mixing of hydrogen, water, and the like into the oxide semiconductor film can be reduced.

酸化物半導体膜19、105中の水素濃度を低減する第3の方法として、酸化物半導体膜
を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を150℃以上75
0℃以下、好ましくは150℃以上450℃以下、さらに好ましくは200℃以上350
℃以下として、酸化物半導体膜を成膜する方法がある。この方法により、酸化物半導体膜
中への水素または水等の混入を低減することが可能である。
As a third method of reducing the hydrogen concentration in the oxide semiconductor films 19 and 105, the substrate temperature is set to 150 ° C. or higher, for example, in the case of using a sputtering method in forming the oxide semiconductor film.
0 ° C. or less, preferably 150 ° C. or more and 450 ° C. or less, more preferably 200 ° C. or more and 350 or more
There is a method in which an oxide semiconductor film is formed at a temperature lower than or equal to ° C. By this method, the mixing of hydrogen, water, and the like into the oxide semiconductor film can be reduced.

ここで、酸化物半導体膜19、105中に含まれる水素濃度を低減することが可能なスパ
ッタリング装置について、以下に詳細を説明する。
Here, the sputtering apparatus capable of reducing the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor films 19 and 105 will be described in detail below.

酸化物半導体膜を成膜する処理室は、リークレートを1×10−10Pa・m/秒以下
とすることが好ましく、それによりスパッタリング法により成膜する際、膜中への水素ま
たは水等の混入を低減することができる。
In the treatment chamber for forming the oxide semiconductor film, the leak rate is preferably 1 × 10 −10 Pa · m 3 / sec or less, whereby hydrogen or water in the film is deposited by sputtering. And the like can be reduced.

また、スパッタリング装置の処理室の排気として、ドライポンプ等の粗引きポンプと、ス
パッタイオンポンプ、ターボ分子ポンプ及びクライオポンプ等の高真空ポンプとを適宜組
み合わせて行うとよい。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子の排気が優れる一方、水
素及び水の排気能力が低い。さらに、水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプまたは
水の排気能力の高いクライオポンプを組み合わせることが有効となる。
In order to evacuate the processing chamber of the sputtering apparatus, a roughing pump such as a dry pump and a high vacuum pump such as a sputter ion pump, a turbo molecular pump, or a cryopump may be appropriately combined. While turbo molecular pumps excel at evacuating large sized molecules, they have low evacuating ability of hydrogen and water. Furthermore, it is effective to combine a sputter ion pump having a high hydrogen discharge capacity or a cryopump having a high water discharge capacity.

処理室の内側に存在する吸着物は、内壁に吸着しているために処理室の圧力に影響しない
が、処理室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に
相関はないが、排気能力の高いポンプを用いて、処理室に存在する吸着物をできる限り脱
離し、予め排気しておくことが重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、処理室を
ベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を10倍程度大きくする
ことができる。ベーキングは100℃以上450℃以下で行えばよい。このとき、不活性
ガスを導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離
速度をさらに大きくすることができる。
Although the adsorbate present inside the processing chamber does not affect the pressure in the processing chamber because it is adsorbed on the inner wall, it causes gas release when the processing chamber is exhausted. Therefore, although there is no correlation between the leak rate and the exhaust speed, it is important to desorb the adsorbate present in the processing chamber as much as possible and exhaust the exhaust beforehand by using a pump having a high exhaust capacity. Note that the processing chamber may be baked to promote desorption of the adsorbate. By the baking, the desorption rate of the adsorbate can be increased about 10 times. Baking may be performed at 100 ° C. or more and 450 ° C. or less. At this time, if the adsorbate is removed while introducing an inert gas, it is possible to further increase the desorption rate of water or the like which is difficult to be detached only by exhausting.

このように、酸化物半導体膜の成膜工程において、処理室の圧力、処理室のリークレート
などにおいて、不純物の混入を極力抑えることによって、酸化物半導体膜に含まれる水素
または水等の混入を低減することができる。
As described above, in the film formation step of the oxide semiconductor film, mixing of impurities such as hydrogen or water contained in the oxide semiconductor film is suppressed by minimizing the mixing of impurities in the pressure of the treatment chamber, the leak rate of the treatment chamber, and the like. It can be reduced.

酸化物半導体膜19、105中の水素濃度を低減する第4の方法として、原料ガスに水素
を含む不純物が除去された高純度ガスを用いる方法がある。この結果、酸化物半導体膜中
への水素または水等の混入を低減することが可能である。
As a fourth method for reducing the hydrogen concentration in the oxide semiconductor films 19 and 105, there is a method using a high purity gas from which an impurity containing hydrogen is removed as a source gas. As a result, mixing of hydrogen, water, and the like into the oxide semiconductor film can be reduced.

酸化物半導体膜19、105中の水素濃度を低減する第5の方法として、酸化物半導体膜
を形成した後、加熱処理を行う方法がある。当該加熱処理により、酸化物半導体膜の脱水
素化または脱水化をすることができる。
As a fifth method for reducing the hydrogen concentration in the oxide semiconductor films 19 and 105, there is a method in which heat treatment is performed after the oxide semiconductor film is formed. By the heat treatment, the oxide semiconductor film can be dehydrogenated or dehydrated.

加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、好ましくは250℃以上
450℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とする。
The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or more and less than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or more and 450 ° C. or less, and more preferably 300 ° C. or more and 450 ° C. or less.

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒
素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気
で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれない
ことが好ましい。処理時間は3分〜24時間とする。
The heat treatment is performed in a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, krypton, or an inert gas atmosphere containing nitrogen. Alternatively, after heating in an inert gas atmosphere, heating may be performed in an oxygen atmosphere. Preferably, the inert atmosphere and the oxygen atmosphere do not contain hydrogen, water, and the like. Treatment time is 3 minutes to 24 hours.

なお、図2(B)及び図6(A)に示すように、素子分離した酸化物半導体膜19、10
5を形成した後、上記脱水素化または脱水化のための加熱処理を行ってもよい。このよう
な工程を経ることで、脱水素化または脱水化のための加熱処理において、ゲート絶縁膜1
7または下地絶縁膜103に含まれる水素または水等を効率よく放出させることができる
Note that, as shown in FIGS. 2B and 6A, the oxide semiconductor films 19 and 10 are separated.
After forming 5, the heat treatment for the above dehydrogenation or dehydration may be performed. By passing through such a step, the gate insulating film 1 is heated in the heat treatment for dehydrogenation or dehydration.
Or hydrogen or water contained in the base insulating film 103 can be released efficiently.

また、脱水化または脱水素化のための加熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と
兼ねてもよい。
Further, the heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed a plurality of times, and may be combined with another heat treatment.

以上の酸化物半導体膜中の水素濃度を低減する第1の方法乃至第5の方法の一以上を実施
の形態1乃至実施の形態6に示すトランジスタの作製方法に組み合わせることで、水素ま
たは水等をできるだけ除去し、高純度化させた酸化物半導体膜をチャネル領域に有するト
ランジスタを作製することができる。この結果、しきい値電圧のマイナスシフトを低減す
ることができ、またトランジスタのソース電極及びドレイン電極の間に生じるリーク電流
を、代表的には、チャネル幅あたりのオフ電流を数yA/μm〜数zA/μmにまで低減
することが可能であり、トランジスタの電気特性を向上させることができる。以上のこと
から、本実施の形態により、しきい値のマイナスシフトが低減され、リーク電流が低く、
優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
By combining one or more of the first to fifth methods for reducing the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor film with the method for manufacturing a transistor described in Embodiments 1 to 6, hydrogen, water, and the like can be obtained. As much as possible, the transistor including the highly purified oxide semiconductor film in the channel region can be manufactured. As a result, the negative shift of the threshold voltage can be reduced, and the leakage current generated between the source electrode and the drain electrode of the transistor can be typically represented by several off current per channel width It can be reduced to several zA / μm, and the electrical characteristics of the transistor can be improved. From the above, according to the present embodiment, the negative shift of the threshold is reduced, and the leakage current is low.
A transistor having excellent electrical characteristics can be manufactured.

(実施の形態8)
本実施の形態では、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタを有し、上部に第2の
半導体材料を用いたトランジスタを有する半導体装置であって、第1の半導体材料を用い
たトランジスタに半導体基板を用いた構造を、図11を用いて説明する。
Eighth Embodiment
In this embodiment mode, a semiconductor device includes a transistor including a first semiconductor material in a lower portion and a transistor including a second semiconductor material in an upper portion, and the transistor includes the first semiconductor material. A structure using a semiconductor substrate will be described with reference to FIG.

図11は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタを有し、上部に第2の半導体材
料を用いたトランジスタを有する半導体装置の断面構成を示す一例である。ここで、第1
の半導体材料と第2の半導体材料とは異なる材料を用いる。例えば、第1の半導体材料を
酸化物半導体以外の半導体材料とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができ
る。酸化物半導体以外の材料としては、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、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体また
は多結晶半導体を用いることが好ましい。単結晶半導体を用いたトランジスタは、高速動
作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、チャネル幅あたりのオ
フ電流が数yA/μm〜数zA/μm程度と十分低い特性を利用した回路に用いることが
できる。これらのことから、図11に示す半導体装置を用いて、例えば低消費電力の論理
回路を構成することもできる。なお、第1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。
FIG. 11 is an example illustrating a cross-sectional configuration of a semiconductor device including a transistor including a first semiconductor material in the lower portion and a transistor including a second semiconductor material in the upper portion. Where the first
The second semiconductor material and the second semiconductor material use different materials. For example, the first semiconductor material can be a semiconductor material other than an oxide semiconductor, and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. As a material other than the oxide semiconductor, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used, and a single crystal semiconductor or a polycrystalline semiconductor is preferably used. A transistor using a single crystal semiconductor can operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can be used in a circuit in which off-state current per channel width is sufficiently low such as several yA / μm to several zA / μm. From these things, for example, a logic circuit with low power consumption can also be configured using the semiconductor device shown in FIG. Note that an organic semiconductor material or the like may be used as the first semiconductor material.

トランジスタ704a、トランジスタ704b及びトランジスタ704cはそれぞれ、n
チャネル型トランジスタ(NMOSFET)またはpチャネル型トランジスタ(PMOS
FET)のいずれも用いることができる。ここでは、トランジスタ704a及びトランジ
スタ704bとしてpチャネル型のトランジスタを示し、トランジスタ704cとしてn
チャネル型のトランジスタを示す。図11に示す例においては、トランジスタ704a及
びトランジスタ704bは、STI(Shallow Trench Isolatio
n)702によって他の素子と絶縁分離されている。一方、トランジスタ704cは、S
TI702によってトランジスタ704a及び704bと絶縁分離されている。STI7
02を用いることにより、LOCOSによる素子分離法で発生した素子分離部のバーズビ
ークを抑制することができ、素子分離部の縮小等が可能となる。一方で、トランジスタの
構造の微細化が要求されない半導体装置においてはSTI702の形成は必ずしも必要で
はなく、LOCOS等の素子分離手段を用いることもできる。
The transistor 704a, the transistor 704b, and the transistor 704c are each n.
Channel type transistor (NMOSFET) or p channel type transistor (PMOS
Any of FET) can be used. Here, p-channel transistors are illustrated as the transistor 704 a and the transistor 704 b, and n
A channel type transistor is shown. In the example illustrated in FIG. 11, the transistor 704 a and the transistor 704 b are STI (Shallow Trench Isolation).
n) isolated from other elements by 702; On the other hand, the transistor 704 c is
The transistor 702 is isolated from the transistors 704 a and 704 b by the TI 702. STI7
The use of O.02 makes it possible to suppress bird's beaks of the element isolation portion generated by the element isolation method using LOCOS, and to make the element isolation portion smaller. On the other hand, in the semiconductor device in which miniaturization of the structure of the transistor is not required, the formation of the STI 702 is not necessarily required, and an element separation unit such as LOCOS can be used.

図11におけるトランジスタ704a、トランジスタ704b及びトランジスタ704c
は、それぞれ基板701中に設けられたチャネル領域と、チャネル領域を挟むように設け
られた不純物領域705(ソース領域及びドレイン領域ともいう)と、チャネル領域上に
設けられたゲート絶縁膜706と、ゲート絶縁膜706上にチャネル領域と重畳するよう
に設けられたゲート電極707、708とを有する。ゲート電極は加工精度を高めるため
の第1の材料からなるゲート電極707と、配線として低抵抗化を目的とした第2の材料
からなるゲート電極708を積層した構造とすることができるが、この構造に限らず、適
宜要求される仕様に応じて材料、積層数、形状等を調整することができる。なお、図にお
いて、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上このような
状態を含めてトランジスタとよぶ場合がある。
The transistor 704a, the transistor 704b, and the transistor 704c in FIG.
A channel region provided in the substrate 701, an impurity region 705 (also referred to as a source region and a drain region) provided so as to sandwich the channel region, and a gate insulating film 706 provided over the channel region. Gate electrodes 707 and 708 are provided over the gate insulating film 706 so as to overlap with the channel region. The gate electrode can have a structure in which a gate electrode 707 made of a first material for enhancing processing accuracy and a gate electrode 708 made of a second material for reducing resistance are stacked. Not only the structure but also materials, the number of layers, the shape, etc. can be adjusted appropriately according to the required specifications. Note that although there may be a case where the source electrode and the drain electrode are not explicitly shown in the drawing, the transistor may be referred to for convenience including such a state.

また、基板701中に設けられた不純物領域705には、コンタクトプラグ714aが接
続されている。ここでコンタクトプラグ714aは、トランジスタ704a等のソース電
極やドレイン電極としても機能する。また、不純物領域705とチャネル領域の間には、
不純物領域705と異なる不純物領域が設けられている。該不純物領域は、導入された不
純物の濃度によって、LDD領域やエクステンション領域としてチャネル領域近傍の電界
分布を制御する機能を果たす。ゲート電極707、708の側壁には絶縁膜709を介し
てサイドウォール絶縁膜710を有する。絶縁膜709やサイドウォール絶縁膜710を
用いることで、LDD領域やエクステンション領域を形成することができる。
Further, a contact plug 714 a is connected to the impurity region 705 provided in the substrate 701. Here, the contact plug 714a also functions as a source electrode or a drain electrode of the transistor 704a or the like. Also, between the impurity region 705 and the channel region,
An impurity region different from the impurity region 705 is provided. The impurity region functions as an LDD region or an extension region to control the electric field distribution in the vicinity of the channel region depending on the concentration of the introduced impurity. A sidewall insulating film 710 is provided on side walls of the gate electrodes 707 and 708 with an insulating film 709 interposed therebetween. By using the insulating film 709 and the sidewall insulating film 710, an LDD region or an extension region can be formed.

また、トランジスタ704a、トランジスタ704b及びトランジスタ704cは、絶縁
膜711により被覆されている。絶縁膜711には保護膜としての機能を持たせることが
でき、外部からチャネル領域への不純物の侵入を防止することができる。また、絶縁膜7
11をCVD法による窒化シリコン等の材料とすることで、チャネル領域に単結晶シリコ
ンを用いた場合には加熱処理によって、単結晶シリコンの水素化を行うことができる。ま
た、絶縁膜711に引張応力または圧縮応力を有する絶縁膜を用いることで、チャネル領
域を構成する半導体材料に歪みを与えることができる。nチャネル型のトランジスタの場
合にはチャネル領域となるシリコン材料に引張応力を、pチャネル型のトランジスタの場
合にはチャネル領域となるシリコン材料に圧縮応力を付加することで、各トランジスタの
移動度を向上させることができる。
The transistor 704 a, the transistor 704 b, and the transistor 704 c are covered with the insulating film 711. The insulating film 711 can have a function as a protective film and can prevent impurities from entering the channel region from the outside. Insulating film 7
By using 11 as a material such as silicon nitride by the CVD method, when single crystal silicon is used for the channel region, hydrogenation of the single crystal silicon can be performed by heat treatment. Further, by using an insulating film having tensile stress or compressive stress as the insulating film 711, distortion can be given to the semiconductor material forming the channel region. In the case of an n-channel transistor, tensile stress is applied to the silicon material serving as the channel region, and in the case of the p-channel transistor, compressive stress is applied to the silicon material serving as the channel region, whereby the mobility of each transistor is obtained. It can be improved.

ここでは、図11におけるトランジスタ750は、実施の形態2に示すトランジスタ10
0と同様の構造を有する。さらに、トランジスタ750の下地絶縁膜はバリア膜724、
絶縁膜725a、絶縁膜725bの3層構造であり、下地絶縁膜を介して、トランジスタ
750の酸化物半導体膜と対向するゲート電極751を有する。絶縁膜725aは、水素
、水、及び酸素のブロッキング効果を有する絶縁膜で形成することが好ましく、代表的に
は酸化アルミニウム膜で形成する。絶縁膜725bは、実施の形態2に示す下地絶縁膜1
03を適宜用いることができる。
Here, the transistor 750 in FIG.
It has the same structure as 0. Further, the base insulating film of the transistor 750 is a barrier film 724,
It has a three-layer structure of an insulating film 725a and an insulating film 725b, and includes a gate electrode 751 which faces the oxide semiconductor film of the transistor 750 with a base insulating film interposed therebetween. The insulating film 725 a is preferably formed using an insulating film having a blocking effect of hydrogen, water, and oxygen, and is typically formed using an aluminum oxide film. The insulating film 725 b is the base insulating film 1 described in Embodiment 2.
03 can be used appropriately.

なお、トランジスタ750としてここでは実施の形態2に示すトランジスタ100を用い
て説明したが、実施の形態1乃至実施の形態7で示したトランジスタを適宜用いることが
できる。
Note that although the transistor 100 described in Embodiment 2 is described here as the transistor 750, any of the transistors described in Embodiments 1 to 7 can be used as appropriate.

第2の半導体材料を用いたトランジスタ750は、必要な回路構成に応じて下層のトラン
ジスタ704a等の第1の半導体材料を用いたトランジスタと電気的に接続する。図11
においては、一例としてトランジスタ750のソース電極またはドレイン電極がトランジ
スタ704aのソース電極またはドレイン電極と電気的に接続している構成を示している
A transistor 750 using a second semiconductor material is electrically connected to a transistor using a first semiconductor material such as the transistor 704 a in the lower layer depending on a necessary circuit configuration. Figure 11.
11A shows, as an example, a structure in which the source electrode or the drain electrode of the transistor 750 is electrically connected to the source electrode or the drain electrode of the transistor 704a.

第2の半導体材料を用いたトランジスタ750のソース電極またはドレイン電極の一方は
、トランジスタ750のゲート絶縁膜726、絶縁膜727、絶縁膜728、絶縁膜72
9を貫通するコンタクトプラグ730bを介して、トランジスタ750よりも上方に形成
された配線734aと接続する。ゲート絶縁膜726、絶縁膜727は、実施の形態1乃
至実施の形態7で示した構造、材料を適宜用いることができる。
One of a source electrode and a drain electrode of a transistor 750 using a second semiconductor material is a gate insulating film 726, an insulating film 727, an insulating film 728, and an insulating film 72 of the transistor 750.
It is connected to a wiring 734 a formed higher than the transistor 750 through the contact plug 730 b penetrating through 9. The structures and materials described in Embodiment Modes 1 to 7 can be used as appropriate for the gate insulating film 726 and the insulating film 727.

配線734aは、絶縁膜731中に埋め込まれている。配線734aは、例えば銅、アル
ミニウム等の低抵抗な導電性材料を用いることが好ましい。低抵抗な導電性材料を用いる
ことで、配線734aを伝播する信号のRC遅延を低減することができる。配線734a
に銅を用いる場合には、銅のチャネル領域への拡散を防止するため、バリア膜733を形
成する。バリア膜として、例えば窒化タンタル、窒化タンタルとタンタルとの積層、窒化
チタン、窒化チタンとチタンとの積層等による膜を用いることができるが、配線材料の拡
散防止機能、及び配線材料や下地膜等との密着性が確保される程度においてこれらの材料
からなる膜に限られない。バリア膜733は配線734aとは別個の層として形成しても
よく、バリア膜となる材料を配線材料中に含有させ、加熱処理によって絶縁膜731に設
けられた開口の内壁に析出させて形成しても良い。
The wiring 734 a is embedded in the insulating film 731. The wiring 734a is preferably made of a low-resistance conductive material such as copper or aluminum. By using a low resistance conductive material, RC delay of a signal propagating through the wiring 734a can be reduced. Wiring 734a
In the case of using copper, the barrier film 733 is formed to prevent the diffusion of copper into the channel region. As the barrier film, for example, a film of tantalum nitride, a laminate of tantalum nitride and tantalum, titanium nitride, a laminate of titanium nitride and titanium, etc. can be used, but the diffusion preventing function of the wiring material, the wiring material, the base film, etc. It is not limited to the film made of these materials to the extent that the adhesion with them is secured. The barrier film 733 may be formed as a layer separate from the wiring 734a, and a material serving as a barrier film is contained in the wiring material and deposited on the inner wall of the opening provided in the insulating film 731 by heat treatment. It is good.

絶縁膜731には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、BPSG(B
oron Phosphorus Silicate Glass)、PSG(Phos
phorus Silicate Glass)、炭素を添加した酸化シリコン(SiO
C)、フッ素を添加した酸化シリコン(SiOF)、Si(OCを原料とした
酸化シリコンであるTEOS(Tetraethyl orthosilicate)、
HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)、MSQ(Methyl
Silsesquioxane)、OSG(Organo Silicate Glas
s)、有機ポリマー系の材料等の絶縁体を用いることができる。特に半導体装置の微細化
を進める場合には、配線間の寄生容量が顕著になり信号遅延が増大するため酸化シリコン
の比誘電率(k=4.0〜4.5)では高く、kが3.0以下の材料を用いることが好ま
しい。また該絶縁膜に配線を埋め込んだ後にCMP処理を行うため、絶縁膜には機械的強
度が要求される。この機械的強度が確保できる限りにおいて、これらを多孔質(ポーラス
)化させて低誘電率化することができる。絶縁膜731は、スパッタリング法、CVD法
、スピンコート法(Spin On Glass:SOGともいう)を含む塗布法等によ
り形成する。
As the insulating film 731, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, BPSG (B
oron Phosphorus Silicate Glass, PSG (Phos
phorus Silicate Glass, silicon oxide doped with carbon (SiO 2)
C) Silicon oxide (SiOF) to which fluorine is added, TEOS (Tetraethyl orthosilicate) which is silicon oxide starting from Si (OC 2 H 5 ) 4 ,
HSQ (Hydrogen Silsesquioxane), MSQ (Methyl)
Silsesquioxane), OSG (Organo Silicate Glas)
s), insulators such as organic polymer materials can be used. In particular, when the miniaturization of the semiconductor device is promoted, the parasitic capacitance between the interconnections becomes remarkable and the signal delay increases, so that the dielectric constant of silicon oxide (k = 4.0 to 4.5) is high, k is 3 It is preferable to use a material of .0 or less. In addition, since the CMP process is performed after the wiring is embedded in the insulating film, the insulating film is required to have mechanical strength. As long as this mechanical strength can be secured, they can be made porous (porous) to lower the dielectric constant. The insulating film 731 is formed by a sputtering method, a CVD method, a coating method including a spin coating method (also referred to as spin on glass (SOG)), or the like.

絶縁膜731上には、絶縁膜732を設けてもよい。絶縁膜732は、配線材料を絶縁膜
731中に埋め込んだ後、CMP等による平坦化処理を行う際のエッチングストッパとし
て機能する。
An insulating film 732 may be provided over the insulating film 731. The insulating film 732 functions as an etching stopper at the time of performing planarization processing by CMP or the like after the wiring material is embedded in the insulating film 731.

配線734a上には、バリア膜735が設けられており、バリア膜735上に保護膜74
0が設けられている。バリア膜735は銅等の配線材料の拡散を防止することを目的とし
た膜である。バリア膜735は、配線734aの上面のみに限らず、絶縁膜731、73
2上に形成してもよい。バリア膜735は、窒化シリコンやSiC、SiBON等の絶縁
性材料で形成することができる。
A barrier film 735 is provided over the wiring 734 a, and a protective film 74 is formed over the barrier film 735.
0 is provided. The barrier film 735 is a film intended to prevent the diffusion of a wiring material such as copper. The barrier film 735 is not limited to only the upper surface of the wiring 734 a, and the insulating films 731 and 73.
You may form on two. The barrier film 735 can be formed of an insulating material such as silicon nitride, SiC, or SiBON.

配線734aはコンタクトプラグ730aを介して、バリア膜724よりも下層に設けら
れた配線723と接続する。コンタクトプラグ730aは、コンタクトプラグ730bと
異なり、バリア膜724、絶縁膜725a、絶縁膜725b、ゲート絶縁膜726、絶縁
膜727、絶縁膜728、絶縁膜729を貫通して配線723と電気的に接続している。
従って、コンタクトプラグ730aは、コンタクトプラグ730bに比べ高さが高い。コ
ンタクトプラグ730aとコンタクトプラグ730bとで径を等しくした場合には、コン
タクトプラグ730aの方がアスペクト比は大きくなるが、コンタクトプラグ730aと
コンタクトプラグ730bとで異なった径とすることもできる。なお、コンタクトプラグ
730aは一の材料で形成した一続きのものとして記しているが、例えばバリア膜724
、絶縁膜725a、及び絶縁膜725bを貫通するコンタクトプラグと、ゲート絶縁膜7
26、絶縁膜727、絶縁膜728、及び729を貫通するコンタクトプラグとに分離し
て別々に形成してもよい。
The wiring 734 a is connected to the wiring 723 provided below the barrier film 724 through the contact plug 730 a. Unlike the contact plug 730b, the contact plug 730a penetrates the barrier film 724, the insulating film 725a, the insulating film 725b, the gate insulating film 726, the insulating film 727, the insulating film 728, and the insulating film 729 to be electrically connected to the wiring 723. doing.
Therefore, the contact plug 730a is taller than the contact plug 730b. When the diameters of the contact plug 730a and the contact plug 730b are equal, the aspect ratio of the contact plug 730a is larger, but the diameters of the contact plug 730a and the contact plug 730b can be different. Although the contact plug 730 a is described as a series formed of one material, for example, the barrier film 724
, A contact plug penetrating the insulating film 725a and the insulating film 725b, and a gate insulating film 7
A contact plug penetrating through the insulating film 727, the insulating film 728 and the insulating film 729 may be separately formed separately.

配線723は、配線734a、734bと同様にバリア膜722、724により被覆され
、絶縁膜720中に埋め込まれて設けられている。図11に示すように、配線723は上
部の配線部分と、下部のビアホール部分から構成される。下部のビアホール部分は下層の
配線718と接続する。該構造の配線723はいわゆるデュアルダマシン法等により形成
することができる。また、上下層の配線間の接続はデュアルダマシン法によらず、コンタ
クトプラグを用いて接続してもよい。絶縁膜720上には、CMP等による平坦化処理を
行う際のエッチングストッパとして機能する絶縁膜721を設けてもよい。
The wiring 723 is covered with the barrier films 722 and 724 in the same manner as the wirings 734 a and 734 b, and is embedded in the insulating film 720. As shown in FIG. 11, the wiring 723 is composed of an upper wiring portion and a lower via hole portion. The lower via hole portion is connected to the lower wiring 718. The wiring 723 having this structure can be formed by a so-called dual damascene method or the like. Further, the connection between the upper and lower layers may be connected using a contact plug instead of the dual damascene method. Over the insulating film 720, an insulating film 721 may be provided which functions as an etching stopper at the time of performing planarization treatment by CMP or the like.

配線723が電気的に接続する配線718についても、既述したトランジスタ750の上
層の配線層と同様の構成により形成することができる。シリコン等の第1の半導体材料を
チャネル領域に用いたトランジスタ704aは、絶縁膜711、絶縁膜712、絶縁膜7
13を貫通するコンタクトプラグ714aを介して配線718と接続する。シリコン等の
第1の半導体材料をチャネル領域に用いたトランジスタ704cのゲート電極は、絶縁膜
711、絶縁膜712、絶縁膜713を貫通するコンタクトプラグ714bを介して配線
718と接続する。配線718は、既述した配線734a、734bと同様にバリア膜7
17、719により被覆され、絶縁膜715中に埋め込まれて設けられている。絶縁膜7
15上には、CMP等による平坦化処理を行う際のエッチングストッパとして機能する絶
縁膜716を設けてもよい。
The wiring 718 to which the wiring 723 is electrically connected can also be formed with the same structure as the wiring layer in the upper layer of the transistor 750 described above. The transistor 704 a using a first semiconductor material such as silicon for the channel region includes the insulating film 711, the insulating film 712, and the insulating film 7.
It is connected to the wiring 718 through the contact plug 714a passing through 13. The gate electrode of the transistor 704 c using a first semiconductor material such as silicon for the channel region is connected to the wiring 718 through the insulating film 711, the insulating film 712, and the contact plug 714 b penetrating the insulating film 713. The wire 718 is a barrier film 7 in the same manner as the wires 734 a and 734 b described above.
17 and 719, and embedded in the insulating film 715. Insulating film 7
An insulating film 716 which functions as an etching stopper at the time of performing a planarization process by CMP or the like may be provided on the surface 15.

以上のように、半導体装置の下部に設けられた第1の半導体材料を用いたトランジスタ7
04aは、複数のコンタクトプラグ及び複数の配線を介して、上部に設けられた第2の半
導体材料を用いたトランジスタ750と電気的に接続する。半導体装置を以上のような構
成とすることで、高速動作性能を有する第1の半導体材料を用いたトランジスタと、オフ
電流が極めて小さい第2の半導体材料を用いたトランジスタとを組み合わせ、低消費電力
化が可能な高速動作の論理回路を有する半導体装置、一例としては記憶装置、中央演算処
理装置(CPU)等を作製することができる。
As described above, the transistor 7 using the first semiconductor material provided below the semiconductor device
The transistor 04 a is electrically connected to the transistor 750 using the second semiconductor material provided in the upper portion through the plurality of contact plugs and the plurality of wirings. By configuring the semiconductor device as described above, the transistor using the first semiconductor material having high-speed operation performance is combined with the transistor using the second semiconductor material having extremely low off-state current to achieve low power consumption. A semiconductor device having a high-speed logic circuit which can be integrated, for example, a memory device, a central processing unit (CPU), or the like can be manufactured.

このような半導体装置は、既述の構成に限らず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、
任意に変更が可能である。例えば、説明においては第1の半導体材料を用いたトランジス
タと、第2の半導体材料を用いたトランジスタの間の配線層は2層として説明したが、こ
れを1層あるいは3層以上とすることもでき、また配線を用いることなく、コンタクトプ
ラグのみによって両トランジスタを直接接続することもできる。この場合、例えばシリコ
ン貫通電極(Through Silicon Via:TSV)技術を用いることもで
きる。また、配線は銅等の材料を絶縁膜中に埋め込むことで形成する場合について説明し
たが、例えばバリア膜、配線材料層、及びバリア膜の三層構造としてフォトリソグラフィ
工程により配線パターンに加工したものを用いてもよい。
Such a semiconductor device is not limited to the above-described configuration, and within the scope of the present invention,
It can be changed arbitrarily. For example, although the wiring layer between the transistor using the first semiconductor material and the transistor using the second semiconductor material is described as two layers in the description, it may be one layer or three or more layers. Alternatively, both transistors can be directly connected only by the contact plug without using a wire. In this case, for example, through silicon via (TSV) technology can also be used. In addition, although the case where the wiring is formed by embedding a material such as copper in the insulating film has been described, for example, a three-layer structure of a barrier film, a wiring material layer, and a barrier film is processed into a wiring pattern by photolithography. May be used.

特に、銅配線を第1の半導体材料を用いたトランジスタ704a、704bと第2の半導
体材料を用いたトランジスタ750との間の階層に形成する場合には、第2の半導体材料
を用いたトランジスタ750の製造工程において付加する熱処理の影響を十分考慮する必
要がある。換言すれば、第2の半導体材料を用いたトランジスタ750の製造工程におい
て付加する熱処理の温度を配線材料の性質に適合するように留意する必要がある。例えば
、トランジスタ750の構成部材に対して高温で熱処理を行った場合、銅配線では熱応力
が発生し、これに起因したストレスマイグレーションなどの不都合が生じるためである。
In particular, in the case where the copper wiring is formed in a hierarchy between the transistors 704 a and 704 b using the first semiconductor material and the transistor 750 using the second semiconductor material, the transistor 750 using the second semiconductor material is used. It is necessary to fully consider the effect of heat treatment added in the manufacturing process of In other words, it is necessary to be careful that the temperature of the heat treatment added in the manufacturing process of the transistor 750 using the second semiconductor material conforms to the property of the wiring material. For example, when heat treatment is performed on a component of the transistor 750 at high temperature, thermal stress is generated in the copper wiring, which causes disadvantages such as stress migration.

ここで、図11に示す半導体装置に含まれる論理回路の一形態について、図12を用いて
説明する。ここでは、論理回路の一形態として、NOR型回路及びNAND型回路を用い
て説明する。
Here, one mode of a logic circuit included in the semiconductor device illustrated in FIG. 11 is described with reference to FIG. Here, a NOR circuit and a NAND circuit are described as one embodiment of the logic circuit.

図12(A)はNOR型回路の回路図であり、図12(B)はNAND型回路の回路図で
ある。
FIG. 12A is a circuit diagram of a NOR circuit, and FIG. 12B is a circuit diagram of a NAND circuit.

図12(A)示すNOR型回路において、トランジスタ761及びトランジスタ762は
、pチャネル型トランジスタである。トランジスタ763及びトランジスタ764はnチ
ャネル型トランジスタであり、先の実施の形態のいずれかで説明したトランジスタを適用
できる。
In the NOR circuit shown in FIG. 12A, the transistor 761 and the transistor 762 are p-channel transistors. The transistor 763 and the transistor 764 are n-channel transistors, to which any of the transistors described in any of the above embodiments can be applied.

図12(B)に示すNAND型回路において、トランジスタ771及びトランジスタ77
4はpチャネル型トランジスタである。トランジスタ772及びトランジスタ773はn
チャネル型トランジスタであり、先の実施の形態のいずれかで説明したトランジスタを適
用できる。なお、図12(A)、(B)に記載したOSとは、トランジスタ763、トラ
ンジスタ764、トランジスタ772、及びトランジスタ773に、先の実施の形態のい
ずれかで説明したトランジスタを適用できることを示す。
In the NAND circuit illustrated in FIG. 12B, the transistor 771 and the transistor 77 can be used.
4 is a p-channel transistor. The transistor 772 and the transistor 773 have n
It is a channel transistor and the transistor described in any of the above embodiments can be applied. Note that the OS described in FIGS. 12A and 12B indicates that the transistor described in any of the above embodiments can be applied to the transistor 763, the transistor 764, the transistor 772, and the transistor 773.

なお、図12(A)、(B)に示すNOR型回路及びNAND型回路において、トランジ
スタ763、トランジスタ764、トランジスタ772、及びトランジスタ773には、
図11に示したような、酸化物半導体膜を介して複数のゲート電極を有するトランジスタ
750も適用できる。このような構造とすることで、複数のゲート電極に異なる電位を印
加することで、トランジスタのしきい値電圧を制御し、好ましくは、しきい値電圧をプラ
スシフトさせることができる。または、複数のゲート電極に同電位を印加することで、ト
ランジスタのオン電流を増加させることができる。
Note that in the NOR circuit and the NAND circuit illustrated in FIGS. 12A and 12B, the transistor 763, the transistor 764, the transistor 772, and the transistor 773 are not
The transistor 750 including a plurality of gate electrodes through an oxide semiconductor film as illustrated in FIG. 11 can also be applied. With such a structure, by applying different potentials to the plurality of gate electrodes, the threshold voltage of the transistor can be controlled, and preferably, the threshold voltage can be positively shifted. Alternatively, by applying the same potential to the plurality of gate electrodes, the on-state current of the transistor can be increased.

ここで、図12(A)に示すNAND型回路の断面構造を図11を用いて説明する。図1
2(A)に示すトランジスタ761及びトランジスタ762は図11に示すトランジスタ
704a及びトランジスタ704bに相当する。また、図12(A)に示すトランジスタ
763が図11に示すトランジスタ750に相当する。なお、図12(A)に示すトラン
ジスタ762及びトランジスタ763のゲート電極の接続部、並びにトランジスタ764
は省略している。
Here, the cross-sectional structure of the NAND circuit illustrated in FIG. 12A will be described with reference to FIG. Figure 1
A transistor 761 and a transistor 762 which are shown in FIG. 2A correspond to the transistor 704 a and the transistor 704 b which are shown in FIG. Further, the transistor 763 illustrated in FIG. 12A corresponds to the transistor 750 illustrated in FIG. Note that the connection portion of the gate electrodes of the transistor 762 and the transistor 763 illustrated in FIG.
Is omitted.

本実施の形態に示すトランジスタ750、トランジスタ763、トランジスタ764、ト
ランジスタ772、及びトランジスタ773に設けられるゲート絶縁膜として、膜密度が
高く、欠陥の少ない絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧の変動が少なく
、電気特性のばらつきの少ない、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することが
できる。また、経時変化や光ゲートBTストレス試験による電気特性の変動の少ない、信
頼性の高い半導体装置を作製することができる。
When an insulating film with high film density and few defects is used as a gate insulating film provided in the transistor 750, the transistor 763, the transistor 764, the transistor 772, and the transistor 773 described in this embodiment, the threshold voltage of the transistor Thus, a transistor with excellent electrical characteristics can be manufactured, with less variation in electrical characteristics and less variation in electrical characteristics. In addition, a highly reliable semiconductor device with less change in electrical characteristics due to change with time or light gate BT stress test can be manufactured.

なお、本実施の形態に示す構成及び方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成及
び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 and examples.

(実施の形態9)
先の実施の形態で示した半導体装置の一例としては、中央演算処理装置、マイクロプロセ
ッサ、マイクロコンピュータ、記憶装置、イメージセンサ、電気光学装置、発光表示装置
等がある。また、該半導体装置をさまざまな電子機器に適用することができる。電子機器
としては、例えば、表示装置、照明装置、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、
画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ
、ステレオ、時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、スマー
トフォン、電子書籍、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電
子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、高周波
加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコ
ンディショナー、加湿器、除湿器、空調設備、食器洗浄器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布
団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、懐中電灯、
工具、煙感知器、医療機器、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレー
タ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電気自動車、ハイブリッド車、プラグインハイ
ブリッド車、装軌車両、原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、船
舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇
宙船等がある。本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を、携帯電話、ス
マートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図13乃至図16を用いて
説明する。
(Embodiment 9)
Examples of the semiconductor device described in the above embodiment include a central processing unit, a microprocessor, a microcomputer, a memory device, an image sensor, an electro-optical device, a light-emitting display device, and the like. In addition, the semiconductor device can be applied to various electronic devices. As an electronic device, for example, a display device, a lighting device, a personal computer, a word processor,
Image playback device, portable CD player, radio, tape recorder, headphone stereo, stereo, clock, cordless handset, transceiver, portable radio, mobile phone, smartphone, electronic book, car phone, portable game machine, calculator, portable Information terminal, electronic notebook, electronic translator, voice input device, video camera, digital still camera, electric shaver, high frequency heating device, electric rice cooker, electric washing machine, electric vacuum cleaner, water heater, fan, hair dryer, air dryer Conditioner, Humidifier, Dehumidifier, Air Conditioner, Dishwasher, Dishware Dryer, Clothes Dryer, Duvet Dryer, Electric Refrigerator, Electric Freezer, Electric Refrigerator, Electric Freezer, DNA Storage Freezer, Flashlight,
Tools, smoke detectors, medical devices, guide lights, traffic lights, belt conveyors, elevators, escalators, industrial robots, power storage systems, electric vehicles, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, tracked vehicles, motorized bicycles, motorcycles , Electric wheelchairs, golf carts, ships, submarines, helicopters, aircraft, rockets, satellites, space probes, planet probes, spacecrafts, etc. In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, or an e-book reader will be described with reference to FIGS.

携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶
などにSRAMまたはDRAMが使用されている。SRAMまたはDRAMが使用される
理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。
一方で、SRAMまたはDRAMを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴があ
る。
In portable devices such as mobile phones, smart phones, and electronic books, SRAMs or DRAMs are used for temporary storage of image data. The reason why the SRAM or DRAM is used is that the response is slow in the flash memory and unsuitable for the image processing.
On the other hand, when SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data, there are the following features.

通常のSRAMは、図13(A)に示すように1つのメモリセルがトランジスタ801〜
806の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー807、Yデコーダ
ー808にて駆動している。トランジスタ803とトランジスタ805、トランジスタ8
04とトランジスタ806はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。しかし1
つのメモリセルが6トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点が
ある。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSRAMのメモリセル面積は通常10
0〜150Fである。このためSRAMはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も
高い。
In a typical SRAM, as shown in FIG.
It is composed of six transistors of 806 and is driven by an X decoder 807 and a Y decoder 808. Transistor 803, Transistor 805, Transistor 8
The transistor 04 and the transistor 806 constitute an inverter to enable high speed driving. But 1
Since one memory cell is composed of six transistors, there is a disadvantage that the cell area is large. The memory cell area of SRAM is usually 10 when the minimum size of design rule is F.
It is a 0~150F 2. Therefore, the unit price per bit of SRAM is the highest among various memories.

それに対して、DRAMはメモリセルが図13(B)に示すようにトランジスタ811、
保持容量812によって構成され、それをXデコーダー813、Yデコーダー814にて
駆動している。1つのセルが1トランジスタ1容量の構成になっており、面積が小さい。
DRAMのメモリセル面積は通常10F以下である。ただし、DRAMは常にリフレッ
シュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費する。
On the other hand, in the DRAM, the memory cell is the transistor 811 as shown in FIG.
A storage capacitor 812 is constituted and driven by an X decoder 813 and a Y decoder 814. One cell consists of one transistor and one capacitor, and the area is small.
The memory cell area of DRAM is usually 10 F 2 or less. However, DRAM always needs to be refreshed, and consumes power even when rewriting is not performed.

しかしながら、トランジスタ811に先の実施の形態で説明した、オフ電流の低いトラン
ジスタを用いることで、保持容量812の電荷を長時間保持することが可能であり頻繁な
リフレッシュは不要である。したがって、消費電力を低減することができる。
However, by using the transistor with low off-state current described in the above embodiment for the transistor 811, the charge of the storage capacitor 812 can be held for a long time, and frequent refresh is not necessary. Therefore, power consumption can be reduced.

図14に携帯機器のブロック図を示す。図14に示す携帯機器はRF回路901、アナロ
グベースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源
回路905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレ
イコントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、
音声回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示
部914、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプ
リケーションプロセッサ906は、中央演算処理装置(CPU907)、DSP908、
インターフェイス(IF)909を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまた
はDRAMで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用す
ることによって、情報の書き込み及び読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且
つ消費電力が十分に低減することができる。また、CPU907に含まれる、データや命
令を記憶するための主記憶装置、及び高速でデータの書き込みと読み出しができるレジス
タ、キャッシュなどの緩衝記憶装置に、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用する
ことにより、CPUの消費電力が十分に低減することができる。
FIG. 14 shows a block diagram of the portable device. The portable device illustrated in FIG. 14 includes an RF circuit 901, an analog baseband circuit 902, a digital baseband circuit 903, a battery 904, a power circuit 905, an application processor 906, a flash memory 910, a display controller 911, a memory circuit 912, a display 913, and a touch. Sensor 919,
An audio circuit 917, a keyboard 918 and the like are included. The display 913 includes a display unit 914, a source driver 915, and a gate driver 916. The application processor 906 is a central processing unit (CPU 907), a DSP 908,
It has an interface (IF) 909. In general, the memory circuit 912 is formed of an SRAM or a DRAM, and by adopting the semiconductor device described in the above embodiment for this portion, high-speed writing and reading of information and long-term storage can be realized. Power consumption can be sufficiently reduced. In addition, the main storage device for storing data and instructions included in the CPU 907, and a buffer storage device such as a register and cache which can write and read data at high speed, the semiconductor device described in the above embodiments. By adopting this feature, the power consumption of the CPU can be sufficiently reduced.

図15に、ディスプレイのメモリ回路950に先の実施の形態で説明した半導体装置を使
用した例を示す。図15に示すメモリ回路950は、メモリ952、メモリ953、スイ
ッチ954、スイッチ955及びメモリコントローラ951により構成されている。また
、メモリ回路は、信号線から入力された画像データ(入力画像データ)、メモリ952、
及びメモリ953に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出し、及び制御を行うデ
ィスプレイコントローラ956と、ディスプレイコントローラ956からの信号により表
示するディスプレイ957が接続されている。
FIG. 15 shows an example in which the semiconductor device described in the above embodiment is used for the memory circuit 950 of the display. The memory circuit 950 illustrated in FIG. 15 includes a memory 952, a memory 953, a switch 954, a switch 955, and a memory controller 951. The memory circuit also includes image data (input image data) input from the signal line, the memory 952,
A display controller 956 for reading out and controlling data stored in the memory 953 (stored image data) and a display 957 for displaying by a signal from the display controller 956 are connected.

まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ(図示しない)によって、形成され
る(入力画像データA)。入力画像データAは、スイッチ954を介してメモリ952に
記憶される。そしてメモリ952に記憶された画像データ(記憶画像データA)は、スイ
ッチ955、及びディスプレイコントローラ956を介してディスプレイ957に送られ
、表示される。
First, certain image data is formed by an application processor (not shown) (input image data A). Input image data A is stored in memory 952 via switch 954. The image data (stored image data A) stored in the memory 952 is sent to the display 957 via the switch 955 and the display controller 956 and displayed.

入力画像データAに変更が無い場合、記憶画像データAは、通常30〜60Hz程度の周
期でメモリ952からスイッチ955を介して、ディスプレイコントローラ956から読
み出される。
When there is no change in the input image data A, the stored image data A is read from the memory 952 from the display controller 956 via the switch 955 in a cycle of about 30 to 60 Hz.

次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき(すなわち、入力画像データA
に変更が有る場合)、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ(入力画像データ
B)を形成する。入力画像データBはスイッチ954を介してメモリ953に記憶される
。この間も定期的にメモリ952からスイッチ955を介して記憶画像データAは読み出
されている。メモリ953に新たな画像データ(記憶画像データB)が記憶し終わると、
ディスプレイ957の次のフレームより、記憶画像データBは読み出され、スイッチ95
5、及びディスプレイコントローラ956を介して、ディスプレイ957に記憶画像デー
タBが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモ
リ952に記憶されるまで継続される。
Next, for example, when the user performs an operation to rewrite the screen (ie, input image data A
(If there is a change), the application processor forms new image data (input image data B). The input image data B is stored in the memory 953 via the switch 954. Also during this time, stored image data A is read from the memory 952 via the switch 955 periodically. When new image data (stored image data B) is stored in the memory 953,
The stored image data B is read from the next frame of the display 957 and the switch 95
The stored image data B is sent to the display 957 via the display controller 956 and the display controller 956 to perform display. This read is further continued until new image data is stored in the memory 952.

このようにメモリ952及びメモリ953は交互に画像データの書き込みと、画像データ
の読み出しを行うことによって、ディスプレイ957の表示をおこなう。なお、メモリ9
52及びメモリ953はそれぞれ別のメモリには限定されず、1つのメモリを分割して使
用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ952及びメモリ953に
採用することによって、情報の書き込み及び読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能
で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
As described above, the memory 952 and the memory 953 alternately perform writing of image data and reading of image data to perform display on the display 957. Memory 9
The memory 52 and the memory 953 are not limited to separate memories, and one memory may be divided and used. By employing the semiconductor device described in the above embodiment for the memory 952 and the memory 953, writing and reading of information can be performed at high speed, storage can be held for a long time, and power consumption can be sufficiently reduced. it can.

図16に電子書籍のブロック図を示す。図16はバッテリー1001、電源回路1002
、マイクロプロセッサ1003、フラッシュメモリ1004、音声回路1005、キーボ
ード1006、メモリ回路1007、タッチパネル1008、ディスプレイ1009、デ
ィスプレイコントローラ1010によって構成される。
FIG. 16 shows a block diagram of the electronic book. FIG. 16 shows a battery 1001 and a power supply circuit 1002.
, A microprocessor 1003, a flash memory 1004, an audio circuit 1005, a keyboard 1006, a memory circuit 1007, a touch panel 1008, a display 1009, and a display controller 1010.

ここでは、図16のメモリ回路1007に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用す
ることができる。メモリ回路1007の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ
。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが
電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキ
ング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太
くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが
指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合には
フラッシュメモリ1004にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の
形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込み及び読み出しが高速
で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
Here, the semiconductor device described in the above embodiment can be used for the memory circuit 1007 in FIG. The memory circuit 1007 has a function of temporarily retaining the contents of a book. An example of the function is when the user uses the highlight function. When the user is reading an e-book, he may want to mark a specific place. This marking function is called highlight function, and it is to show the difference from the surroundings by changing the color of the display, drawing an underline, thickening the character, changing the font of the character, etc. It is a function to store and hold information of the part specified by the user. If this information is to be stored for a long time, it may be copied to the flash memory 1004. Even in such a case, by employing the semiconductor device described in the above embodiment, high-speed writing and reading of information, long-term storage retention can be achieved, and power consumption can be sufficiently reduced. Can.

以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭
載されている。このため、情報の書き込み及び読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可
能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。
As described above, the semiconductor device according to any of the above embodiments is mounted on the mobile device described in this embodiment. Therefore, a portable device can be realized which can write and read information at high speed, can hold data for a long time, and can reduce power consumption.

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.

本実施例では、CVD法により酸化窒化シリコン膜を形成する際に生じる欠陥及び酸化窒
化シリコン膜の膜密度について説明する。
In this embodiment, defects generated when forming a silicon oxynitride film by a CVD method and the film density of the silicon oxynitride film will be described.

はじめに、酸化窒化シリコン膜を形成する際に生じる欠陥について説明する。具体的には
、石英基板上に酸化窒化シリコン膜を形成した試料のESR測定結果を用いて説明する。
First, defects generated when a silicon oxynitride film is formed will be described. Specifically, description will be made using ESR measurement results of a sample in which a silicon oxynitride film is formed over a quartz substrate.

まず、作製した試料について説明する。作製した試料は、石英基板上に厚さ200nmの
酸化窒化シリコン膜を形成した構造の試料である。
First, the prepared sample will be described. The manufactured sample is a sample having a structure in which a silicon oxynitride film having a thickness of 200 nm is formed on a quartz substrate.

石英基板をプラズマCVD装置の処理室内に設置し、処理室内に流量100sccmのシ
ラン及び流量3000sccmの一酸化二窒素を原料ガスとして供給し、処理室内の圧力
を40Paに制御し、27.12MHzの高周波電源で電力を供給して酸化窒化シリコン
膜を形成した。なお、基板温度は350℃とした。また、該プラズマCVD装置は600
0cmである平行平板型のプラズマCVD装置である。供給する電力(電力密度)は3
00W(0.05W/cm)、1000W(0.17W/cm)、1500W(0.
26W/cm)の3条件とし、それぞれを比較試料1、試料1、試料2とする。
A quartz substrate is placed in the processing chamber of a plasma CVD apparatus, silane with a flow rate of 100 sccm and dinitrogen monoxide at a flow rate of 3000 sccm are supplied as source gases into the processing chamber, the pressure in the processing chamber is controlled to 40 Pa, and a 27.12 MHz high frequency Power was supplied from a power supply to form a silicon oxynitride film. The substrate temperature was 350.degree. In addition, the plasma CVD apparatus has 600
It is a parallel plate type plasma CVD apparatus of 0 cm 2 . Power supply (power density) is 3
00 W (0.05 W / cm 2 ), 1000 W (0.17 W / cm 2 ), 1500 W (0.
Three conditions of 26 W / cm 2 ) are used, and these are set as comparative sample 1, sample 1 and sample 2, respectively.

そして、試料1及び試料2、並びに比較試料1についてESR測定を行った。ESR測定
は下記の条件で行った。測定温度は室温(25℃)とし、9.2GHzの高周波電力(マ
イクロ波パワー)は20mWとし、磁場の向きは作製した試料1、試料2及び比較試料1
の酸化窒化シリコン膜の表面と平行とし、酸化窒化シリコン膜に含まれるシリコンのダン
グリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度の検出下限は1.0
×1015spins/cmであった。
Then, ESR measurement was performed on Sample 1 and Sample 2 and Comparative Sample 1. The ESR measurement was performed under the following conditions. The measurement temperature is room temperature (25 ° C.), the high frequency power (microwave power) of 9.2 GHz is 20 mW, and the direction of the magnetic field is Sample 1, Sample 2 and Comparative Sample 1 prepared.
The lower limit of detection of the spin density of the signal appearing at g = 2.001, which is derived from the dangling bond of silicon contained in the silicon oxynitride film, is parallel to the surface of the silicon oxynitride film of
It was × 10 15 spins / cm 2.

ESR測定の結果を図17に示す。図17(A)は、試料1及び試料2、並びに比較試料
1における酸化窒化シリコン膜の1次微分曲線を示す。図17(A)から、g値が2.0
01において、比較試料1より試料1及び試料2の方が、信号強度が小さいことが分かる
The results of ESR measurement are shown in FIG. FIG. 17A shows the first derivative curves of the silicon oxynitride film in Sample 1 and Sample 2 and Comparative Sample 1. From FIG. 17A, the g value is 2.0
At 01, it can be seen that the signal intensity of sample 1 and sample 2 is smaller than that of comparative sample 1.

図17(B)は、酸化窒化シリコン膜を形成する際に供給する電力と、酸化窒化シリコン
膜のg=2.001に現れる信号のスピン密度との関係を表した図である。スピン密度が
小さいほど酸化窒化シリコン膜に含まれるシリコンのダングリングボンドである欠損は少
ないといえる。供給する電力が1000Wの場合、試料1におけるg=2.001に現れ
る信号のスピン密度は1.3×1015spins/cmであった。また、供給する電
力が1500Wの場合、試料2におけるg=2.001に現れる信号のスピン密度は検出
下限以下であった。比較試料1におけるg=2.001に現れる信号のスピン密度は1.
7×1016spins/cmであった。
FIG. 17B is a graph showing the relationship between the power supplied when forming a silicon oxynitride film and the spin density of the signal appearing at g = 2.001 of the silicon oxynitride film. It can be said that the smaller the spin density, the smaller the number of defects that are dangling bonds of silicon contained in the silicon oxynitride film. When the power supplied was 1000 W, the spin density of the signal appearing at g = 2.001 in sample 1 was 1.3 × 10 15 spins / cm 3 . In addition, when the power supplied was 1500 W, the spin density of the signal appearing at g = 2.001 in sample 2 was below the lower limit of detection. The spin density of the signal appearing at g = 2.001 in comparative sample 1 is 1.
It was 7 × 10 16 spins / cm 3 .

図17より、酸化窒化シリコン膜を形成する際に供給する電力を増大するとスピン密度が
低減する傾向にあると確認できた。
From FIG. 17, it can be confirmed that the spin density tends to decrease as the power supplied when forming the silicon oxynitride film is increased.

次に、酸化窒化シリコン膜の膜密度について説明する。具体的には、上記試料1及び試料
2、並びに比較試料1のXRR(X線反射率法)測定結果を説明する。
Next, the film density of the silicon oxynitride film will be described. Specifically, XRR (X-ray reflectance method) measurement results of the sample 1 and the sample 2 and the comparative sample 1 will be described.

試料1及び試料2、並びに比較試料1の膜密度の測定結果を図18に示す。図18は酸化
窒化シリコン膜を形成する際に供給する電力と、酸化窒化シリコン膜の膜密度との関係を
表した図である。
The measurement results of the film density of the sample 1 and the sample 2 and the comparative sample 1 are shown in FIG. FIG. 18 is a view showing the relationship between the power supplied when forming a silicon oxynitride film and the film density of the silicon oxynitride film.

供給する電力が1000Wの場合、試料1における膜密度は2.33g/cmであった
。供給する電力が1500Wの場合、試料2における膜密度は2.31g/cmであっ
た。一方、供給する電力が300Wの場合、比較試料1における膜密度は2.29g/c
であった。
When the power supplied was 1000 W, the film density in sample 1 was 2.33 g / cm 3 . When the power supplied was 1500 W, the film density in sample 2 was 2.31 g / cm 3 . On the other hand, when the power supplied is 300 W, the film density in comparative sample 1 is 2.29 g / c
It was m 3.

図18より、酸化窒化シリコン膜を形成する際に供給する電力が1000W以上であると
膜密度が増加する傾向にあると確認できた。
From FIG. 18, it can be confirmed that the film density tends to increase when the power supplied when forming the silicon oxynitride film is 1000 W or more.

ここで、試料1の酸化窒化シリコン膜の水素濃度及び窒素濃度を表1に示す。 Here, the hydrogen concentration and the nitrogen concentration of the silicon oxynitride film of Sample 1 are shown in Table 1.

Figure 0006505769
Figure 0006505769

以上のことから、プラズマCVD装置の真空排気された処理室内に載置された基板を30
0℃以上400℃以下、さらに好ましくは320℃以上380℃以下に保持し、処理室に
原料ガスを導入して処理室内における圧力を30Pa以上250Pa以下、さらに好まし
くは40Pa以上200Pa以下とし、処理室内に設けられる電極に0.17W/cm
以上0.5W/cm以下、さらに好ましくは0.26W/cm以上0.35W/cm
以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を
形成することで、膜密度が高く、代表的には、膜密度が2.26g/cm以上2.63
g/cm以下であり、シリコンのダングリングボンドである欠陥が少ない、代表的には
ESRによって計測される信号において、g値が2.001に現れる信号のスピン密度が
2×1015spins/cm以下である酸化窒化シリコン膜を形成することができる
ことがわかる。また、酸化物半導体膜を有するトランジスタにおいて、当該酸化窒化シリ
コン膜を酸化物半導体膜に接する絶縁膜として設けることで、優れた電気特性を有するト
ランジスタを作製することができる。
From the above, it can be seen that the substrate placed in the evacuated processing chamber of the plasma CVD apparatus is
Maintain the temperature at 0 ° C. to 400 ° C., more preferably 320 ° C. to 380 ° C., introduce the source gas into the processing chamber, and set the pressure in the processing chamber to 30 Pa to 250 Pa, more preferably 40 Pa to 200 Pa, 0.17 W / cm 2 for the electrodes provided on
Above 0.5 W / cm 2 or less, more preferably 0.26 W / cm 2 or more 0.35 W / cm
The film density is high by forming a silicon oxide film or a silicon oxynitride film under conditions of supplying high-frequency power of 2 or less, and typically, the film density is 2.26 g / cm 3 or more and 2.63.
g / cm 3 or less, with few defects that are dangling bonds of silicon, typically in a signal measured by ESR, the spin density of the signal appearing at a g value of 2.001 is 2 × 10 15 spins / It can be seen that a silicon oxynitride film which is cm 3 or less can be formed. In addition, in the transistor including an oxide semiconductor film, the silicon oxynitride film is provided as an insulating film in contact with the oxide semiconductor film, whereby the transistor having excellent electrical characteristics can be manufactured.

本実施例は、本発明の一態様である半導体装置の光ゲートBT試験の結果について説明す
る。具体的には本発明の一態様であるトランジスタのしきい値電圧の変動量について説明
する。
This example describes the results of the optical gate BT test of the semiconductor device which is one embodiment of the present invention. Specifically, the variation of the threshold voltage of the transistor which is one embodiment of the present invention will be described.

はじめに、トランジスタの作製工程について説明する。本実施例では図2を参照して説明
する。
First, a manufacturing process of a transistor is described. This embodiment will be described with reference to FIG.

まず、基板11としてガラス基板を用い、基板11の加熱処理を行った。当該加熱処理は
、温度を480℃とし、窒素を含む雰囲気で1時間行った。次に、基板11上に下地絶縁
膜13を形成した。
First, heat treatment was performed on the substrate 11 using a glass substrate as the substrate 11. The heat treatment was performed at a temperature of 480 ° C. in an atmosphere containing nitrogen for one hour. Next, the base insulating film 13 was formed on the substrate 11.

下地絶縁膜13として厚さ100nmの窒化シリコン膜及び厚さ150nmの酸化窒化シ
リコン膜を積層形成した。
A 100 nm-thick silicon nitride film and a 150 nm-thick silicon oxynitride film were stacked as the base insulating film 13.

次に、下地絶縁膜13上にゲート電極15を形成した。 Next, the gate electrode 15 was formed on the base insulating film 13.

スパッタリング法で厚さ100nmのタングステン膜を形成し、フォトリソグラフィ工程
により該タングステン膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該タングステン膜の一部
をエッチングし、ゲート電極15を形成した。
A tungsten film with a thickness of 100 nm was formed by a sputtering method, a mask was formed on the tungsten film by a photolithography step, and part of the tungsten film was etched using the mask to form a gate electrode 15.

次に、ゲート電極15上に厚さ50nmの窒化シリコン膜及び厚さ200nmの酸化シリ
コン膜が積層されたゲート絶縁膜17を形成する。
Next, a gate insulating film 17 in which a 50 nm-thick silicon nitride film and a 200 nm-thick silicon oxide film are stacked is formed on the gate electrode 15.

窒化シリコン膜は、シラン50sccm、窒素5000sccmをプラズマCVD装置の
処理室に供給し、処理室内の圧力を60Paに制御し、27.12MHzの高周波電源を
用いて1500Wの電力を供給して形成した。酸化窒化シリコン膜は、シラン100sc
cm、一酸化二窒素3000sccmをプラズマCVD装置の処理室に供給し、処理室内
の圧力を40Paに制御し、27.12MHzの高周波電源を用いて1500Wの電力を
供給して形成した。また、該窒化シリコン膜及び該酸化窒化シリコン膜は、基板温度を3
50℃として形成した。なお、酸化窒化シリコン膜の成膜条件は、実施の形態1に示すト
ランジスタ10のゲート絶縁膜17の成膜条件を用いた。
The silicon nitride film was formed by supplying 50 sccm of silane and 5000 sccm of nitrogen to the processing chamber of the plasma CVD apparatus, controlling the pressure in the processing chamber to 60 Pa, and supplying 1500 W of power using a 27.12 MHz high frequency power supply. Silicon oxynitride film, silane 100sc
It was formed by supplying cm, 3000 sccm of dinitrogen monoxide to the processing chamber of the plasma CVD apparatus, controlling the pressure in the processing chamber to 40 Pa, and supplying power of 1500 W using a 27.12 MHz high frequency power supply. In addition, the silicon nitride film and the silicon oxynitride film have a substrate temperature of 3
It was formed as 50 ° C. Note that as the film formation condition of the silicon oxynitride film, the film formation condition of the gate insulating film 17 of the transistor 10 described in Embodiment 1 was used.

次に、ゲート絶縁膜17を介してゲート電極15に重なる酸化物半導体膜18を形成した
Next, an oxide semiconductor film 18 overlapping with the gate electrode 15 was formed with the gate insulating film 17 interposed therebetween.

酸化物半導体膜18としては、CAAC−OS膜である厚さ35nmのIGZO膜をスパ
ッタリング法で形成した。IGZO膜は、スパッタリングターゲットをIn:Ga:Zn
=1:1:1(原子数比)のターゲットとし、スパッタリングガスとして50sccmの
Arと50sccmの酸素をスパッタリング装置の処理室内に供給し、処理室内の圧力を
0.6Paに制御し、5kWの直流電力を供給して形成した。なお、IGZO膜を形成す
る際の基板温度は170℃とした。
As the oxide semiconductor film 18, a 35 nm-thick IGZO film which is a CAAC-OS film was formed by a sputtering method. The IGZO film has a sputtering target of In: Ga: Zn
A target of 1: 1: 1 (atomic number ratio), 50 sccm Ar and 50 sccm oxygen are supplied as a sputtering gas into the processing chamber of the sputtering apparatus, the pressure in the processing chamber is controlled to 0.6 Pa, and 5 kW DC It was formed by supplying power. The substrate temperature at the time of forming the IGZO film was 170 ° C.

ここまでの工程で得られた構成は図2(A)を参照できる。 The structure obtained through the steps up to here can be referred to FIG.

次に、フォトリソグラフィ工程により該IGZO膜上にマスクを形成し、該マスクを用い
て該IGZO膜の一部をエッチングした。その後、エッチングされたIGZO膜に加熱処
理を行い、酸化物半導体膜19を形成した。
Next, a mask was formed over the IGZO film by a photolithography step, and part of the IGZO film was etched using the mask. After that, the etched IGZO film was subjected to heat treatment to form an oxide semiconductor film 19.

次に、加熱処理を行った。ここでは、窒素雰囲気で行う第1の加熱処理と、第1の加熱処
理の後酸素雰囲気で行う第2の加熱処理を行った。第1の加熱処理及び第2の加熱処理の
温度は共に450℃とし、処理時間は共に1時間とした。
Next, heat treatment was performed. Here, the first heat treatment performed in a nitrogen atmosphere and the second heat treatment performed in an oxygen atmosphere after the first heat treatment were performed. The temperatures of the first heat treatment and the second heat treatment were both 450 ° C., and the treatment time was 1 hour.

ここまでの工程で得られた構成は図2(B)を参照できる。 The structure obtained through the steps up to here can be referred to FIG.

次に、酸化物半導体膜19に接する一対の電極21を形成した。 Next, a pair of electrodes 21 in contact with the oxide semiconductor film 19 was formed.

ゲート絶縁膜17及び酸化物半導体膜19上に導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工程
により該導電膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて該導電膜の一部をエッチングし、
一対の電極21を形成した。なお、該導電膜は、厚さ100nmのチタン膜上に厚さ40
0nmのアルミニウム膜を形成し、該アルミニウム膜上に厚さ100nmのチタン膜を形
成した。
A conductive film is formed over the gate insulating film 17 and the oxide semiconductor film 19, a mask is formed over the conductive film by a photolithography step, and a part of the conductive film is etched using the mask.
A pair of electrodes 21 was formed. The conductive film has a thickness of 40 nm on a 100 nm thick titanium film.
A 0 nm aluminum film was formed, and a 100 nm thick titanium film was formed on the aluminum film.

ここまでの工程で得られた構成は図2(C)を参照できる。 The structure obtained in the steps up to here can be referred to FIG.

次に、加熱処理を行った。当該加熱処理は、温度を300℃とし、窒素を含む雰囲気で1
時間行った。
Next, heat treatment was performed. The heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. in an atmosphere containing nitrogen.
I went for hours.

次に、ゲート絶縁膜17、酸化物半導体膜19、及び一対の電極21上に絶縁膜23を形
成した。
Next, the insulating film 23 was formed over the gate insulating film 17, the oxide semiconductor film 19, and the pair of electrodes 21.

ここまでの工程で得られた構成は図2(D)を参照できる。 The structure obtained through the steps up to here can be referred to FIG.

絶縁膜23を形成した後、ここまでの工程で得られた構成に加熱処理を行った。当該加熱
処理は、窒素雰囲気で行う第1の加熱処理と、第1の加熱処理の後、酸素雰囲気で行う第
2の加熱処理を行った。第1の加熱処理及び第2の加熱処理の温度は共に300℃とし、
処理時間は共に1時間とした。
After the insulating film 23 was formed, heat treatment was performed on the structure obtained in the steps up to here. The heat treatment was performed using a first heat treatment performed in a nitrogen atmosphere and a second heat treatment performed in an oxygen atmosphere after the first heat treatment. The temperature of the first heat treatment and the temperature of the second heat treatment are both 300 ° C.,
The processing time was 1 hour for both.

次に、絶縁膜23上に厚さ1.5μmのアクリル層を形成した。次に、アクリル層の一部
をエッチングして、一対の電極を露出させた後、一対の電極に接続する画素電極を形成し
た。ここでは、画素電極として、スパッタリング法により、厚さ100nmのITOを形
成した。
Next, an acrylic layer having a thickness of 1.5 μm was formed on the insulating film 23. Next, part of the acrylic layer was etched to expose the pair of electrodes, and then a pixel electrode connected to the pair of electrodes was formed. Here, ITO with a thickness of 100 nm was formed as a pixel electrode by a sputtering method.

以上の工程により、本発明の一態様であるトランジスタを作製した。なお、以上の工程に
より作製したトランジスタを試料Xとする。
Through the above steps, a transistor which is an embodiment of the present invention is manufactured. Note that a transistor manufactured by the above steps is referred to as a sample X.

ここで、比較例となるトランジスタの作製工程について説明する。比較例となるトランジ
スタ(以下、試料Yとする。)は、上記試料Xのゲート絶縁膜17を下記のようにして形
成したトランジスタであり、他の工程は全て同じである。試料Yのゲート絶縁膜17は、
試料Xと同様に窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜の積層構造であり、酸化窒化シリ
コン膜を以下の条件で形成した。なお、窒化シリコン膜の成膜条件は試料Xと同様である
Here, a manufacturing process of a transistor to be a comparative example is described. A transistor serving as a comparative example (hereinafter, referred to as sample Y) is a transistor in which the gate insulating film 17 of the sample X is formed as follows, and all other steps are the same. The gate insulating film 17 of the sample Y is
Similar to the sample X, a stacked structure of a silicon nitride film and a silicon oxynitride film was formed, and a silicon oxynitride film was formed under the following conditions. The film formation conditions of the silicon nitride film are the same as those of the sample X.

試料Yの酸化窒化シリコン膜は、シラン100sccm、窒素3000sccmをプラズ
マCVD装置の処理室に供給し、処理室内の圧力を40Paに制御し、27.12MHz
の高周波電源を用いて300Wの電力を供給して形成した。また、該窒化シリコン膜及び
該酸化窒化シリコン膜は、基板温度を350℃として形成した。なお、酸化窒化シリコン
膜の成膜条件は、実施の形態1に示すトランジスタ10のゲート絶縁膜17とは異なる成
膜条件を用いた。
The silicon oxynitride film of the sample Y supplies 100 sccm of silane and 3000 sccm of nitrogen to the processing chamber of the plasma CVD apparatus and controls the pressure in the processing chamber to 40 Pa, 27.12 MHz
Power supply of 300 W using the high frequency power source of. The silicon nitride film and the silicon oxynitride film were formed at a substrate temperature of 350.degree. Note that as a film formation condition of the silicon oxynitride film, a film formation condition different from that of the gate insulating film 17 of the transistor 10 described in Embodiment 1 was used.

次に、試料X及び試料Yの光ゲートBT試験を行った。ここでは、光ゲートBT試験とし
て、基板温度を80℃、ゲート絶縁膜に印加する電界強度を1.2MV/cm、印加時間
を2000秒とし、3000lxの白色光を発する白色LEDを用い、ゲート電極に負の
電圧を印加する光マイナスゲートBT試験を行った。
Next, optical gate BT tests of sample X and sample Y were performed. Here, as a light gate BT test, a white LED emitting white light of 3000 lx is used with a substrate temperature of 80 ° C., an electric field strength of 1.2 MV / cm applied to the gate insulating film, and an application time of 2000 seconds. An optical negative gate BT test was conducted by applying a negative voltage to the

光マイナスゲートBT試験方法とトランジスタのVg−Id特性の測定方法について説明
する。光マイナスゲートBT試験の対象となるトランジスタの初期特性を測定するため、
基板温度を25℃とし、ソース電極−ドレイン電極間の電圧(以下、ドレイン電圧という
。)を1V、10Vとし、ソース電極−ゲート電極間の電圧(以下、ゲート電圧という。
)を−30V〜+30Vまで変化させたときのソース電極−ドレイン電極の間に生じる電
流(以下、ドレイン電流という。)の変化特性、すなわちVg−Id特性を測定した。
The light negative gate BT test method and the method of measuring the Vg-Id characteristics of the transistor will be described. In order to measure the initial characteristics of the transistor targeted for the light negative gate BT test,
The substrate temperature is 25 ° C., the voltage between the source electrode and the drain electrode (hereinafter referred to as drain voltage) is 1 V and 10 V, and the voltage between the source electrode and the gate electrode (hereinafter referred to as gate voltage).
The Vg-Id characteristics of the current (hereinafter referred to as drain current) generated between the source electrode and the drain electrode when changing V.) from -30 V to +30 V was measured.

次に、基板温度を80℃まで上昇させた後、トランジスタのソース電極およびドレイン電
極の電位を0Vとした。続いて、ゲート絶縁膜へ印加される電界強度が1.2MV/cm
となるようにゲート電極に電圧を印加した。ここでは、トランジスタのゲート絶縁膜の厚
さが250nmであるため、ゲート電極に−30Vを印加し、そのまま2000秒保持し
た。
Next, after the substrate temperature was raised to 80 ° C., the potential of the source electrode and the drain electrode of the transistor was set to 0 V. Subsequently, the electric field strength applied to the gate insulating film is 1.2 MV / cm.
A voltage was applied to the gate electrode so that Here, since the thickness of the gate insulating film of the transistor is 250 nm, -30 V is applied to the gate electrode and held for 2000 seconds.

次に、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極へ電圧を印加したまま、基板温度を2
5℃まで下げた。基板温度が25℃になった後、ゲート電極、ソース電極およびドレイン
電極への電圧の印加を終了させた。
Next, with the voltage applied to the gate electrode, the source electrode and the drain electrode, the substrate temperature is 2
It was lowered to 5 ° C. After the substrate temperature reached 25 ° C., the application of voltage to the gate electrode, the source electrode and the drain electrode was terminated.

次に、初期特性の測定と同じ条件でVg−Id特性を測定し、光マイナスゲートBT試験
後のVg−Id特性を得た。
Next, Vg-Id characteristics were measured under the same conditions as the measurement of the initial characteristics, and Vg-Id characteristics after the light negative gate BT test were obtained.

初期特性のしきい値電圧と光マイナスゲートBT試験後のしきい値電圧の差(ΔVth)
を図19に示す。縦軸にΔVthを示す。試料Xと比較して、試料Yはしきい値電圧の変
動量が大きいことがわかる。このことから、トランジスタのゲート絶縁膜として、膜密度
が高く、シリコンのダングリングボンド量の少ないゲート絶縁膜を用いることで、光マイ
ナスゲートBT試験におけるしきい値電圧の変動量が少ないことが分かる。
Difference between threshold voltage of initial characteristics and threshold voltage after light negative gate BT test (ΔVth)
Is shown in FIG. The vertical axis represents ΔVth. As compared with the sample X, it can be seen that the sample Y has a large amount of fluctuation of the threshold voltage. From this, it can be seen that, by using a gate insulating film having a high film density and a small amount of dangling bonds of silicon as the gate insulating film of the transistor, the variation of the threshold voltage in the light negative gate BT test is small. .

Claims (3)

絶縁膜と、
前記絶縁膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上と接する領域を有する一対の電極と、
前記酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の窒化物半導体膜と
前記窒化物半導体膜上のゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上面及び前記ゲート電極側面に接する絶縁膜と、
前記絶縁膜側面、前記ゲート絶縁膜側面及び前記酸化物半導体膜上面と接する一対の電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、電子スピン共鳴法によって計測される信号において、g値が2.001に現れる信号のスピン密度が2×10 15 spins/cm 以下であり、
前記酸化物半導体膜は前記ゲート電極と重畳する領域を有する半導体装置。
Insulation film,
An oxide semiconductor film on the insulating film;
A pair of electrodes having a region in contact with the oxide semiconductor film,
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A nitride semiconductor film on the gate insulating film and a gate electrode on the nitride semiconductor film;
An insulating film in contact with the upper surface of the gate insulating film and the side surface of the gate electrode;
And a pair of electrodes in contact with the side surface of the insulating film, the side surface of the gate insulating film, and the top surface of the oxide semiconductor film,
The gate insulating film has a spin density of 2 × 10 15 spins / cm 3 or less, in a signal measured by electron spin resonance, in which the g value is 2.001 ,
The oxide semiconductor film is a semi-conductor device that have a region overlapping with the gate electrode.
請求項1において、
前記絶縁膜は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンである半導体装置。
In claim 1,
The insulating layer, Ru silicon oxide or silicon nitride der semiconductors devices.
請求項1または請求項2において、
前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンである半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The gate insulating film, Ru silicon oxide or silicon nitride der semiconductors devices.
JP2017078080A 2012-04-13 2017-04-11 Semiconductor device Expired - Fee Related JP6505769B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012092323 2012-04-13
JP2012092323 2012-04-13

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013051819A Division JP6128906B2 (en) 2012-04-13 2013-03-14 Semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017126791A JP2017126791A (en) 2017-07-20
JP6505769B2 true JP6505769B2 (en) 2019-04-24

Family

ID=59364489

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017078080A Expired - Fee Related JP6505769B2 (en) 2012-04-13 2017-04-11 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6505769B2 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5078246B2 (en) * 2005-09-29 2012-11-21 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
WO2011096286A1 (en) * 2010-02-05 2011-08-11 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Field effect transistor and semiconductor device
KR20120117915A (en) * 2010-02-05 2012-10-24 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Semiconductor device
JP5791934B2 (en) * 2010-04-02 2015-10-07 株式会社半導体エネルギー研究所 Method for manufacturing semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017126791A (en) 2017-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7354391B2 (en) semiconductor equipment
JP6128906B2 (en) Semiconductor device
JP6505769B2 (en) Semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170508

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180220

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180222

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180419

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180904

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20181102

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181219

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190226

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190327

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6505769

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees