WO2026013522A1 - Semiconductor device and method for producing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一態様は、半導体装置、記憶装置、及び電子機器に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置の作製方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a memory device, and an electronic device. Furthermore, one embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置(例えば、タッチセンサ)、入出力装置(例えば、タッチパネル)、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. Examples of technical fields of one embodiment of the present invention include semiconductor devices, display devices, light-emitting devices, power storage devices, memory devices, electronic devices, lighting devices, input devices (e.g., touch sensors), input/output devices (e.g., touch panels), driving methods thereof, and manufacturing methods thereof.
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置であり、半導体素子(トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード等)を含む回路、同回路を有する装置等をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップ、パッケージにチップを収納した電子部品は半導体装置の一例である。また、記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置、及び電子機器は、それ自体が半導体装置であり、且つ、それぞれが半導体装置を有している場合がある。 In this specification, a semiconductor device is a device that utilizes semiconductor characteristics, and refers to a circuit including a semiconductor element (transistor, diode, photodiode, etc.), a device having such a circuit, etc. It also refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. For example, integrated circuits, chips equipped with integrated circuits, and electronic components that house chips in packages are examples of semiconductor devices. Furthermore, memory devices, display devices, light-emitting devices, lighting devices, and electronic devices may themselves be semiconductor devices and each may have a semiconductor device.
近年、LSI(Large Scale Integration)、CPU(Central Processing Unit)、メモリ(記憶装置)等の半導体装置の開発が進められている。これらの半導体装置は、コンピュータ、携帯情報端末等様々な電子機器に使用されている。また、メモリは、演算処理実行時の一時記憶、データの長期記憶等、用途に応じて様々な記憶方式のメモリが開発されている。代表的な記憶方式のメモリとして、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)、フラッシュメモリがある。 In recent years, development of semiconductor devices such as LSIs (Large Scale Integration), CPUs (Central Processing Units), and memory (storage devices) has progressed. These semiconductor devices are used in a variety of electronic devices, including computers and personal digital assistants. Furthermore, various memory storage methods have been developed to suit different applications, such as temporary storage during processing and long-term data storage. Typical memory storage methods include DRAM (Dynamic Random Access Memory), SRAM (Static Random Access Memory), and flash memory.
また、非特許文献1及び非特許文献2に示すように、強誘電体(ferroelectric)を用いたメモリの研究開発が活発に行われている。また、次世代の強誘電性メモリのために、強誘電性のHfO2ベースの材料の研究(非特許文献3)、Hf0.5Zr0.5O2薄膜の強誘電性に関する研究(非特許文献4)、HfO2薄膜の強誘電性に関する研究(非特許文献5)、及び強誘電体Hf0.5Zr0.5O2を用いたFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)とCMOSとの統合の実証(非特許文献6)等、酸化ハフニウム関連の研究も活発に行われている。 Furthermore, as shown in Non-Patent Documents 1 and 2, research and development of memories using ferroelectrics is being actively conducted. For next-generation ferroelectric memories, research on ferroelectric HfO2 -based materials (Non-Patent Document 3), research on the ferroelectricity of Hf0.5Zr0.5O2 thin films (Non-Patent Document 4), research on the ferroelectricity of HfO2 thin films (Non-Patent Document 5), and demonstration of integration of FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 with CMOS (Non-Patent Document 6 ) are also being actively conducted.
強誘電体として、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ハフニウムジルコニウム酸化物等の金属酸化物を用いる場合、強誘電体中の酸素が脱離すると、繰り返し書き換えを行った際に残留分極が小さくなる場合があり、また耐圧が低下する場合がある。よって、強誘電体中の酸素が脱離すると、当該強誘電体を有するメモリの信頼性が低下する場合がある。 When metal oxides such as hafnium oxide, zirconium oxide, and hafnium zirconium oxide are used as ferroelectrics, if oxygen is released from the ferroelectric, the remanent polarization may decrease and the breakdown voltage may decrease after repeated rewriting. Therefore, if oxygen is released from the ferroelectric, the reliability of the memory containing that ferroelectric may decrease.
本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置、及びその作製方法を提供することを課題の1つとする。又は、本発明の一態様は、微細化又高集積化が可能な半導体装置、及びその作製方法を提供することを課題の1つとする。又は、本発明の一態様は、消費電力の低い半導体装置、及びその作製方法を提供することを課題の1つとする。又は、本発明の一態様は、高速に駆動する半導体装置、及びその作製方法を提供することを課題の1つとする。又は、本発明の一態様は、新規な半導体装置、及びその作製方法を提供することを課題の1つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device and a manufacturing method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated, and a manufacturing method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption and a manufacturing method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that operates at high speed and a manufacturing method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device and a manufacturing method thereof.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not preclude the existence of other problems. One aspect of the present invention does not necessarily have to solve all of these problems. Problems other than these may be extracted from the description in the specification, drawings, and claims.
本発明の一態様は、基板と、第1の絶縁層と、第1の導電層と、第2の導電層と、強誘電体層と、を有し、第1の絶縁層、第1の導電層、第2の導電層、及び強誘電体層は、基板上に設けられ、第1の絶縁層は、開口部を有し、第1の導電層は、第1の絶縁層の開口部における側面に沿う領域を有し、第1の導電層の上端面は、第1の絶縁層の上面より、基板からの高さが低く、強誘電体層は、開口部において第1の導電層と接する領域を有し、第2の導電層は、開口部において、強誘電体層を挟んで第1の導電層と対向する領域を有し、第1の導電層は、酸化物領域を有し、酸化物領域は、強誘電体層と接する領域を含み、強誘電体層は、酸素を含む半導体装置である。 One aspect of the present invention is a semiconductor device comprising a substrate, a first insulating layer, a first conductive layer, a second conductive layer, and a ferroelectric layer, wherein the first insulating layer, first conductive layer, second conductive layer, and ferroelectric layer are provided on the substrate, the first insulating layer has an opening, the first conductive layer has a region along the side of the opening in the first insulating layer, the top surface of the first conductive layer is lower from the substrate than the top surface of the first insulating layer, the ferroelectric layer has a region in contact with the first conductive layer in the opening, the second conductive layer has a region facing the first conductive layer in the opening with the ferroelectric layer sandwiched between them, the first conductive layer has an oxide region, the oxide region includes a region in contact with the ferroelectric layer, and the ferroelectric layer contains oxygen.
又は、上記態様において、酸化物領域は、第1の導電層に含まれる元素の酸化物を含んでもよい。 Alternatively, in the above aspect, the oxide region may include an oxide of an element contained in the first conductive layer.
又は、上記態様において、第1の導電層の上端面における、基板の上面に対する角度は、0°より大きくてもよい。 Alternatively, in the above aspect, the angle of the upper end surface of the first conductive layer relative to the upper surface of the substrate may be greater than 0°.
又は、上記態様において、第2の導電層は、第1の層と、第1の層上の第2の層と、を有し、第1の層は、開口部を埋めるように設けられ、第1の層の熱膨張係数は、第2の層の熱膨張係数より大きくてもよい。 Alternatively, in the above aspect, the second conductive layer may have a first layer and a second layer on the first layer, the first layer being provided so as to fill the opening, and the thermal expansion coefficient of the first layer being greater than the thermal expansion coefficient of the second layer.
又は、上記態様において、第1の層は、窒化チタンを含み、第2の層は、タングステンを含んでもよい。 Alternatively, in the above aspect, the first layer may contain titanium nitride and the second layer may contain tungsten.
又は、上記態様において、第2の絶縁層、第3の絶縁層、半導体層、第3の導電層、第4の導電層、及び第5の導電層を有し、第2の絶縁層は、第2の導電層上、及び第1の絶縁層上に位置し、第3の導電層、及び第4の導電層は、第2の絶縁層上に位置し、第2の絶縁層は、第3の導電層と第4の導電層の間の領域と重なり、且つ、第2の導電層に達する領域を有する溝部を有し、半導体層は、第2の導電層に接する領域と、第3の導電層に接する領域と、第4の導電層に接する領域と、溝部における第2の絶縁層の側面の一部に沿う領域と、を有し、第3の絶縁層は、溝部の内部に位置する領域を有するように、半導体層上に設けられ、第5の導電層は、溝部の内部において、第3の絶縁層を間に挟んで半導体層と対向する領域を有してもよい。 Alternatively, in the above aspect, the semiconductor device may include a second insulating layer, a third insulating layer, a semiconductor layer, a third conductive layer, a fourth conductive layer, and a fifth conductive layer, wherein the second insulating layer is located on the second conductive layer and the first insulating layer, the third conductive layer and the fourth conductive layer are located on the second insulating layer, the second insulating layer has a groove portion overlapping a region between the third conductive layer and the fourth conductive layer and having a region reaching the second conductive layer, the semiconductor layer has a region contacting the second conductive layer, a region contacting the third conductive layer, a region contacting the fourth conductive layer, and a region along a portion of a side surface of the second insulating layer in the groove, the third insulating layer is provided on the semiconductor layer so as to have a region located inside the groove, and the fifth conductive layer may have a region inside the groove facing the semiconductor layer with the third insulating layer sandwiched therebetween.
又は、上記態様において、第4の絶縁層、及び第6の導電層を有し、第4の絶縁層は、第3乃至第5の導電層上に位置し、第6の導電層は、第4の絶縁層上に位置し、第6の導電層は、第3の導電層、及び第4の導電層と電気的に接続されていてもよい。 Alternatively, the above aspect may have a fourth insulating layer and a sixth conductive layer, the fourth insulating layer being located on the third to fifth conductive layers, the sixth conductive layer being located on the fourth insulating layer, and the sixth conductive layer being electrically connected to the third conductive layer and the fourth conductive layer.
又は、上記態様において、溝部、及び第5の導電層は、第1の方向に延在し、第6の導電層は、第2の方向に延在し、第2の方向は、第1の方向と垂直であってもよい。 Alternatively, in the above aspect, the groove and the fifth conductive layer may extend in a first direction, and the sixth conductive layer may extend in a second direction, the second direction being perpendicular to the first direction.
又は、上記態様において、半導体層は、インジウムを含んでもよい。 Alternatively, in the above aspect, the semiconductor layer may contain indium.
又は、本発明の一態様は、基板上に第1の絶縁層を形成し、第1の絶縁層に、開口部を形成し、開口部を覆うように、導電膜を形成し、導電膜上に、フォトレジストを塗布し、フォトレジストに対して異方性エッチングを行うことにより、開口部にレジストマスクを形成し、導電膜を加工することにより、第1の絶縁層の開口部における側面に沿うように、第1の導電層を形成し、レジストマスクを除去し、第1の導電層に対して酸化処理を行うことにより、第1の導電層に酸化物領域を形成し、酸化物領域と接する領域を有するように、酸素を含む強誘電体層を形成し、強誘電体層上に、開口部に位置する領域を有するように第2の導電層を形成し、第1の導電層は、第1の導電層の上端面の基板からの高さが、第1の絶縁層の上面の基板からの高さより低くなるように形成される半導体装置の作製方法である。 Alternatively, one embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, which includes forming a first insulating layer over a substrate, forming an opening in the first insulating layer, forming a conductive film to cover the opening, applying photoresist to the conductive film, and performing anisotropic etching on the photoresist to form a resist mask in the opening and processing the conductive film to form a first conductive layer along the side surface of the opening in the first insulating layer, removing the resist mask, and performing oxidation treatment on the first conductive layer to form an oxide region in the first conductive layer, forming a ferroelectric layer containing oxygen so as to have a region in contact with the oxide region, and forming a second conductive layer on the ferroelectric layer so as to have a region located in the opening, and the first conductive layer is formed so that the height of the top surface of the first conductive layer from the substrate is lower than the height of the top surface of the first insulating layer from the substrate.
又は、上記態様において、酸化処理では、第1の導電層と接する領域を有するように、酸素を含む第2の絶縁層を形成した後、第2の絶縁層を除去してもよい。 Alternatively, in the above aspect, the oxidation treatment may involve forming a second insulating layer containing oxygen so as to have a region in contact with the first conductive layer, and then removing the second insulating layer.
又は、上記態様において、第2の導電層として、開口部を埋める第1の層と、第1の層上の第2の層と、を形成し、第1の層の熱膨張係数は、第2の層の熱膨張係数より大きくてもよい。 Alternatively, in the above aspect, the second conductive layer may be formed by forming a first layer that fills the opening and a second layer on the first layer, and the thermal expansion coefficient of the first layer may be greater than the thermal expansion coefficient of the second layer.
又は、上記態様において、第1の層は、窒化チタンを含むように形成し、第2の層は、タングステンを含むように形成してもよい。 Alternatively, in the above aspect, the first layer may be formed to contain titanium nitride, and the second layer may be formed to contain tungsten.
本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置、及びその作製方法を提供できる。又は、本発明の一態様により、微細化又高集積化が可能な半導体装置、及びその作製方法を提供できる。又は、本発明の一態様により、消費電力の低い半導体装置、及びその作製方法を提供できる。又は、本発明の一態様により、高速に駆動する半導体装置、及びその作製方法を提供できる。又は、本発明の一態様により、新規な半導体装置、及びその作製方法を提供できる。 One embodiment of the present invention can provide a highly reliable semiconductor device and a manufacturing method thereof. Alternatively, one embodiment of the present invention can provide a semiconductor device that enables miniaturization and high integration, and a manufacturing method thereof. Alternatively, one embodiment of the present invention can provide a semiconductor device with low power consumption and a manufacturing method thereof. Alternatively, one embodiment of the present invention can provide a semiconductor device that operates at high speed and a manufacturing method thereof. Alternatively, one embodiment of the present invention can provide a novel semiconductor device and a manufacturing method thereof.
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not preclude the existence of other effects. One embodiment of the present invention does not necessarily have to have all of these effects. Effects other than these may be extracted from the description in the specification, drawings, and claims.
図1A及び図1Bは、半導体装置の構成例を示す斜視図である。
図2A及び図2Bは、半導体装置の構成例を示す平面図である。
図3A、図3B、図3Cは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図4A及び図4Bは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図5A及び図5Bは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図6A及び図6Bは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図7Aは、メモリセルの構成例を示す回路図である。図7Bは、半導体装置の構成例を示す斜視図である。
図8A、図8B、図8Cは、半導体装置の構成例を示す平面図である。
図9A及び図9Bは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図10A及び図10Bは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図11A及び図11Bは、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図12は、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図13Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図13B及び図13Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図14Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図14B及び図14Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図15Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図15B及び図15Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図16Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図16B及び図16Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図17Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図17B及び図17Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図18Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図18B及び図18Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図19Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図19B及び図19Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図20Aは、半導体装置の作製方法例を示す平面図である。図20B及び図20Cは、半導体装置の作製方法例を示す断面図である。
図21Aは、メモリセルの構成例を示す回路図である。図21Bは、半導体装置の構成例を示す平面図である。
図22は、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図23は、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図24は、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図25は、ヒステリシス特性の一例を示す図である。
図26A及び図26Bは、ホール(Hall)移動度のキャリア濃度依存性を説明する図である。図26Cは、酸化インジウム膜を説明する断面図である。
図27は、半導体装置の構成例を説明するブロック図である。
図28A及び図28Bは、半導体装置の構成例を説明する斜視図である。
図29は、CPUを説明するブロック図である。
図30A及び図30Bは、半導体装置の斜視図である。
図31A及び図31Bは、半導体装置の斜視図である。
図32は、記憶装置の階層を説明する概念図である。
図33A及び図33Bは、電子部品の一例を示す図である。
図34A、図34B、図34Cは、大型計算機の一例を示す図である。図34Dは、宇宙用機器の一例を示す図である。図34Eは、データセンターに適用可能なストレージシステムの一例を示す図である。
図35A及び図35Bは、実施例に係る断面STEM像である。
図36A及び図36Bは、書き換え耐性試験における入力電圧波形を示す図である。
図37Aは、実施例に係る書き換え耐性試験の結果を示す図である。図37Bは、実施例に係るI−V特性を示す図である。
図38は、実施例に係る書き換え耐性試験の結果を示す図である。
1A and 1B are perspective views showing an example of the configuration of a semiconductor device.
2A and 2B are plan views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
3A, 3B, and 3C are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
4A and 4B are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
5A and 5B are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
6A and 6B are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
7A is a circuit diagram showing an example of the configuration of a memory cell, and FIG. 7B is a perspective view showing an example of the configuration of a semiconductor device.
8A, 8B, and 8C are plan views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
9A and 9B are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
10A and 10B are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
11A and 11B are cross-sectional views showing examples of the configuration of a semiconductor device.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a semiconductor device.
13A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 13B and 13C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
14A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 14B and 14C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
15A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 15B and 15C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
16A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 16B and 16C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
17A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 17B and 17C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
18A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 18B and 18C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
19A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 19B and 19C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
20A is a plan view illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device, and FIGS. 20B and 20C are cross-sectional views illustrating the example of a method for manufacturing a semiconductor device.
21A is a circuit diagram showing an example of the configuration of a memory cell, and FIG. 21B is a plan view showing an example of the configuration of a semiconductor device.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a semiconductor device.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a semiconductor device.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a semiconductor device.
FIG. 25 is a diagram illustrating an example of a hysteresis characteristic.
26A and 26B are diagrams illustrating the carrier concentration dependence of Hall mobility, and Fig. 26C is a cross-sectional view illustrating an indium oxide film.
FIG. 27 is a block diagram illustrating an example of the configuration of a semiconductor device.
28A and 28B are perspective views illustrating a configuration example of a semiconductor device.
FIG. 29 is a block diagram illustrating the CPU.
30A and 30B are perspective views of a semiconductor device.
31A and 31B are perspective views of a semiconductor device.
FIG. 32 is a conceptual diagram illustrating the hierarchy of a storage device.
33A and 33B are diagrams illustrating an example of an electronic component.
34A, 34B, and 34C are diagrams showing an example of a mainframe computer. Fig. 34D is a diagram showing an example of space equipment. Fig. 34E is a diagram showing an example of a storage system applicable to a data center.
35A and 35B are cross-sectional STEM images according to the example.
36A and 36B are diagrams showing input voltage waveforms in a write-endurance test.
37A and 37B are diagrams showing the results of a write-endurance test according to an example, and IV characteristics according to an example.
FIG. 38 is a diagram showing the results of the rewrite endurance test according to the example.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Embodiments will be described in detail using the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and those skilled in the art will readily understand that various changes in form and details can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be interpreted as being limited to the description of the embodiments shown below.
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチングパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 In the configuration of the invention described below, the same parts or parts with similar functions will be denoted by the same reference numerals in different drawings, and repeated explanations will be omitted. Furthermore, when referring to similar functions, the same hatching pattern may be used and no particular reference numeral may be assigned.
また、図面において示す各構成の、位置、大きさ、及び、範囲等は、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、及び、範囲等を表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、及び、範囲等に限定されない。 Furthermore, for ease of understanding, the position, size, range, etc. of each component shown in the drawings may not represent the actual position, size, range, etc. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, etc. disclosed in the drawings.
本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順、積層順、又は配置順等、なんらかの順番又は順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲等において序数詞が省略される場合がある。 The ordinal numbers such as "first" and "second" used in this specification are used to avoid confusion between components, and do not indicate any order or ranking, such as the order of processes, stacking order, or placement order. Furthermore, even if a term does not have an ordinal number in this specification, an ordinal number may be added in the claims to avoid confusion between components. Furthermore, even if a term has an ordinal number in this specification, a different ordinal number may be added in the claims. Furthermore, even if a term has an ordinal number in this specification, the ordinal number may be omitted in the claims.
また、トランジスタは半導体素子の一種であり、電流又は電圧を増幅する機能、及び、導通又は非導通を制御するスイッチング動作等を実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)及び薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を含む。 A transistor is a type of semiconductor element that can perform functions such as amplifying current or voltage, and switching operations that control conduction or non-conduction. In this specification, the term "transistor" includes IGFETs (Insulated Gate Field Effect Transistors) and thin film transistors (TFTs).
本明細書等において、半導体層に金属酸化物を用いたトランジスタ、及び、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタをOSトランジスタと記すことがある。また、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタをSiトランジスタと記すことがある。 In this specification, a transistor using metal oxide in a semiconductor layer and a transistor having metal oxide in a channel formation region may be referred to as an OS transistor. Furthermore, a transistor having silicon in a channel formation region may be referred to as a Si transistor.
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネルが形成される領域(チャネル形成領域ともいう)を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 In this specification, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. It has a region (also called a channel formation region) where a channel is formed between the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode) and the source (source terminal, source region, or source electrode), and current can flow between the source and drain through the channel formation region. In this specification, a channel formation region refers to a region through which current mainly flows.
また、「ソース」と「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合、又は回路動作において電流の方向が変化する場合等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」と「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。 Furthermore, the functions of "source" and "drain" may be interchangeable when transistors of different polarities are used, or when the direction of current changes during circuit operation. For this reason, in this specification, the terms "source" and "drain" may be used interchangeably.
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1atomic%未満の元素は不純物といえる。不純物が含まれることにより、例えば、半導体の欠陥準位密度が高くなること、又は結晶性が低下すること等が起こる場合がある。半導体が金属酸化物である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、及び金属酸化物の主成分以外の遷移金属等がある。具体的には、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、及び窒素等がある。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、金属酸化物に酸素欠損(VOとも記す)が形成される場合がある。 Note that impurities in a semiconductor refer to, for example, elements other than the main component constituting the semiconductor. For example, an element with a concentration of less than 0.1 atomic % can be considered an impurity. The presence of impurities can, for example, increase the defect level density of the semiconductor or reduce the crystallinity. When the semiconductor is a metal oxide, impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example, Group 1 elements, Group 2 elements, Group 13 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and transition metals other than the main component of the metal oxide. Specific examples include hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. Note that water can also function as an impurity. Furthermore, for example, the inclusion of impurities can cause oxygen vacancies (also referred to as VO ) in the metal oxide.
なお、本明細書等において、酸化窒化物とは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指す。窒化酸化物とは、その組成として酸素よりも窒素の含有量が多い材料を指す。ここで、酸窒化物という場合、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多くてもよいし、酸素よりも窒素の含有量が多くてもよいし、窒素と酸素の含有量が等しくてもよい。 In this specification, an oxynitride refers to a material whose composition contains more oxygen than nitrogen. An oxynitride refers to a material whose composition contains more nitrogen than oxygen. Here, when referring to an oxynitride, the composition may contain more oxygen than nitrogen, or may contain more nitrogen than oxygen, or the nitrogen and oxygen contents may be equal.
膜に含まれる水素、酸素、炭素、又は窒素等の元素の含有量の分析には、例えば、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)、又はX線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy若しくはESCA:Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)を用いることができる。目的の元素の含有率が高い(例えば、0.5atomic%以上、又は1atomic%以上)場合は、XPSが適している。一方、目的の元素の含有率が低い(例えば0.5atomic%以下、又は1atomic%以下)場合には、SIMSが適している。元素の含有量を比較する際には、SIMSとXPSの両方の分析手法を用いた複合解析を行うことがより好ましい。 To analyze the content of elements such as hydrogen, oxygen, carbon, or nitrogen contained in a film, secondary ion mass spectrometry (SIMS) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA) can be used. XPS is suitable when the content of the target element is high (e.g., 0.5 atomic% or more, or 1 atomic% or more). On the other hand, SIMS is suitable when the content of the target element is low (e.g., 0.5 atomic% or less, or 1 atomic% or less). When comparing element contents, it is more preferable to perform a combined analysis using both SIMS and XPS analytical methods.
なお、本明細書等において含有率とは、膜中に含まれる成分の割合を示す。例えば金属酸化物層が金属元素X、金属元素Y、金属元素Zを含み、当該金属酸化物層に含まれる金属元素X、金属元素Y、金属元素Zのそれぞれの原子数をAX、AY、AZとしたとき、金属元素Xの含有率は、AX/(AX+AY+AZ)で示すことができる。また、金属酸化物層中の金属元素X、金属元素Y、金属元素Zのそれぞれの原子数の比(原子数比)が、BX:BY:BZで示されるとき、金属元素Xの含有率は、BX/(BX+BY+BZ)で示すことができる。 In this specification, the term "content" refers to the proportion of a component contained in a film. For example, when a metal oxide layer contains metal element X, metal element Y, and metal element Z, and the atomic numbers of metal element X, metal element Y, and metal element Z contained in the metal oxide layer are Ax , Ay , and Az , respectively, the content of metal element X can be expressed as Ax /( Ax + Ay + Az ). Furthermore, when the ratio of the atomic numbers of metal element X, metal element Y, and metal element Z in the metal oxide layer (atomic ratio) is expressed as Bx : By:Bz , the content of metal element X can be expressed as Bx /( Bx + By + Bz ).
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能である。又は、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能である。 Note that the terms "film" and "layer" can be interchangeable in some cases or depending on the situation. For example, the term "conductive layer" can be changed to the term "conductive film." Or, for example, the term "insulating film" can be changed to the term "insulating layer."
本明細書等では空間群は国際表記(又はHermann−Mauguin記号)のShort notationを用いて表記する。またミラー指数を用いて結晶面及び結晶方位を表記する。空間群、結晶面、及び結晶方位の表記は、結晶学上、数字に上付きのバーを付すが、本明細書等では書式の制約上、数字の上にバーを付す代わりに、数字の前に−(マイナス符号)を付して表現する場合がある。また、結晶内の方位を示す個別方位は[ ]で、等価な方位全てを示す集合方位は< >で、結晶面を示す個別面は( )で、等価な対称性を有する集合面は{ }でそれぞれ表現する。 In this specification, space groups are expressed using short notation in international notation (or Hermann-Mauguin notation). Crystal planes and crystal orientations are expressed using Miller indices. In crystallography, space groups, crystal planes, and crystal orientations are expressed by placing a superscript bar above the number; however, due to formatting constraints, in this specification, numbers may be expressed by placing a - (minus sign) before them instead of placing a bar above them. Individual orientations indicating directions within a crystal are expressed with [ ], collective orientations indicating all equivalent orientations are expressed with < >, individual planes indicating crystal planes are expressed with ( ), and collective planes with equivalent symmetry are expressed with { }.
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−10度以上10度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5度以上5度以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−20度以上20度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80度以上100度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85度以上95度以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が70度以上110度以下の角度で配置されている状態をいう。 Furthermore, in this specification, "parallel" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of between -10 degrees and 10 degrees, inclusive. Therefore, it also includes cases in which the angle is between -5 degrees and 5 degrees, inclusive. Furthermore, "substantially parallel" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of between -20 degrees and 20 degrees, inclusive. Furthermore, "perpendicular" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of between 80 degrees and 100 degrees, inclusive. Therefore, it also includes cases in which the angle is between 85 degrees and 95 degrees, inclusive. Furthermore, "substantially perpendicular" refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of between 70 degrees and 110 degrees, inclusive.
本明細書における「接続」は、一例としては、「電気的接続」を含む。なお、回路素子の接続関係を物として規定するために「電気的接続」と表現する場合がある。また、「電気的接続」は、「直接接続」と「間接接続」とを含む。「AとBとが直接的に接続されている」とは、AとBとが回路素子(例えば、トランジスタ、スイッチ等。なお、配線は回路素子ではない。)を介さずに接続されていることを言う。一方、「AとBとが間接的に接続されている」とは、AとBとが1つ以上の回路素子を介して接続されていることを言う。なお、A、B及び後述するCは、素子、回路、配線、電極、端子、半導体層、導電層等の対象物を示している。 In this specification, "connection" includes, as an example, "electrical connection." Note that "electrical connection" is sometimes used to define the connection relationship between circuit elements as an object. Furthermore, "electrical connection" includes "direct connection" and "indirect connection." "A and B are directly connected" means that A and B are connected without the intervention of a circuit element (e.g., a transistor, a switch, etc.; note that wiring is not a circuit element). On the other hand, "A and B are indirectly connected" means that A and B are connected via one or more circuit elements. Note that A, B, and C, which will be described later, represent objects such as elements, circuits, wiring, electrodes, terminals, semiconductor layers, and conductive layers.
例えば、AとBとを含む回路が動作していると仮定した場合において、回路の動作期間中にAとBとの間に電気信号の授受又は電位の相互作用が発生するタイミングがある場合は、物として「AとBとが間接的に接続されている」、と規定することが出来る。なお、回路の動作期間中にAとBとの間に電気信号の授受又は電位の相互作用が発生しないタイミングがあっても、回路の動作期間中にAとBとの間に電気信号の授受又は電位の相互作用が発生するタイミングがあれば、「AとBとが間接的に接続されている」と規定することが出来る。 For example, assuming that a circuit including A and B is operating, if there is a time during the operation of the circuit when an electrical signal is exchanged or an electrical potential interaction occurs between A and B, then it can be defined that "A and B are indirectly connected" as objects. Furthermore, even if there is a time during the operation of the circuit when no electrical signal is exchanged or an electrical potential interaction occurs between A and B, if there is a time during the operation of the circuit when an electrical signal is exchanged or an electrical potential interaction occurs between A and B, then it can still be defined that "A and B are indirectly connected."
「AとBとが間接的に接続されている」場合の例としては、AとBとが1つ以上のトランジスタのソース及びドレインを介して接続されている場合がある。一方で、「AとBとが間接的に接続されている」とは言えない場合の例としては、AからBまでの経路に絶縁物が介在する場合がある。具体的には、AとBの間に容量素子が接続されている場合、AとBの間にトランジスタのゲート絶縁膜等が介在している場合等がある。よって、「トランジスタのゲート(A)と、トランジスタのソース又はドレイン(B)とは、間接的に接続されている」とは言えない。 An example of a case where "A and B are indirectly connected" is when A and B are connected via the source and drain of one or more transistors. On the other hand, an example of a case where it cannot be said that "A and B are indirectly connected" is when an insulator is present in the path from A to B. Specifically, this would include a case where a capacitive element is connected between A and B, or a case where a transistor gate insulating film or the like is present between A and B. Therefore, it cannot be said that "the transistor gate (A) and the transistor source or drain (B) are indirectly connected."
「AとBとが間接的に接続されている」と言えない場合の別の例としては、AからBまでの経路に、複数のトランジスタがソース及びドレインを介して接続されており、且つ、トランジスタと他のトランジスタの間のノードに、電源、GND等から一定の電位Vが供給されている場合がある。 Another example of a case where it cannot be said that "A and B are indirectly connected" is when multiple transistors are connected via their sources and drains to the path from A to B, and a constant potential V is supplied to a node between one transistor and another from a power supply, GND, etc.
本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(非導通状態、遮断状態、ともいう)にあるときのソース−ドレイン間のリーク電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低い(pチャネル型トランジスタでは、Vthよりも高い)状態をいう。 Unless otherwise specified, in this specification, off-state current refers to the leakage current between the source and drain when a transistor is in an off state (also referred to as a non-conducting state or cut-off state). Unless otherwise specified, the off state refers to a state in which the voltage Vgs between the gate and source of an n-channel transistor is lower than the threshold voltage Vth (higher than Vth for a p-channel transistor).
なお、本明細書等において、テーパ形状とは、構造の側面の少なくとも一部が、基板面又は被形成面に対して傾斜して設けられている形状のことを指す。例えば、傾斜した側面と基板面又は被形成面とがなす角(テーパ角ともいう)が0度より大きく90度未満である領域を有すると好ましい。なお、構造の側面、基板面、及び被形成面は、必ずしも完全に平坦である必要はなく、微小な曲率を有する略平面状、又は微細な凹凸を有する略平面状であってもよい。 In this specification and elsewhere, a tapered shape refers to a shape in which at least a portion of the side of a structure is inclined relative to the substrate surface or the surface on which the structure is to be formed. For example, it is preferable for the structure to have a region in which the angle (also called the taper angle) between the inclined side and the substrate surface or the surface on which the structure is to be formed is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The side of the structure, the substrate surface, and the surface on which the structure is to be formed do not necessarily have to be completely flat; they may be approximately planar with a slight curvature, or approximately planar with slight irregularities.
本明細書等において、AはB上に位置する、と記載されている場合、Aの少なくとも一部がB上に位置する。そのため、例えば、AはB上に位置する領域を有する、と言い換えることができる。同様に、AはBと接する、又は、AはBと重なる、と記載されている場合、Aの少なくとも一部が、Bと接する、又はBと重なる。そのため、それぞれ、AはBと接する領域を有する、又は、AはBと重なる領域を有する、と言い換えることができる。同様に、本明細書等において、AはBを覆う、と記載されている場合、Aの少なくとも一部がBを覆う。そのため、例えば、AはBを覆う領域を有する、と言い換えることができる。 In this specification, when it is stated that A is located on B, at least a portion of A is located on B. Therefore, for example, it can be rephrased as A has an area located on B. Similarly, when it is stated that A is in contact with B or A overlaps with B, at least a portion of A is in contact with B or overlaps with B. Therefore, it can be rephrased as A has an area in contact with B or A has an area overlapping with B, respectively. Similarly, when it is stated that A covers B, at least a portion of A covers B. Therefore, for example, it can be rephrased as A has an area covering B.
なお、本明細書等において、「端部が一致又は略一致」、及び「側面が一致又は略一致」とは、平面視において、積層した層と層との間で少なくとも輪郭の一部が重なることをいう。例えば、上層と下層とが、同一のマスクパターン、又は一部が同一のマスクパターンにより加工された場合を含む。ただし、厳密には輪郭が重ならず、上層の輪郭が下層の輪郭より内側に位置すること、又は、上層の輪郭が下層の輪郭より外側に位置することもあり、この場合も「端部が一致又は略一致」、又は「側面が一致又は略一致」等という。 In this specification, "edges that match or approximately match" and "side surfaces that match or approximately match" refer to at least a portion of the contours of stacked layers overlapping in a planar view. This includes, for example, cases where the upper and lower layers are processed using the same mask pattern, or where only a portion of the mask pattern is the same. However, strictly speaking, the contours may not overlap, and the contour of the upper layer may be located inside the contour of the lower layer, or the contour of the upper layer may be located outside the contour of the lower layer. In these cases, the terms "edges that match or approximately match" or "side surfaces that match or approximately match" are also used.
本明細書等において、段切れとは、層、膜、又は電極が、被形成面の形状(例えば段差等)に起因して分断される現象を示す。 In this specification, "step discontinuity" refers to a phenomenon in which a layer, film, or electrode is separated due to the shape of the surface on which it is formed (e.g., a step, etc.).
本明細書等において、島状とは、同一工程で形成された同一材料を用いた2以上の層が、物理的に分離されている状態であることを示す。 In this specification, the term "island-like" refers to a state in which two or more layers made of the same material and formed in the same process are physically separated.
なお、本明細書に係る図面等において、X方向、Y方向、及びZ方向を示す矢印を付す場合がある。なお、本明細書等において、「X方向」とはX軸に沿う方向であり、明示する場合を除き順方向と逆方向を区別しない場合がある。「Y方向」及び「Z方向」についても同様である。また、X方向、Y方向、及びZ方向は、それぞれが互いに交差する方向である。例えば、X方向、Y方向、及びZ方向は、それぞれが互いに直交する方向、すなわち垂直な方向である。なお、本明細書等では、X方向を行方向といい、Y方向を列方向という場合がある。 Note that in the drawings and the like relating to this specification, arrows indicating the X direction, Y direction, and Z direction may be used. Note that in this specification, the "X direction" refers to the direction along the X axis, and there is no distinction between the forward direction and the reverse direction unless explicitly stated. The same applies to the "Y direction" and "Z direction." The X direction, Y direction, and Z direction are directions that intersect with each other. For example, the X direction, Y direction, and Z direction are directions that are perpendicular to each other. Note that in this specification, the X direction may be referred to as the row direction, and the Y direction may be referred to as the column direction.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置とその作製方法について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.
本発明の一態様は、強誘電体キャパシタ、及び強誘電体キャパシタを有するメモリに関する。本明細書等において、誘電体層として強誘電体層を用いる容量を、強誘電体キャパシタという。また、強誘電体キャパシタを有するメモリを、強誘電体メモリという。本発明の一態様において、強誘電体キャパシタは、第1の電極と、第1の電極上の強誘電体層と、強誘電体層上の第2の電極と、を有する。よって、強誘電体キャパシタは、MIM(Metal−Insulator−Metal)容量とすることができる。なお、第1の電極と、第1の電極上の誘電体層と、誘電体層上の第2の電極と、を有する容量において、第1の電極を容量の下部電極といい、第2の電極を容量の上部電極という場合がある。 One aspect of the present invention relates to a ferroelectric capacitor and a memory having a ferroelectric capacitor. In this specification, a capacitor that uses a ferroelectric layer as a dielectric layer is referred to as a ferroelectric capacitor. Also, a memory having a ferroelectric capacitor is referred to as a ferroelectric memory. In one aspect of the present invention, the ferroelectric capacitor has a first electrode, a ferroelectric layer on the first electrode, and a second electrode on the ferroelectric layer. Therefore, the ferroelectric capacitor can be a MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor. Note that in a capacitor having a first electrode, a dielectric layer on the first electrode, and a second electrode on the dielectric layer, the first electrode may be referred to as the lower electrode of the capacitor, and the second electrode may be referred to as the upper electrode of the capacitor.
強誘電体は電圧を印加すると一定方向に分極が揃い、電圧の印加をやめても分極が揃ったままになる特性を有する。また、電圧の極性を逆にすると分極が反転する。強誘電体メモリは、強誘電体の性質を応用することによって不揮発性メモリとして機能できる。 Ferroelectrics have the property that when a voltage is applied, the polarization aligns in a certain direction, and remains aligned even after the voltage application is stopped. Furthermore, reversing the polarity of the voltage reverses the polarization. Ferroelectric memory can function as non-volatile memory by applying the properties of ferroelectrics.
本明細書等において、半導体装置は、強誘電体キャパシタを示す場合があり、また強誘電体メモリを示す場合がある。また、半導体装置は、強誘電体メモリが有するトランジスタを示す場合がある。 In this specification, etc., a semiconductor device may refer to a ferroelectric capacitor or a ferroelectric memory. A semiconductor device may also refer to a transistor included in a ferroelectric memory.
強誘電体層として、金属酸化物を用いることができる。金属酸化物として、例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ハフニウムジルコニウム酸化物等が挙げられる。ここで、強誘電体層として金属酸化物を用いる場合、強誘電体層中の酸素が脱離すると、強誘電体メモリへのデータの書き換えを繰り返し行った際に、残留分極が小さくなる場合がある。また、強誘電体メモリへのデータの書き換えを繰り返し行った際に、強誘電体キャパシタの耐圧が低下する場合がある。以上により、強誘電体層中の酸素が脱離すると、強誘電体メモリの信頼性が低下する場合がある。 A metal oxide can be used for the ferroelectric layer. Examples of metal oxides include hafnium oxide, zirconium oxide, and hafnium zirconium oxide. When a metal oxide is used for the ferroelectric layer, if oxygen is released from the ferroelectric layer, the remanent polarization may decrease when data is repeatedly rewritten to the ferroelectric memory. Furthermore, if data is repeatedly rewritten to the ferroelectric memory, the withstand voltage of the ferroelectric capacitor may decrease. For these reasons, if oxygen is released from the ferroelectric layer, the reliability of the ferroelectric memory may decrease.
そこで、本発明の一態様では、第1の電極を形成し、第1の電極に対して酸化処理を行って酸化物領域を形成した後、酸化物領域と接するように強誘電体層を形成する。これにより、第1の電極に酸化物領域を形成せずに強誘電体層を形成する場合と比較して、強誘電体層中の酸素が第1の電極に吸収されることを抑制できる。よって、強誘電体層中の酸素が脱離し、強誘電体メモリの信頼性が低下することを抑制できる。以上により、本発明の一態様では、信頼性の高い半導体装置を実現できる。ここで、酸化処理として、例えば酸素を含む絶縁層を形成した後、当該絶縁層を除去する方法が挙げられる。 Therefore, in one aspect of the present invention, a first electrode is formed, an oxidation treatment is performed on the first electrode to form an oxide region, and then a ferroelectric layer is formed in contact with the oxide region. This makes it possible to suppress absorption of oxygen in the ferroelectric layer by the first electrode compared to when a ferroelectric layer is formed without forming an oxide region on the first electrode. This prevents oxygen from being desorbed from the ferroelectric layer, which would otherwise reduce the reliability of the ferroelectric memory. As a result, one aspect of the present invention can achieve a highly reliable semiconductor device. Here, an example of the oxidation treatment is a method in which an insulating layer containing oxygen is formed and then the insulating layer is removed.
また、本発明の一態様では、強誘電体キャパシタをトレンチ型の容量とする。本明細書等において、トレンチ型の容量とは、層間絶縁層が有する開口部の内部に位置する領域を有するように、第1の電極と、第1の電極上の誘電体層と、誘電体層上の第2の電極と、が設けられている容量を示す。トレンチ型容量は、例えば平行平板型の容量と比較して、占有面積当たりの静電容量を大きくできる。これにより、静電容量を確保しつつ、容量の占有面積を小さくできる。よって、半導体装置の微細化、又は高集積化を実現できる。 In one embodiment of the present invention, the ferroelectric capacitor is a trench-type capacitor. In this specification, a trench-type capacitor refers to a capacitor in which a first electrode, a dielectric layer on the first electrode, and a second electrode on the dielectric layer are provided so as to have a region located inside an opening in an interlayer insulating layer. A trench-type capacitor can increase the capacitance per occupied area compared to, for example, a parallel-plate type capacitor. This allows the occupied area of the capacitor to be reduced while maintaining the capacitance. This makes it possible to achieve miniaturization or high integration of semiconductor devices.
本発明の一態様では、第1の電極は、層間絶縁層の開口部における側面に沿って設けられている。第1の電極の形成では、まず、開口部を覆うように導電膜を形成する。続いて、導電膜上にフォトレジストを塗布し、フォトレジストの全面に対して異方性エッチングを行うことにより、開口部の内部にレジストマスクを形成する。その後、導電膜を加工することにより、第1の電極を形成できる。このような方法で第1の電極を形成する場合、第1の電極の上端面の基準面からの高さが、層間絶縁層の上面の基準面からの高さより低くなるように、第1の電極を形成できる。基準面は、例えば基板の上面とすることができる。なお、レジストマスクは、第1の電極の形成後に除去する。 In one aspect of the present invention, the first electrode is provided along the side of an opening in the interlayer insulating layer. To form the first electrode, a conductive film is first formed to cover the opening. Next, photoresist is applied to the conductive film, and anisotropic etching is performed on the entire surface of the photoresist to form a resist mask inside the opening. The conductive film is then processed to form the first electrode. When forming the first electrode using this method, the first electrode can be formed so that the height of the top surface of the first electrode from a reference plane is lower than the height of the top surface of the interlayer insulating layer from the reference plane. The reference plane can be, for example, the top surface of the substrate. The resist mask is removed after the first electrode is formed.
また、上述の方法で第1の電極を形成することにより、第1の電極の上端面における、基板の上面に対する角度を、0°より大きくできる。すなわち、第1の電極の上端面が、テーパ形状を有する。これにより、第1の電極の上端面近傍において、強誘電体層に電界集中が生じることを抑制できる。よって、強誘電体層の絶縁破壊を防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 Furthermore, by forming the first electrode using the above-described method, the angle of the top surface of the first electrode relative to the top surface of the substrate can be made greater than 0°. In other words, the top surface of the first electrode has a tapered shape. This prevents electric field concentration in the ferroelectric layer near the top surface of the first electrode. This prevents dielectric breakdown in the ferroelectric layer, resulting in a highly reliable semiconductor device.
<半導体装置の構成例1>
図1A、及び図1Bは、本発明の一態様の半導体装置の構成例を示す斜視図である。図1A、及び図1Bでは、容量100の構成例を示している。図1Bでは、図1Aから一部の構成を省略した断面構成例を示している。
<Configuration Example 1 of Semiconductor Device>
1A and 1B are perspective views illustrating a structural example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, each illustrating a structural example of a capacitor 100. FIG. 1B illustrates a cross-sectional structural example in which a portion of the structure in FIG. 1A is omitted.
図2A、及び図2Bは、本発明の一態様の半導体装置の構成例を示す平面図である。図2Aでは、容量100の構成例を示している。図2Bでは、図2Aから一部の要素を省略している。 FIGS. 2A and 2B are plan views showing an example configuration of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. FIG. 2A shows an example configuration of a capacitor 100. Some elements of FIG. 2A are omitted in FIG. 2B.
図3Aは、図2A、及び図2Bに示す一点鎖線A1−A2間の断面図である。図3Bは、図2A、及び図2Bに示す一点鎖線B1−B2間の断面図である。図3Cは、図3Aに示す一点鎖線C1−C2間の断面図である。図3A乃至図3Cでは、容量100の構成例を示している。なお、図3Cは平面図ともいい、具体的には一点鎖線C1−C2間の断面構成例を示す平面図ということができる。図4Aは、図3Aに示す容量100の拡大図である。 Figure 3A is a cross-sectional view taken along dashed lines A1-A2 in Figures 2A and 2B. Figure 3B is a cross-sectional view taken along dashed lines B1-B2 in Figures 2A and 2B. Figure 3C is a cross-sectional view taken along dashed lines C1-C2 in Figure 3A. Figures 3A to 3C show an example configuration of capacitor 100. Note that Figure 3C is also referred to as a plan view, and more specifically, can be said to be a plan view showing an example cross-sectional configuration taken along dashed lines C1-C2. Figure 4A is an enlarged view of capacitor 100 shown in Figure 3A.
図1A乃至図4Aでは、X方向、Y方向、及びZ方向を矢印で示している。なお、図1A乃至図4Aでは、必ずしもこれらの間で方向が一致しなくてもよい。以降の図面においても、各図面間でX方向、Y方向、及びZ方向が一致しなくてもよい。 In Figures 1A to 4A, the X, Y, and Z directions are indicated by arrows. Note that the directions do not necessarily have to match between Figures 1A to 4A. In subsequent figures, the X, Y, and Z directions do not necessarily have to match between the figures.
図1A乃至図4Aに示す半導体装置は、基板(図示しない)上の絶縁層140と、絶縁層140上の導電層110と、導電層110上の容量100と、導電層110上、及び絶縁層140上の絶縁層180と、を有する。ここで、絶縁層140、及び絶縁層180は、層間絶縁層として機能し、上面が平坦であることが好ましい。また、絶縁層140は、下地絶縁層として機能することができる。 The semiconductor device shown in Figures 1A to 4A has an insulating layer 140 on a substrate (not shown), a conductive layer 110 on the insulating layer 140, a capacitor 100 on the conductive layer 110, and an insulating layer 180 on the conductive layer 110 and on the insulating layer 140. Here, the insulating layer 140 and the insulating layer 180 function as interlayer insulating layers and preferably have flat upper surfaces. Furthermore, the insulating layer 140 can function as a base insulating layer.
絶縁層140、及び絶縁層180には、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、及び窒化シリコンの少なくとも1つを用いることができる。導電層110には、タングステン、銅、アルミニウム等、導電性が高い材料を用いることが好ましい。 The insulating layer 140 and the insulating layer 180 can be made of, for example, at least one of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, and silicon nitride. The conductive layer 110 is preferably made of a highly conductive material such as tungsten, copper, or aluminum.
容量100は、導電層110上の導電層115と、導電層115上、及び絶縁層180上の強誘電体層130と、強誘電体層130上の導電層120と、を有する。なお、図2Bでは、図2Aから導電層120、強誘電体層130、及び絶縁層180を省略している。 Capacitor 100 has a conductive layer 115 on conductive layer 110, a ferroelectric layer 130 on conductive layer 115 and on insulating layer 180, and a conductive layer 120 on ferroelectric layer 130. Note that in Figure 2B, the conductive layer 120, ferroelectric layer 130, and insulating layer 180 are omitted from Figure 2A.
導電層115は、容量100の一対の電極の一方として機能する領域を有する。導電層120は、容量100の一対の電極の他方として機能する領域を有する。容量100では、導電層115と導電層120の間に強誘電体層130が挟まれている。よって、容量100は、MIM容量を構成している。ここで、容量100は、誘電体層として強誘電体層を有することから、強誘電体キャパシタである。なお、導電層115は、容量100の下部電極ともいう。また、導電層120は、容量100の上部電極ともいう。 Conductive layer 115 has a region that functions as one of the pair of electrodes of capacitor 100. Conductive layer 120 has a region that functions as the other of the pair of electrodes of capacitor 100. In capacitor 100, ferroelectric layer 130 is sandwiched between conductive layer 115 and conductive layer 120. Therefore, capacitor 100 constitutes an MIM capacitor. Here, capacitor 100 is a ferroelectric capacitor because it has a ferroelectric layer as its dielectric layer. Note that conductive layer 115 is also referred to as the lower electrode of capacitor 100. Also, conductive layer 120 is also referred to as the upper electrode of capacitor 100.
図1A乃至図4Aでは、導電層110、及び導電層120が、帯状に設けられている例を示している。なお、本明細書等において、帯状とは、ある方向(例えば、X方向、Y方向、又はZ方向)に延在する領域を有する形状を示す。図1A乃至図4Aでは、導電層110がY方向に延在し、導電層120がX方向に延在する例を示している。 Figures 1A to 4A show an example in which conductive layer 110 and conductive layer 120 are arranged in a strip shape. Note that in this specification, strip shape refers to a shape having an area extending in a certain direction (e.g., the X direction, Y direction, or Z direction). Figures 1A to 4A show an example in which conductive layer 110 extends in the Y direction and conductive layer 120 extends in the X direction.
図1A乃至図4Aに示すように、絶縁層180には、導電層110に達する開口部190が設けられている。容量100が有する導電層115、強誘電体層130、及び導電層120は、開口部190の内部に設けられている。よって、容量100は、トレンチ型の容量である。したがって、容量100を例えば平行平板型の容量とする場合と比較して、占有面積当たりの静電容量を大きくできる。これにより、容量100の静電容量を確保しつつ、容量100の占有面積を小さくできる。よって、半導体装置の微細化、又は高集積化を実現できる。なお、平面図では、開口部190の形状として、開口部190の底面の形状を示す。 As shown in Figures 1A to 4A, an opening 190 is provided in the insulating layer 180, reaching the conductive layer 110. The conductive layer 115, ferroelectric layer 130, and conductive layer 120 of the capacitor 100 are provided inside the opening 190. Therefore, the capacitor 100 is a trench-type capacitor. This allows for a larger capacitance per occupied area compared to when the capacitor 100 is, for example, a parallel-plate capacitor. This allows for a smaller occupied area of the capacitor 100 while maintaining the capacitance of the capacitor 100. This allows for miniaturization or higher integration of semiconductor devices. Note that in the plan view, the shape of the bottom of the opening 190 is shown as the shape of the opening 190.
絶縁層180の膜厚を厚くするほど、容量100における、占有面積当たりの静電容量を大きくできる。一方、絶縁層180の膜厚を厚くしすぎると、半導体装置の生産性が低下する。導電層110と重なる領域における絶縁層180の膜厚は、例えば、30nm以上3000nm以下とすることが好ましく、50nm以上1000nm以下とすることがより好ましく、100nm以上800nm以下とすることがより好ましく、200nm以上700nm以下とすることがより好ましく、300nm以上600nm以下とすることがさらに好ましく、代表的には400nmとすることができる。 The thicker the insulating layer 180, the greater the capacitance per occupied area in the capacitor 100. On the other hand, if the insulating layer 180 is made too thick, the productivity of the semiconductor device decreases. The thickness of the insulating layer 180 in the region overlapping with the conductive layer 110 is, for example, preferably 30 nm to 3000 nm, more preferably 50 nm to 1000 nm, even more preferably 100 nm to 800 nm, still more preferably 200 nm to 700 nm, and even more preferably 300 nm to 600 nm, and is typically 400 nm.
図2A、図2B、及び図3Cでは、開口部190の平面視における形状が、円形である例を示している。開口部190の平面視における形状を円形とすることにより、開口部190を形成する際の加工精度を高めることができる。よって、微細なサイズの開口部190を形成できる。なお、本発明はこれに限られるものではない。平面視において、開口部190は、例えば、円形若しくは楕円形等の略円形、三角形、四角形(長方形、菱形、正方形を含む)、五角形、若しくは星形多角形等の多角形、又はこれら多角形の角が丸い形状とすることができる。なお、円形は真円に限定されない。また、多角形としては、凹多角形(少なくとも1つの内角が180度を超える多角形)及び凸多角形(全ての内角が180度以下である多角形)のどちらであってもよい。 2A, 2B, and 3C show an example in which the shape of the opening 190 in plan view is circular. By making the shape of the opening 190 in plan view circular, the processing accuracy when forming the opening 190 can be improved. Therefore, the opening 190 can be formed in a fine size. However, the present invention is not limited to this. In plan view, the opening 190 can be, for example, a circle or an approximately circle such as an ellipse, a polygon such as a triangle, a quadrangle (including a rectangle, a diamond, and a square), a pentagon, or a star-shaped polygon, or a polygon with rounded corners. Note that the circle is not limited to a perfect circle. Furthermore, the polygon may be either a concave polygon (a polygon with at least one interior angle exceeding 180 degrees) or a convex polygon (a polygon with all interior angles less than 180 degrees).
図1A、図1B、図3A、図3B、及び図4Aでは、絶縁層180の開口部190における側面が、導電層110の上面に対して垂直である例を示す。このとき、開口部190は円筒形状を有する。このような構成にすることで、半導体装置の微細化、又は高集積化を実現できる。 Figures 1A, 1B, 3A, 3B, and 4A show an example in which the side surface of the opening 190 in the insulating layer 180 is perpendicular to the top surface of the conductive layer 110. In this case, the opening 190 has a cylindrical shape. This configuration makes it possible to miniaturize or increase the integration density of semiconductor devices.
導電層115は、絶縁層180の開口部190における側面に沿って設けられている。また、導電層115は、導電層110と接する領域を有する。ここで、図1B、図3A、図3B、及び図4Aでは、導電層110が、開口部190と重なる位置に凹部を有する例を示している。この場合、開口部190の底部は、導電層110の凹部の底面を含む。また、開口部190の側壁は、導電層110の凹部の側面、及び絶縁層180の側面を含む。 The conductive layer 115 is provided along the side surface of the opening 190 in the insulating layer 180. The conductive layer 115 also has a region in contact with the conductive layer 110. Here, Figures 1B, 3A, 3B, and 4A show an example in which the conductive layer 110 has a recess at a position overlapping the opening 190. In this case, the bottom of the opening 190 includes the bottom surface of the recess in the conductive layer 110. The sidewall of the opening 190 also includes the side surface of the recess in the conductive layer 110 and the side surface of the insulating layer 180.
本明細書等において、開口部の側壁とは、該開口部が形成されている層の、該開口部の内部における側面を示す。また、開口部がAに達する場合、Aの上面を開口部の底部ということができる。 In this specification, the sidewall of an opening refers to the side surface of the layer in which the opening is formed, within the opening. Also, if the opening reaches A, the top surface of A can be referred to as the bottom of the opening.
導電層110が開口部190と重なる位置に凹部を有することで、当該凹部を有さない場合に比べて、導電層110と導電層115の接触面積を大きくできる。よって、導電層110と導電層115の間のコンタクト抵抗を小さくできる。 By having a recess in the conductive layer 110 at a position overlapping the opening 190, the contact area between the conductive layer 110 and the conductive layer 115 can be increased compared to when the recess is not present. This reduces the contact resistance between the conductive layer 110 and the conductive layer 115.
導電層115の膜厚が厚すぎると、導電層120が開口部190の内部に設けられなくなる。又は、開口部190の内部における導電層120の体積が小さくなる。一方、導電層115の膜厚が薄すぎると、導電層115の電気抵抗が大きくなる。導電層115の膜厚は、例えば、1nm以上30nm以下が好ましく、2nm以上20nm以下がより好ましく、3nm以上10nm以下がさらに好ましく、代表的には5nmとすることができる。 If the thickness of the conductive layer 115 is too thick, the conductive layer 120 will not be able to be provided inside the opening 190. Alternatively, the volume of the conductive layer 120 inside the opening 190 will be small. On the other hand, if the thickness of the conductive layer 115 is too thin, the electrical resistance of the conductive layer 115 will be high. The thickness of the conductive layer 115 is preferably, for example, 1 nm to 30 nm, more preferably 2 nm to 20 nm, and even more preferably 3 nm to 10 nm, and can be typically 5 nm.
強誘電体層130は、開口部190の内部において導電層115と接する領域を有するように、導電層115上、及び絶縁層180上に設けられている。強誘電体層130は、導電層115を覆うように設けられている。強誘電体層130は、開口部190の内部において、導電層115の側面及び上面に沿って設けられている。なお、強誘電体層130の上面、及び導電層115と反対側の側面は、導電層120と接することができる。 The ferroelectric layer 130 is provided on the conductive layer 115 and on the insulating layer 180 so as to have an area in contact with the conductive layer 115 inside the opening 190. The ferroelectric layer 130 is provided so as to cover the conductive layer 115. The ferroelectric layer 130 is provided along the side and top surfaces of the conductive layer 115 inside the opening 190. The top surface of the ferroelectric layer 130 and the side surface opposite the conductive layer 115 can be in contact with the conductive layer 120.
強誘電体層130に用いることができる強誘電体としては、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ハフニウムジルコニウム酸化物等の金属酸化物が挙げられる。また、強誘電体としては、酸化ハフニウムに元素J1(ここでの元素J1は、ジルコニウム、シリコン、アルミニウム、ガドリニウム、イットリウム、ランタン、ストロンチウム等から選ばれた一つ又は複数)を添加した材料が挙げられる。ここで、ハフニウムの原子数と元素J1の原子数の比は適宜設定することができ、例えば、ハフニウムの原子数と元素J1の原子数の比を1:1又はその近傍にすることができる。また、強誘電体としては、酸化ジルコニウムに元素J2(ここでの元素J2は、ハフニウム、シリコン、アルミニウム、ガドリニウム、イットリウム、ランタン、ストロンチウム等から選ばれた一つ又は複数)を添加した材料、等が挙げられる。また、ジルコニウムの原子数と元素J2の原子数の比は適宜設定することができ、例えば、ジルコニウムの原子数と元素J2の原子数の比を1:1又はその近傍にすることができる。また、強誘電体として、チタン酸鉛(PbTiOX(Xは0よりも大きい実数))、チタン酸バリウムストロンチウム(BST)、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム(SBT)、ビスマスフェライト(BFO)、又はチタン酸バリウム等のペロブスカイト構造を有する圧電性セラミックスを用いてもよい。また、強誘電体として、κアルミナ型構造のGaFeO3等が挙げられる。 Ferroelectric materials that can be used for the ferroelectric layer 130 include metal oxides such as hafnium oxide, zirconium oxide, and hafnium zirconium oxide. Ferroelectric materials include materials in which element J1 (here, element J1 is one or more selected from zirconium, silicon, aluminum, gadolinium, yttrium, lanthanum, strontium, etc.) is added to hafnium oxide. The ratio of the number of hafnium atoms to the number of element J1 can be set appropriately. For example, the ratio of the number of hafnium atoms to the number of element J1 can be set to 1:1 or close thereto. Ferroelectric materials include materials in which element J2 (here, element J2 is one or more selected from hafnium, silicon, aluminum, gadolinium, yttrium, lanthanum, strontium, etc.) is added to zirconium oxide. The ratio of the number of zirconium atoms to the number of element J2 can be set appropriately. For example, the ratio of the number of zirconium atoms to the number of element J2 can be set to 1:1 or close thereto. In addition, as the ferroelectric, piezoelectric ceramics having a perovskite structure such as lead titanate (PbTiO x (X is a real number greater than 0)), barium strontium titanate (BST), strontium titanate, lead zirconate titanate (PZT), strontium bismuth tantalate (SBT), bismuth ferrite (BFO), or barium titanate may be used. In addition, as the ferroelectric, GaFeO 3 with a κ-alumina structure may be used.
なお、上記の説明においては、金属酸化物について例示したがこれに限定されない。例えば、上記の金属酸化物に窒素が添加された金属酸窒化物を用いてもよい。例えば、強誘電体として、SrTaO2N、BaTaO2N等のペロブスカイト型酸窒化物が挙げられる。 In the above description, metal oxides are used as examples, but the present invention is not limited to these. For example, metal oxynitrides obtained by adding nitrogen to the above metal oxides may be used. For example, perovskite-type oxynitrides such as SrTaO 2 N and BaTaO 2 N may be used as ferroelectrics.
また、強誘電体としては、例えば、上記に列挙した材料から選ばれた複数の材料からなる混合物又は化合物を用いることができる。例えば、強誘電体は上記に列挙した材料から選ばれた複数の材料からなる積層構造としてもよい。ところで、上記に列挙した材料等は、成膜条件だけでなく、各種プロセス等によっても結晶構造(特性)が変わり得る可能性がある。このため、本明細書等では強誘電性を発現する材料のみを強誘電体と記すだけでなく、強誘電性を有しうる材料を含めて強誘電体と記載している。 Furthermore, the ferroelectric may be, for example, a mixture or compound made of multiple materials selected from the materials listed above. For example, the ferroelectric may have a layered structure made of multiple materials selected from the materials listed above. However, the crystal structure (characteristics) of the materials listed above may change not only depending on the film formation conditions but also on various processes. For this reason, in this specification, the term ferroelectric is used to refer not only to materials that exhibit ferroelectricity, but also to materials that can have ferroelectricity.
ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を含む金属酸化物は、数nmといった薄膜であっても強誘電性を発現することができる。また、ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を含む金属酸化物は、微小な面積でも強誘電性を発現することができる。したがって、ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を含む金属酸化物を用いることで、半導体装置の微細化を図ることができる。ハフニウム及びジルコニウムを含む金属酸化物としては、代表的には、HfZrOXが挙げられる。また、HfZrOXにY(イットリウム)を添加した金属酸化物を用いることもできる。HfZrOXにY(イットリウム)を添加することで、強誘電性を高めることができる。 Metal oxides containing hafnium and/or zirconium can exhibit ferroelectricity even in thin films of a few nanometers. Furthermore, metal oxides containing hafnium and/or zirconium can exhibit ferroelectricity even in very small areas. Therefore, by using metal oxides containing hafnium and/or zirconium, miniaturization of semiconductor devices can be achieved. A representative example of a metal oxide containing hafnium and zirconium is HfZrO X. Furthermore, a metal oxide in which Y (yttrium) is added to HfZrO X can also be used. Adding Y (yttrium) to HfZrO X can enhance ferroelectricity.
なお、強誘電性は、外部電場により強誘電体層に含まれる結晶の酸素又は窒素が変位することで、発現するとされている。また、強誘電性の発現は、強誘電体層に含まれる結晶の結晶構造に依存すると推定される。よって、絶縁層が強誘電性を発現するには、絶縁層は結晶を含む必要がある。特に絶縁層は、直方晶系の結晶構造を有する結晶を含むと、強誘電性が発現するため好ましい。なお、絶縁層に含まれる結晶の結晶構造としては、正方晶系、直方晶系、単斜晶系及び六方晶系の中から選ばれるいずれか一又は複数であってもよい。また、絶縁層は、アモルファス構造を有していてもよい。このとき、絶縁層は、アモルファス構造と、結晶構造とを有する複合構造としてもよい。 Ferroelectricity is believed to be manifested when an external electric field displaces oxygen or nitrogen in crystals contained in the ferroelectric layer. It is also believed that the manifestation of ferroelectricity depends on the crystalline structure of the crystals contained in the ferroelectric layer. Therefore, for an insulating layer to manifest ferroelectricity, the insulating layer must contain crystals. It is particularly preferable for an insulating layer to contain crystals with an orthorhombic crystalline structure, as this will manifest ferroelectricity. The crystalline structure of the crystals contained in the insulating layer may be one or more selected from the group consisting of tetragonal, orthorhombic, monoclinic, and hexagonal. The insulating layer may also have an amorphous structure. In this case, the insulating layer may have a composite structure having both an amorphous structure and a crystalline structure.
また、ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を有する酸化物に、元素周期表における第3族元素を添加することで、当該酸化物中の酸素欠損濃度が高まり、直方晶系の結晶構造を有する結晶が形成されやすくなる。これにより、直方晶系の結晶構造を有する結晶の存在割合が高くなり、残留分極を大きくすることができるため、好ましい。一方で、第3族元素の添加量が多すぎると、当該酸化物の結晶性が低下し、強誘電性が発現しにくくなる恐れがある。したがって、ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を有する酸化物における第3族元素の含有率は、0.1atomic%以上10atomic%以下が好ましく、0.1atomic%以上5atomic%以下がより好ましく、0.1atomic%以上3atomic%以下がさらに好ましい。ここで、第3族元素の含有率とは、層に含有される全ての金属元素の原子数の和における、第3族元素の原子数の割合を指す。第3族元素としては、スカンジウム、ランタン、及びイットリウムから選ばれる一又は複数であることが好ましく、ランタン及びイットリウムの一方又は両方であることがより好ましい。 Furthermore, adding a Group 3 element in the periodic table to an oxide containing one or both of hafnium and zirconium increases the concentration of oxygen vacancies in the oxide, making it easier to form crystals with an orthorhombic crystal structure. This is preferable because it increases the proportion of crystals with an orthorhombic crystal structure and increases remanent polarization. On the other hand, adding too much of the Group 3 element may reduce the crystallinity of the oxide, making it difficult to exhibit ferroelectricity. Therefore, the content of the Group 3 element in an oxide containing one or both of hafnium and zirconium is preferably 0.1 atomic% to 10 atomic%, more preferably 0.1 atomic% to 5 atomic%, and even more preferably 0.1 atomic% to 3 atomic%. Here, the content of the Group 3 element refers to the ratio of the number of atoms of the Group 3 element to the sum of the number of atoms of all metal elements contained in the layer. The Group 3 element is preferably one or more selected from scandium, lanthanum, and yttrium, and more preferably one or both of lanthanum and yttrium.
ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を含む金属酸化物は、前述のように数nmといった薄膜であっても強誘電性を有しうることができるため、強誘電体層として好ましい。強誘電体層130の膜厚は、0.1nm以上30nm以下が好ましく、1nm以上20nm以下がより好ましく、5nm以上15nm以上がさらに好ましく、代表的には10nmとすることができる。 Metal oxides containing one or both of hafnium and zirconium are preferred as ferroelectric layers because, as mentioned above, they can exhibit ferroelectricity even in thin films of only a few nanometers. The film thickness of the ferroelectric layer 130 is preferably 0.1 nm to 30 nm, more preferably 1 nm to 20 nm, and even more preferably 5 nm to 15 nm, and is typically 10 nm.
また、ハフニウム及びジルコニウムの一方又は両方を含む金属酸化物は、微小な面積でも強誘電性を有しうることができるため、強誘電体層を有する材料として好ましい。例えば、強誘電体層の平面視における面積(占有面積)が、100μm2以下、10μm2以下、1μm2以下、又は0.1μm2以下であっても、強誘電性を有することができる。また、10000nm2以下、又は1000nm2以下であっても、強誘電性を有する場合がある。面積が小さい強誘電体層とすることで、容量100の占有面積を小さくすることができる。 Furthermore, metal oxides containing one or both of hafnium and zirconium can exhibit ferroelectricity even in a small area, making them preferable materials for forming ferroelectric layers. For example, ferroelectricity can be achieved even when the area (occupied area) of the ferroelectric layer in a plan view is 100 μm 2 or less, 10 μm 2 or less, 1 μm 2 or less, or 0.1 μm 2 or less. Ferroelectricity can also be achieved even when the area is 10,000 nm 2 or less, or 1,000 nm 2 or less. By using a ferroelectric layer with a small area, the occupied area of the capacitor 100 can be reduced.
ここで、強誘電体層130として金属酸化物、又は金属酸窒化物を用いる場合、強誘電体層130に含まれる酸素が脱離すると、容量100を含む強誘電体メモリへのデータの書き換えを繰り返し行った際に、残留分極が小さくなる場合がある。また、容量100を含む強誘電体メモリへのデータの書き換えを繰り返し行った際に、容量100の耐圧が低下する場合がある。よって、強誘電体層130中の酸素が脱離すると、強誘電体メモリの信頼性が低下する場合がある。 Here, when a metal oxide or metal oxynitride is used as the ferroelectric layer 130, if oxygen contained in the ferroelectric layer 130 is desorbed, the remanent polarization may decrease when data is repeatedly rewritten to a ferroelectric memory including the capacitor 100. Furthermore, if data is repeatedly rewritten to a ferroelectric memory including the capacitor 100, the breakdown voltage of the capacitor 100 may decrease. Therefore, if oxygen is desorbed from the ferroelectric layer 130, the reliability of the ferroelectric memory may decrease.
そこで、本発明の一態様では、導電層115が酸化物領域115oxを有する構成とする。酸化物領域115oxは、強誘電体層130と接する領域を含む。例えば、導電層115の強誘電体層130と接する領域、及びその近傍の領域を、酸化物領域115oxとする。例えば、導電層115の形成後、且つ、強誘電体層130の形成前に、導電層115に対して酸化処理を行うことにより、酸化物領域115oxを形成する。酸化物領域115oxにおける酸素の含有率は、例えば導電層120の強誘電体層130と接する領域における酸素の含有率より高い。 Therefore, in one embodiment of the present invention, the conductive layer 115 has an oxide region 115ox. The oxide region 115ox includes a region in contact with the ferroelectric layer 130. For example, the region of the conductive layer 115 in contact with the ferroelectric layer 130 and the region nearby are defined as the oxide region 115ox. For example, after forming the conductive layer 115 and before forming the ferroelectric layer 130, the conductive layer 115 is subjected to an oxidation treatment to form the oxide region 115ox. The oxygen content in the oxide region 115ox is higher than the oxygen content in the region of the conductive layer 120 in contact with the ferroelectric layer 130, for example.
以上により、導電層115に酸化物領域115oxを形成せずに強誘電体層130を形成する場合と比較して、強誘電体層130に含まれる酸素が導電層115に吸収されることを抑制できる。よって、強誘電体層130中の酸素が脱離し、強誘電体メモリの信頼性が低下することを抑制できる。以上により、本発明の一態様では、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 As a result, compared to when the ferroelectric layer 130 is formed without forming the oxide region 115ox in the conductive layer 115, it is possible to prevent oxygen contained in the ferroelectric layer 130 from being absorbed by the conductive layer 115. This prevents oxygen from being released from the ferroelectric layer 130, which would otherwise cause a decrease in the reliability of the ferroelectric memory. As a result, one aspect of the present invention makes it possible to realize a highly reliable semiconductor device.
本明細書等において、酸化物領域115oxは導電層115に含まれる、つまり酸化物領域115oxは導電層115の一部とすることができる。なお、酸化物領域115oxを導電層115に含めないとしてもよい。 In this specification, the oxide region 115ox is included in the conductive layer 115, that is, the oxide region 115ox can be part of the conductive layer 115. Note that the oxide region 115ox does not necessarily have to be included in the conductive layer 115.
導電層115として、酸化されても電気抵抗が低く保たれる導電性材料を用いることが好ましい。これにより、酸化物領域115oxの電気抵抗を低く保つことができる。よって、酸化物領域115oxの形成に起因する導電層115の電気抵抗上昇を抑制できる。したがって、導電層115に酸化物領域115oxを形成する場合であっても、高速に駆動する半導体装置を実現できる。導電層115には、例えば、窒素を含む導電性材料を用いることが好ましい。導電層115には、例えば窒化チタン、窒化タンタル、窒化ルテニウム、モリブデンを含む窒化物、タングステンとチタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物等を用いることができる。 For the conductive layer 115, it is preferable to use a conductive material that maintains low electrical resistance even when oxidized. This allows the electrical resistance of the oxide region 115ox to be maintained low. Therefore, an increase in the electrical resistance of the conductive layer 115 due to the formation of the oxide region 115ox can be suppressed. Therefore, even when the oxide region 115ox is formed in the conductive layer 115, a semiconductor device that operates at high speed can be realized. For example, a conductive material containing nitrogen is preferably used for the conductive layer 115. For example, titanium nitride, tantalum nitride, ruthenium nitride, nitrides containing molybdenum, nitrides containing tungsten, titanium, and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, etc. can be used for the conductive layer 115.
酸化物領域115oxは、導電層115に含まれる元素、例えば金属元素の酸化物を含むことができる。また、導電層115に窒素が含まれる場合、酸化物領域115oxは、導電層115に含まれる元素、例えば金属元素の酸窒化物を含むことができる。例えば、導電層115として窒化チタンを用いる場合、酸化物領域115oxには酸化チタン、及び酸窒化チタンを含むことができる。 The oxide region 115ox can contain an oxide of an element contained in the conductive layer 115, for example, a metal element. Furthermore, if the conductive layer 115 contains nitrogen, the oxide region 115ox can contain an oxynitride of an element contained in the conductive layer 115, for example, a metal element. For example, if titanium nitride is used as the conductive layer 115, the oxide region 115ox can contain titanium oxide and titanium oxynitride.
酸化物領域115oxを形成するための酸化処理として、例えば酸素を含む絶縁層を形成した後、当該絶縁層を除去する方法が挙げられる。酸素を含む絶縁層として、例えば酸化シリコンを用いることができる。 An example of an oxidation process for forming the oxide region 115ox is to form an insulating layer containing oxygen and then remove the insulating layer. The insulating layer containing oxygen can be made of silicon oxide, for example.
図4Bは、図4Aに示す導電層115の全体が、酸化物領域115oxとなっている例を示す図である。導電層115の膜厚が薄い場合、上述の酸化処理により、導電層115の全体が酸化物領域115oxとなる場合がある。この場合であっても、酸化されても電気抵抗が低く保たれる導電性材料を導電層115に用いることにより、導電層115を容量100の一対の電極の一方として機能させることができる。 Figure 4B shows an example in which the entire conductive layer 115 shown in Figure 4A is an oxide region 115ox. If the conductive layer 115 is thin, the above-mentioned oxidation treatment may cause the entire conductive layer 115 to become the oxide region 115ox. Even in this case, by using a conductive material for the conductive layer 115 that maintains low electrical resistance even after oxidization, the conductive layer 115 can function as one of a pair of electrodes of the capacitor 100.
図4A、及び図4Bに示すように、導電層115の上端面103は、絶縁層180の上面105より、基準面からの高さが低い位置に設けることができる。基準面は、例えば基板の上面、又は絶縁層140の上面とすることができる。また、上端面103の基準面に対する角度θは、0°より大きくできる。すなわち、上端面103は、テーパ形状を有することができる。具体的には、上端面103における絶縁層180と反対側(開口部190の中心側)の端部の基準面からの高さを、上端面103における絶縁層180側の端部の基準面からの高さより低くすることができる。ここで、上端面103は、導電層115の上面、具体的には導電層115の最上部(基準面からの高さが最も高い部分)を含む上面と言い換えることができる。 4A and 4B, the upper end surface 103 of the conductive layer 115 can be located at a lower height from the reference plane than the upper surface 105 of the insulating layer 180. The reference plane can be, for example, the upper surface of the substrate or the upper surface of the insulating layer 140. The angle θ of the upper end surface 103 relative to the reference plane can be greater than 0°. That is, the upper end surface 103 can have a tapered shape. Specifically, the height from the reference plane of the end of the upper end surface 103 opposite the insulating layer 180 (toward the center of the opening 190) can be lower than the height from the reference plane of the end of the upper end surface 103 on the insulating layer 180 side. Here, the upper end surface 103 can be rephrased as the upper surface of the conductive layer 115, specifically the upper surface including the top part of the conductive layer 115 (the part with the highest height from the reference plane).
以上により、上端面103の近傍において、強誘電体層130に電界集中が生じることを抑制できる。これにより、強誘電体層130の絶縁破壊を防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 As a result, electric field concentration in the ferroelectric layer 130 near the upper end surface 103 can be suppressed. This prevents dielectric breakdown in the ferroelectric layer 130, resulting in a highly reliable semiconductor device.
ここで、角度θが大きいほど、上端面103の近傍における強誘電体層130への電界集中を好適に抑制できる。一方、角度θが大きすぎると、導電層115を作製しにくくなる。以上を踏まえ、角度θは、5°より大きく85°未満とすることが好ましく、10°以上80°以下とすることがより好ましく、15度以上70°以下とすることがより好ましく、20°以上60°以下とすることがさらに好ましい。 Here, the larger the angle θ, the more effectively electric field concentration in the ferroelectric layer 130 near the upper end surface 103 can be suppressed. On the other hand, if the angle θ is too large, it becomes difficult to fabricate the conductive layer 115. In light of the above, the angle θ is preferably greater than 5° and less than 85°, more preferably 10° to 80°, even more preferably 15° to 70°, and even more preferably 20° to 60°.
なお、図4A、及び図4Bでは、絶縁層180の上面105と、開口部190における側面と、の間の領域102が、湾曲部を有する例を示している。領域102が湾曲部を有することにより、強誘電体層130が、領域102を被覆性良く覆うことができる。これにより、例えば強誘電体層130の段切れを防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 Note that Figures 4A and 4B show an example in which the region 102 between the upper surface 105 of the insulating layer 180 and the side surface of the opening 190 has a curved portion. By having the curved portion in the region 102, the ferroelectric layer 130 can cover the region 102 with good coverage. This makes it possible to prevent, for example, discontinuities in the ferroelectric layer 130, thereby realizing a highly reliable semiconductor device.
また、図4A、及び図4Bでは、導電層110の凹部内において、導電層115の側面と底面の間の領域101が、湾曲部を有する例を示している。領域101が湾曲部を有することにより、領域101近傍において、強誘電体層130に電界集中が生じることを抑制できる。これにより、強誘電体層130の絶縁破壊を防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 Furthermore, Figures 4A and 4B show an example in which region 101 between the side and bottom surfaces of conductive layer 115 within the recess of conductive layer 110 has a curved portion. By having region 101 have a curved portion, it is possible to suppress electric field concentration in ferroelectric layer 130 near region 101. This makes it possible to prevent dielectric breakdown of ferroelectric layer 130, resulting in a highly reliable semiconductor device.
導電層120は、開口部190の内部において、強誘電体層130を挟んで導電層115と対向する領域を有するように、強誘電体層130上に設けられている。導電層120は、開口部190を埋めるように設けられている。なお、図1A乃至図3Bでは、強誘電体層130の上端部が、導電層120の下端部と一致又は略一致する例を示している。 The conductive layer 120 is provided on the ferroelectric layer 130 so as to have a region inside the opening 190 that faces the conductive layer 115 with the ferroelectric layer 130 sandwiched between them. The conductive layer 120 is provided so as to fill the opening 190. Note that Figures 1A to 3B show an example in which the upper end of the ferroelectric layer 130 coincides or approximately coincides with the lower end of the conductive layer 120.
図1A、図1B、図3A、図3B等では、導電層120が、導電層120_1と、導電層120_1上の導電層120_2と、の2層構造である例を示す。導電層120_1は、開口部190を埋めるように設けることができる。 In Figures 1A, 1B, 3A, 3B, etc., an example is shown in which the conductive layer 120 has a two-layer structure including a conductive layer 120_1 and a conductive layer 120_2 on the conductive layer 120_1. The conductive layer 120_1 can be provided so as to fill the opening 190.
開口部190を埋めるように導電層120_1を設ける場合、図3Cに示す断面において、導電層120_1を覆うように強誘電体層130を設け、強誘電体層130を覆うように導電層115を設けることができる。また、酸化物領域115oxは、例えば強誘電体層130の外周全体を覆うように設けることができる。例えば、絶縁層180が有する開口部190の平面視における形状を円形とする場合、当該円の中心に導電層120_1を設けることができる。また、導電層120_1の外周、強誘電体層130の外周、及び導電層115の外周は、開口部190の中心を中心とした同心円状とすることができる。 When the conductive layer 120_1 is provided to fill the opening 190, the ferroelectric layer 130 can be provided to cover the conductive layer 120_1, and the conductive layer 115 can be provided to cover the ferroelectric layer 130 in the cross section shown in FIG. 3C. Furthermore, the oxide region 115ox can be provided, for example, to cover the entire outer periphery of the ferroelectric layer 130. For example, if the opening 190 in the insulating layer 180 has a circular shape in a planar view, the conductive layer 120_1 can be provided at the center of the circle. Furthermore, the outer peripheries of the conductive layer 120_1, the ferroelectric layer 130, and the conductive layer 115 can be concentrically arranged around the center of the opening 190.
図3C、図4A、及び図4Bでは、絶縁層180における開口部190の幅Dを示している。幅Dは、具体的には、領域101と領域102の間の領域における開口部190の幅である。例えば、開口部190の平面視における形状を円形とする場合、幅Dは、当該円の直径に相当する。導電層120_1の膜厚を、導電層115の膜厚、強誘電体層130の膜厚、及び幅Dに対して厚くすることにより、開口部190を埋めるように導電層120_1を設けることができる。例えば、導電層115の膜厚を5nm、強誘電体層130の膜厚を10nm、幅Dを60nmとする場合、開口部190の外部における導電層120_1の膜厚を15nm以上とすることにより、開口部190を埋めるように導電層120_1を設けることができる。 3C, 4A, and 4B show the width D of the opening 190 in the insulating layer 180. Specifically, width D is the width of the opening 190 in the region between region 101 and region 102. For example, if the shape of the opening 190 in a planar view is circular, width D corresponds to the diameter of the circle. By making the film thickness of the conductive layer 120_1 thicker than the film thickness of the conductive layer 115, the film thickness of the ferroelectric layer 130, and width D, the conductive layer 120_1 can be provided to fill the opening 190. For example, if the film thickness of the conductive layer 115 is 5 nm, the film thickness of the ferroelectric layer 130 is 10 nm, and width D is 60 nm, the conductive layer 120_1 can be provided to fill the opening 190 by making the film thickness of the conductive layer 120_1 outside the opening 190 15 nm or more.
開口部190の外部における導電層120_1の膜厚は、例えば15nm以上100nm以下とすることが好ましく、20nm以上70nm以下とすることがより好ましく、25nm以上50nm以下とすることがさらに好ましく、代表的には30nmとすることができる。 The film thickness of the conductive layer 120_1 outside the opening 190 is preferably, for example, 15 nm or more and 100 nm or less, more preferably 20 nm or more and 70 nm or less, and even more preferably 25 nm or more and 50 nm or less, and can typically be 30 nm.
開口部190を埋めるように導電層120_1を設ける場合、導電層120_1として、導電層120_2に用いる導電性材料より熱膨張係数が大きい導電性材料を用いることが好ましい。これにより、加熱処理後の降温時に、導電層120_1から強誘電体層130に引張応力が加わりやすくなる。強誘電体層130に引張応力が加わることにより、強誘電体層130の結晶構造を、強誘電性を発現する結晶構造としやすくなる。例えば、強誘電体層130において、直方晶系の結晶構造を有する結晶が形成されやすくなる。これにより、強誘電体層130において、直方晶系の結晶構造を有する結晶の存在割合が高くなり、残留分極量を大きくすることができる。以上により、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 When the conductive layer 120_1 is provided to fill the opening 190, it is preferable to use a conductive material for the conductive layer 120_1 that has a larger thermal expansion coefficient than the conductive material used for the conductive layer 120_2. This makes it easier for tensile stress to be applied from the conductive layer 120_1 to the ferroelectric layer 130 when the temperature is lowered after the heat treatment. The application of tensile stress to the ferroelectric layer 130 makes it easier for the crystal structure of the ferroelectric layer 130 to exhibit ferroelectricity. For example, crystals having an orthorhombic crystal structure are more likely to be formed in the ferroelectric layer 130. This increases the proportion of crystals having an orthorhombic crystal structure in the ferroelectric layer 130, thereby increasing the amount of remanent polarization. As a result, a highly reliable semiconductor device can be realized.
導電層120_2として、導電性が高い材料を用いることが好ましく、例えば導電層120_1より導電性が高い材料を用いることが好ましい。これにより、例えば導電層120を導電層120_1の単層構造とする場合と比較して、導電層120の電気抵抗を低くできる。よって、高速に駆動する半導体装置を実現できる。 The conductive layer 120_2 is preferably made of a material with high conductivity, for example, a material with higher conductivity than the conductive layer 120_1. This allows the electrical resistance of the conductive layer 120 to be lower than when the conductive layer 120 has a single-layer structure of the conductive layer 120_1, for example. Therefore, a semiconductor device that operates at high speed can be realized.
開口部190と重ならない領域における導電層120_2の膜厚は、例えば5nm以上500nm以下とすることが好ましく、10nm以上100nm以下とすることがより好ましく、20nm以上70nm以下とすることがより好ましく、30nm以上50nm以下とすることがさらに好ましい。ここで、導電層120_2の膜厚を厚くすると、導電層120の電気抵抗を低くしやすくなる。例えば、開口部190と重ならない領域における導電層120_2の膜厚を、当該領域における導電層120_1の膜厚以上とすると、導電層120の電気抵抗を低くしやすくなる。例えば、開口部190の外部における導電層120_1の膜厚を30nmとする場合、当該領域における導電層120_2の膜厚を30nm以上とすることが好ましく、35nm以上とすることがより好ましく、代表的には40nmとすることができる。 The thickness of the conductive layer 120_2 in the region not overlapping with the opening 190 is preferably, for example, 5 nm to 500 nm, more preferably 10 nm to 100 nm, even more preferably 20 nm to 70 nm, and even more preferably 30 nm to 50 nm. Increasing the thickness of the conductive layer 120_2 makes it easier to reduce the electrical resistance of the conductive layer 120. For example, making the thickness of the conductive layer 120_2 in the region not overlapping with the opening 190 equal to or greater than the thickness of the conductive layer 120_1 in that region makes it easier to reduce the electrical resistance of the conductive layer 120. For example, if the thickness of the conductive layer 120_1 outside the opening 190 is 30 nm, the thickness of the conductive layer 120_2 in that region is preferably 30 nm or greater, more preferably 35 nm or greater, and typically 40 nm.
前述のように、導電層120_1には導電層120_2より熱膨張係数が大きい材料を用い、導電層120_2には導電層120_1より導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、導電層120_1として窒化チタンを用い、導電層120_2としてタングステンを用いることが好ましい。 As mentioned above, it is preferable to use a material with a larger thermal expansion coefficient than conductive layer 120_2 for conductive layer 120_1, and a material with higher conductivity than conductive layer 120_2 for conductive layer 120_1. For example, it is preferable to use titanium nitride for conductive layer 120_1 and tungsten for conductive layer 120_2.
以上のように、容量100を有する半導体装置は、信頼性の高い半導体装置とすることができる。 As described above, a semiconductor device having capacitor 100 can be a highly reliable semiconductor device.
図5A、及び図5Bは、それぞれ図3A、及び図3Bに示す絶縁層180が、絶縁層180aと、絶縁層180a上の絶縁層180bと、絶縁層180b上の絶縁層180cと、の3層構造である例を示す図である。また、図5A、及び図5Bでは、絶縁層180bの上面が平坦である例を示している。なお、絶縁層180は、2層構造としてもよいし、4層以上の積層構造としてもよい。 Figures 5A and 5B show an example in which the insulating layer 180 shown in Figures 3A and 3B has a three-layer structure consisting of insulating layer 180a, insulating layer 180b on insulating layer 180a, and insulating layer 180c on insulating layer 180b. Also, Figures 5A and 5B show an example in which the top surface of insulating layer 180b is flat. Note that insulating layer 180 may have a two-layer structure, or a stacked structure of four or more layers.
絶縁層180a、及び絶縁層180cには、酸素に対するバリア絶縁層を用いることができる。絶縁層180aとして酸素に対するバリア絶縁層を用いることにより、導電層110が酸化して電気抵抗が高くなることを抑制できる。絶縁層180cとして酸素に対するバリア絶縁層を用いることにより、導電層120が酸化して電気抵抗が高くなることを抑制できる。以上により、高速に駆動する半導体装置を実現できる。 The insulating layer 180a and the insulating layer 180c can be made of an oxygen barrier insulating layer. By using an oxygen barrier insulating layer as the insulating layer 180a, it is possible to prevent the conductive layer 110 from oxidizing and increasing its electrical resistance. By using an oxygen barrier insulating layer as the insulating layer 180c, it is possible to prevent the conductive layer 120 from oxidizing and increasing its electrical resistance. As a result, a semiconductor device that operates at high speed can be realized.
本明細書等において、バリア絶縁層とは、バリア性を有する絶縁層のことを指す。また、バリア性とは、対応する物質が拡散し難い性質(対応する物質が透過し難い性質、対応する物質の透過性が低い性質、又は、対応する物質の拡散を抑制する機能ともいう)とする。なお、対応する物質として記載される場合の水素は、例えば、水素原子、水素分子、並びに、水分子及びOH−等の水素と結合した物質等の少なくとも一を指す。また、対応する物質として記載される場合の不純物は、特段の明示が無い限り、チャネル形成領域又は半導体層における不純物を指し、例えば、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、及びNO2等)、及び銅原子等の少なくとも一を指す。また、対応する物質として記載される場合の酸素は、例えば、酸素原子及び酸素分子等の少なくとも一を指す。 In this specification and the like, a barrier insulating layer refers to an insulating layer having barrier properties. The term "barrier properties" refers to a property that makes it difficult for a corresponding substance to diffuse (also referred to as a property that makes it difficult for a corresponding substance to permeate, a property that the permeability of a corresponding substance is low, or a function that suppresses the diffusion of a corresponding substance). Note that hydrogen, when described as a corresponding substance, refers to at least one of, for example, a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a substance bonded to hydrogen, such as a water molecule or OH − . Note that impurities, when described as a corresponding substance, refer to impurities in a channel formation region or a semiconductor layer, unless otherwise specified, and refer to at least one of, for example, a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (such as N 2 O, NO, and NO 2 ), a copper atom, and the like. Note that oxygen, when described as a corresponding substance, refers to at least one of, for example, an oxygen atom, an oxygen molecule, and the like.
絶縁層180a、及び絶縁層180cとして、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、アルミニウム及びハフニウムの一方又は両方を含む酸化物、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、ガリウム亜鉛酸化物等を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方又は両方を含む酸化物として、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、ハフニウム及びシリコンを含む酸化物(ハフニウムシリケート)等が挙げられる。 For example, silicon nitride, silicon nitride oxide, oxides containing one or both of aluminum and hafnium, magnesium oxide, gallium oxide, gallium zinc oxide, etc. can be used for insulating layer 180a and insulating layer 180c. Examples of oxides containing one or both of aluminum and hafnium include aluminum oxide, hafnium oxide, oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and oxides containing hafnium and silicon (hafnium silicate).
絶縁層180bには、絶縁層180a及び絶縁層180cより比誘電率が低い材料を用いることができる。これにより、例えば導電層110と導電層120の間に寄生容量が形成されることを抑制できる。よって、高速に駆動する半導体装置を実現できる。絶縁層180bとして、例えば、酸化シリコン、又は酸化窒化シリコンを用いることができる。 The insulating layer 180b can be made of a material with a lower dielectric constant than the insulating layers 180a and 180c. This can prevent parasitic capacitance from forming between the conductive layer 110 and the conductive layer 120, for example. This allows for a semiconductor device that operates at high speed. For example, silicon oxide or silicon oxynitride can be used as the insulating layer 180b.
絶縁層180bの膜厚は、絶縁層180a及び絶縁層180cの膜厚以上であることが好ましい。これにより、上述の寄生容量が形成されることを効果的に抑制できる。例えば、導電層110と重なる領域における絶縁層180bの膜厚は、60nm以上3000nm以下とすることが好ましく、60nm以上1000nm以下とすることがより好ましく、100nm以上800nm以下とすることがより好ましく、200nm以上600nm以下とすることがより好ましく、300nm以上400nm以下とすることがさらに好ましく、代表的には350nmとすることができる。 The thickness of insulating layer 180b is preferably equal to or greater than the thicknesses of insulating layers 180a and 180c. This effectively prevents the formation of the parasitic capacitance described above. For example, the thickness of insulating layer 180b in the region overlapping with conductive layer 110 is preferably 60 nm to 3000 nm, more preferably 60 nm to 1000 nm, even more preferably 100 nm to 800 nm, still more preferably 200 nm to 600 nm, and even more preferably 300 nm to 400 nm, and is typically 350 nm.
図6A、及び図6Bは、それぞれ図3A、及び図3Bに示す導電層115が酸化物領域115oxを有さず、導電層115と、強誘電体層130と、の間に絶縁層116が設けられる例を示す図である。図6A、及び図6Bに示すように、絶縁層116は、開口部190の内部において導電層115と接する領域を有するように、導電層115上、及び絶縁層180上に設けられている。絶縁層116は、導電層115を覆うように設けられている。絶縁層116は、開口部190の内部において、導電層115の側面及び上面に沿って設けられている。絶縁層116は、容量100の誘電体として機能できる。 Figures 6A and 6B are diagrams showing an example in which the conductive layer 115 shown in Figures 3A and 3B does not have an oxide region 115ox, and an insulating layer 116 is provided between the conductive layer 115 and the ferroelectric layer 130. As shown in Figures 6A and 6B, the insulating layer 116 is provided on the conductive layer 115 and on the insulating layer 180 so as to have an area in contact with the conductive layer 115 inside the opening 190. The insulating layer 116 is provided so as to cover the conductive layer 115. The insulating layer 116 is provided along the side and top surfaces of the conductive layer 115 inside the opening 190. The insulating layer 116 can function as a dielectric for the capacitor 100.
図6A、及び図6Bに示す例において、強誘電体層130は、絶縁層116上に設けられている。強誘電体層130は、開口部190の内部において、絶縁層116の側面及び上面に沿って設けられている。 In the example shown in Figures 6A and 6B, the ferroelectric layer 130 is provided on the insulating layer 116. The ferroelectric layer 130 is provided inside the opening 190 and along the side and top surfaces of the insulating layer 116.
容量100が図6A、及び図6Bに示す構成である場合でも、絶縁層116が設けられず、且つ、導電層115が酸化物領域115oxを有さない場合より、強誘電体層130に含まれる酸素が導電層115に吸収されることを抑制できる。よって、強誘電体層130中の酸素が脱離することを抑制できる。以上により、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 Even when the capacitor 100 has the configuration shown in Figures 6A and 6B, the oxygen contained in the ferroelectric layer 130 can be prevented from being absorbed by the conductive layer 115, compared to when the insulating layer 116 is not provided and the conductive layer 115 does not have the oxide region 115ox. This makes it possible to prevent oxygen from being released from the ferroelectric layer 130. As a result, a highly reliable semiconductor device can be realized.
絶縁層116として、例えば窒化膜、酸化膜、又は酸窒化膜を用いることができる。ここで、絶縁層116として比誘電率が高い材料を用いると、容量100の静電容量を大きくでき好ましい。絶縁層116として、例えば、窒化シリコン膜、酸化チタン膜、又は酸窒化ハフニウム膜を用いることができる。 The insulating layer 116 can be made of, for example, a nitride film, an oxide film, or an oxynitride film. It is preferable to use a material with a high dielectric constant for the insulating layer 116, as this increases the capacitance of the capacitor 100. The insulating layer 116 can be made of, for example, a silicon nitride film, a titanium oxide film, or a hafnium oxynitride film.
また、絶縁層116の膜厚を、強誘電体層130の膜厚と比較してできる限り薄くなるようにすると、容量100の静電容量を大きくでき好ましい。絶縁層116の膜厚は、0.1nm以上10nm以下とすることが好ましく、0.2nm以上5nm以下とすることがより好ましく、0.3nm以上3nm以下とすることがより好ましく、0.5nm以上1nm以下とすることがさらに好ましい。 Furthermore, it is preferable to make the film thickness of the insulating layer 116 as thin as possible compared to the film thickness of the ferroelectric layer 130, as this increases the electrostatic capacitance of the capacitor 100. The film thickness of the insulating layer 116 is preferably 0.1 nm to 10 nm, more preferably 0.2 nm to 5 nm, even more preferably 0.3 nm to 3 nm, and even more preferably 0.5 nm to 1 nm.
<半導体装置の構成例2>
図7Aは、メモリセル150の構成例を示す回路図である。メモリセル150は、容量100と、トランジスタ200と、を有する。容量100は、前述のように強誘電体キャパシタである。よって、メモリセル150は、強誘電体メモリである。
<Configuration Example 2 of Semiconductor Device>
7A is a circuit diagram showing an example of the configuration of a memory cell 150. The memory cell 150 has a capacitor 100 and a transistor 200. As described above, the capacitor 100 is a ferroelectric capacitor. Therefore, the memory cell 150 is a ferroelectric memory.
容量100の一対の電極の一方は、配線PLに接続されている。容量100の一対の電極の他方は、トランジスタ200のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ200のソース及びドレインの他方は、配線BLに接続されている。トランジスタ200のゲートは、配線WLに接続されている。 One of the pair of electrodes of the capacitor 100 is connected to the wiring PL. The other of the pair of electrodes of the capacitor 100 is connected to one of the source and drain of the transistor 200. The other of the source and drain of the transistor 200 is connected to the wiring BL. The gate of the transistor 200 is connected to the wiring WL.
配線PLは、容量100の一対の電極の一方に所定の電位を印加するための電源線として機能する。配線BLは、メモリセル150へのデータの書き込み、及びメモリセル150からのデータの読み出しを行うためのビット線として機能する。配線WLは、トランジスタ200をオン状態及びオフ状態のいずれにするかを制御するためのワード線として機能する。 The wiring PL functions as a power supply line for applying a predetermined potential to one of a pair of electrodes of the capacitor 100. The wiring BL functions as a bit line for writing data to the memory cell 150 and reading data from the memory cell 150. The wiring WL functions as a word line for controlling whether the transistor 200 is turned on or off.
図7Bは、メモリセル150の構成例を示す斜視図である。図8Aは、メモリセル150の構成例を示す平面図である。図8B、及び図8Cは、図8Aから一部の要素を抜粋して示す平面図である。 Figure 7B is a perspective view showing an example configuration of a memory cell 150. Figure 8A is a plan view showing an example configuration of a memory cell 150. Figures 8B and 8C are plan views showing some elements selected from Figure 8A.
図9Aは、図8A乃至図8Cに示す一点鎖線A1−A2間の断面図である。図9Bは、図8A乃至図8Cに示す一点鎖線B1−B2間の断面図である。図10Aは、図8A乃至図8Cに示す一点鎖線A3−A3間の断面図である。図10Bは、図8A乃至図8Cに示す一点鎖線B3−B4間の断面図である。 Figure 9A is a cross-sectional view taken along dashed lines A1-A2 in Figures 8A to 8C. Figure 9B is a cross-sectional view taken along dashed lines B1-B2 in Figures 8A to 8C. Figure 10A is a cross-sectional view taken along dashed lines A3-A3 in Figures 8A to 8C. Figure 10B is a cross-sectional view taken along dashed lines B3-B4 in Figures 8A to 8C.
図9A、及び図9Bには、容量100の構成例を示している。図9A、及び図9Bに示す容量100の構成は、それぞれ図3A、及び図3Bに示す容量100と同様としている。なお、絶縁層180は、例えば図5A、及び図5Bに示す絶縁層180と同様に、積層構造としてもよい。 Figures 9A and 9B show an example configuration of the capacitor 100. The configuration of the capacitor 100 shown in Figures 9A and 9B is similar to that of the capacitor 100 shown in Figures 3A and 3B, respectively. Note that the insulating layer 180 may have a laminated structure, similar to the insulating layer 180 shown in Figures 5A and 5B, for example.
図7B乃至図10Bに示す半導体装置は、基板(図示しない)上の絶縁層140と、絶縁層140上の導電層110と、導電層110上の容量100と、導電層110上、及び絶縁層140上の絶縁層180と、容量100上のトランジスタ200と、容量100上、及び絶縁層180上の絶縁層280と、トランジスタ200上、及び絶縁層280上の絶縁層283と、絶縁層283上の絶縁層285と、導電層244aと、導電層244bと、導電層244a上、導電層244b上、及び絶縁層285上の導電層245と、を有する。ここで、絶縁層280、及び絶縁層285は、層間絶縁層として機能し、上面が平坦であることが好ましい。 The semiconductor device shown in Figures 7B to 10B includes an insulating layer 140 on a substrate (not shown), a conductive layer 110 on the insulating layer 140, a capacitor 100 on the conductive layer 110, an insulating layer 180 on the conductive layer 110 and on the insulating layer 140, a transistor 200 on the capacitor 100, an insulating layer 280 on the capacitor 100 and on the insulating layer 180, an insulating layer 283 on the transistor 200 and on the insulating layer 280, an insulating layer 285 on the insulating layer 283, a conductive layer 244a, a conductive layer 244b, and a conductive layer 245 on the conductive layer 244a, the conductive layer 244b, and the insulating layer 285. Here, the insulating layer 280 and the insulating layer 285 function as interlayer insulating layers and preferably have flat top surfaces.
トランジスタ200は、導電層120と、絶縁層280上の導電層240a及び導電層240bと、導電層120上、導電層240a上、及び導電層240b上の半導体層230と、半導体層230上の絶縁層250と、絶縁層250上の導電層260と、を有する。半導体層230には、例えば金属酸化物を用いることができる。この場合、トランジスタ200は、OSトランジスタである。 The transistor 200 includes a conductive layer 120, conductive layers 240a and 240b on an insulating layer 280, a semiconductor layer 230 on the conductive layer 120, the conductive layer 240a, and the conductive layer 240b, an insulating layer 250 on the semiconductor layer 230, and a conductive layer 260 on the insulating layer 250. The semiconductor layer 230 can be made of, for example, a metal oxide. In this case, the transistor 200 is an OS transistor.
導電層260は、トランジスタ200のゲート電極として機能する領域を有する。絶縁層250は、トランジスタ200のゲート絶縁層として機能する領域を有する。導電層120は、トランジスタ200のソース電極及びドレイン電極の一方として機能する領域を有する。導電層240a及び導電層240bは、トランジスタ200のソース電極及びドレイン電極の他方として機能し、導電層244a、導電層244b、及び導電層245を介して互いに接続されている。 The conductive layer 260 has a region that functions as the gate electrode of the transistor 200. The insulating layer 250 has a region that functions as the gate insulating layer of the transistor 200. The conductive layer 120 has a region that functions as one of the source electrode and drain electrode of the transistor 200. The conductive layer 240a and the conductive layer 240b function as the other of the source electrode and drain electrode of the transistor 200 and are connected to each other via the conductive layer 244a, the conductive layer 244b, and the conductive layer 245.
図8Bでは、図8Aに示す要素のうち、導電層120、半導体層230、導電層240a、導電層240b、及び絶縁層280bを抜粋して示している。図8Cでは、図8Aに示す要素のうち、導電層120、導電層240a、導電層240b、及び絶縁層280bを抜粋して示している。すなわち、図8Cでは、図8Bから半導体層230を省略している。 Figure 8B shows only the conductive layer 120, semiconductor layer 230, conductive layer 240a, conductive layer 240b, and insulating layer 280b from the elements shown in Figure 8A. Figure 8C shows only the conductive layer 120, conductive layer 240a, conductive layer 240b, and insulating layer 280b from the elements shown in Figure 8A. In other words, Figure 8C omits the semiconductor layer 230 from Figure 8B.
メモリセル150において、導電層110は、図7Aに示す配線PLとして機能する領域を有する。また、導電層260は、図7Aに示す配線WLとして機能する領域を有する。さらに、導電層245は、図7Aに示す配線BLとして機能する領域を有する。 In the memory cell 150, the conductive layer 110 has a region that functions as the wiring PL shown in FIG. 7A. The conductive layer 260 has a region that functions as the wiring WL shown in FIG. 7A. The conductive layer 245 has a region that functions as the wiring BL shown in FIG. 7A.
図7B乃至図10Bでは、導電層110、導電層260、及び導電層245が、帯状に設けられている例を示している。図7B乃至図10Bでは、導電層245がX方向に延在し、導電層110、及び導電層260がY方向に延在する例を示している。すなわち、図7B乃至図10Bでは、平面視において、配線PLが配線WLと平行に設けられ、且つ、配線BLと垂直に設けられている例を示している。なお、例えば配線PLは配線WLと平行に設けなくてもよく、例えば、配線BLと平行に設けてもよい。 Figures 7B to 10B show an example in which the conductive layer 110, the conductive layer 260, and the conductive layer 245 are arranged in a strip shape. Figures 7B to 10B show an example in which the conductive layer 245 extends in the X direction, and the conductive layer 110 and the conductive layer 260 extend in the Y direction. That is, Figures 7B to 10B show an example in which, in a plan view, the wiring PL is arranged parallel to the wiring WL and perpendicular to the wiring BL. Note that the wiring PL does not have to be arranged parallel to the wiring WL, and may be arranged parallel to the wiring BL, for example.
図7B、及び図9A乃至図10Bでは、絶縁層280が、絶縁層280aと、絶縁層280a上の絶縁層280bと、絶縁層280b上の絶縁層280cと、の3層構造である例を示している。なお、絶縁層280は、2層構造としてもよいし、4層以上の積層構造としてもよい。 Figure 7B and Figures 9A to 10B show an example in which the insulating layer 280 has a three-layer structure consisting of an insulating layer 280a, an insulating layer 280b on insulating layer 280a, and an insulating layer 280c on insulating layer 280b. Note that the insulating layer 280 may have a two-layer structure or a stacked structure of four or more layers.
図9A、及び図9Bに示すように、絶縁層280aは、導電層120と接する領域を有する。絶縁層280aは、具体的には、導電層120の側面と接する領域を有する。絶縁層280aは、導電層120の上面と接する領域を有することができ、また強誘電体層130と接する領域を有することができる。さらに、絶縁層280aは、絶縁層180の上面と接する領域を有することができる。 As shown in Figures 9A and 9B, the insulating layer 280a has a region in contact with the conductive layer 120. Specifically, the insulating layer 280a has a region in contact with the side surface of the conductive layer 120. The insulating layer 280a may have a region in contact with the top surface of the conductive layer 120, and may also have a region in contact with the ferroelectric layer 130. Furthermore, the insulating layer 280a may have a region in contact with the top surface of the insulating layer 180.
絶縁層280a、絶縁層280b、及び絶縁層280cは、溝部290を有する。溝部290は、導電層260の延在方向と平行な方向に延在する。 Insulating layers 280a, 280b, and 280c have grooves 290. Grooves 290 extend in a direction parallel to the extension direction of conductive layer 260.
本明細書等において、溝は、スリット、又はトレンチと言い換えることができる。また、溝部は、スリット部、又はトレンチ部と言い換えることができる。なお、溝部を、スリット、又はトレンチと言い換えてもよい。 In this specification, the term "groove" can be alternatively referred to as a "slit" or "trench." Furthermore, the term "groove portion" can be alternatively referred to as a "slit portion" or "trench portion." Furthermore, the term "groove portion" can also be alternatively referred to as a "slit" or "trench."
溝部290は、導電層120に達する領域を有する。また、溝部290は、絶縁層280aの導電層120と重ならない領域では凹部として設けられている。なお、図9Aでは、導電層120が凹部を有する例を示している。当該凹部は、溝部290に含めることができる。なお、当該凹部を溝部290に含めなくてもよい。図9A乃至図10Aでは、導電層120と重ならない領域における溝部290の深さが、導電層120と重なる領域における溝部290の深さより深い例を示している。 The groove 290 has a region that reaches the conductive layer 120. The groove 290 is provided as a recess in the region of the insulating layer 280a that does not overlap with the conductive layer 120. Note that Figure 9A shows an example in which the conductive layer 120 has a recess. This recess can be included in the groove 290. However, this recess does not have to be included in the groove 290. Figures 9A to 10A show an example in which the depth of the groove 290 in the region that does not overlap with the conductive layer 120 is deeper than the depth of the groove 290 in the region that overlaps with the conductive layer 120.
導電層120の凹部の底面を溝部290に含める場合、溝部290の底部は、導電層120の凹部の底面を含む。また、溝部290の側壁は、導電層120の凹部の側面、絶縁層280aの側面、絶縁層280bの側面、及び絶縁層280cの側面を含む。 When the bottom surface of the recess in the conductive layer 120 is included in the groove 290, the bottom of the groove 290 includes the bottom surface of the recess in the conductive layer 120. Furthermore, the sidewalls of the groove 290 include the side surfaces of the recess in the conductive layer 120, the side surfaces of the insulating layer 280a, the side surfaces of the insulating layer 280b, and the side surfaces of the insulating layer 280c.
以上の場合、溝部290の底部は、導電層120の上面、及び絶縁層280aの上面を含む。別言すると、溝部290の底部は、導電層120の凹部底面、及び絶縁層280aの凹部底面を含む。また、溝部290の側壁は、導電層120の凹部側面、絶縁層280aの側面、絶縁層280bの側面、及び絶縁層280cの側面を含む。溝部290は、導電層120が有する溝部と、絶縁層280aが有する溝部と、絶縁層280bが有する溝部と、絶縁層280cが有する溝部と、を含む。 In the above case, the bottom of groove 290 includes the upper surface of conductive layer 120 and the upper surface of insulating layer 280a. In other words, the bottom of groove 290 includes the bottom surface of the recess in conductive layer 120 and the bottom surface of the recess in insulating layer 280a. Furthermore, the sidewalls of groove 290 include the side surfaces of the recess in conductive layer 120, the side surfaces of insulating layer 280a, the side surfaces of insulating layer 280b, and the side surfaces of insulating layer 280c. Groove 290 includes the groove in conductive layer 120, the groove in insulating layer 280a, the groove in insulating layer 280b, and the groove in insulating layer 280c.
本明細書等において、絶縁層280aに設けられている溝部290を、第1の溝部という場合がある。また、絶縁層280bに設けられている溝部290を、第2の溝部という場合がある。さらに、絶縁層280cに設けられている溝部290を、第3の溝部という場合がある。第1の溝部、第2の溝部、及び第3の溝部は、互いに重なるように設けることができる。また、導電層120の凹部は、第1の溝部、第2の溝部、及び第3の溝部と重なるように設けることができる。なお、序数詞は適宜入れ替えることができる。 In this specification, the groove 290 provided in the insulating layer 280a may be referred to as the first groove. Furthermore, the groove 290 provided in the insulating layer 280b may be referred to as the second groove. Furthermore, the groove 290 provided in the insulating layer 280c may be referred to as the third groove. The first groove, second groove, and third groove may be provided so as to overlap one another. Furthermore, the recesses in the conductive layer 120 may be provided so as to overlap the first groove, second groove, and third groove. Note that the ordinal numbers may be interchanged as appropriate.
溝部290は、エッチング処理を用いて絶縁層280c、絶縁層280b、及び絶縁層280aを加工することにより形成できる。特に、ドライエッチング処理は、微細加工に適しているため好ましい。また、例えば当該ドライエッチング処理により、導電層120に凹部を形成できる。当該凹部は、前述のように溝部290に含めることができる。 The groove portion 290 can be formed by processing the insulating layer 280c, the insulating layer 280b, and the insulating layer 280a using an etching process. Dry etching is particularly preferable because it is suitable for fine processing. Furthermore, for example, the dry etching process can form a recess in the conductive layer 120. The recess can be included in the groove portion 290 as described above.
ここで、絶縁層280bの加工は、絶縁層280aの加工と異なる条件を用いて行うことが好ましい。絶縁層280bの加工は、具体的には、絶縁層280aとの選択比が高い条件で行うことが好ましい。これにより、絶縁層280bの加工の際に、絶縁層280aの一部が意図せず除去されることを抑制できる。 Here, it is preferable to process insulating layer 280b using conditions different from those for processing insulating layer 280a. Specifically, it is preferable to process insulating layer 280b under conditions that provide a high selectivity to insulating layer 280a. This makes it possible to prevent a portion of insulating layer 280a from being unintentionally removed when processing insulating layer 280b.
溝部290と重ならない領域において、絶縁層280aの上面、絶縁層280bの上面、及び絶縁層280cの上面は、平坦とすることができる。例えば、絶縁層280aの成膜後、絶縁層280aに対して平坦化処理を行う。平坦化処理としては、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)処理が好適である。なお、平坦化処理として、エッチングを用いた処理(エッチバック処理ともいう)を行ってもよい。絶縁層280aに対して平坦化処理を行った後、絶縁層280a上に絶縁層280b、及び絶縁層280cを形成することにより、絶縁層280bの上面、及び絶縁層280cの上面を平坦とすることができる。ここで、絶縁層280aに対して平坦化処理を行うことにより、例えば導電層120と重なる領域における絶縁層280aの膜厚を、導電層120と重ならない領域における絶縁層280aの膜厚より薄くすることができる。 In the regions that do not overlap with the groove portion 290, the top surfaces of the insulating layer 280a, the insulating layer 280b, and the insulating layer 280c can be flattened. For example, after the insulating layer 280a is formed, a planarization treatment is performed on the insulating layer 280a. Chemical mechanical polishing (CMP) treatment is suitable as the planarization treatment. Note that etching treatment (also referred to as etch-back treatment) may also be performed as the planarization treatment. After the planarization treatment is performed on the insulating layer 280a, the insulating layer 280b and the insulating layer 280c can be formed on the insulating layer 280a, thereby flattening the top surfaces of the insulating layer 280b and the insulating layer 280c. Here, by performing a planarization process on the insulating layer 280a, it is possible to make the film thickness of the insulating layer 280a in the region that overlaps with the conductive layer 120 thinner than the film thickness of the insulating layer 280a in the region that does not overlap with the conductive layer 120.
絶縁層280a及び絶縁層280cには、酸素に対するバリア絶縁層を用いることができる。絶縁層280bには、絶縁層280a及び絶縁層280cより比誘電率が低い材料を用いることができる。絶縁層280aとして酸素に対するバリア絶縁層を用いることにより、導電層120が酸化して電気抵抗が高くなることを抑制できる。絶縁層280cとして酸素に対するバリア絶縁層を用いることにより、導電層240a及び導電層240bが酸化して電気抵抗が高くなることを抑制できる。絶縁層280bとして絶縁層280a及び絶縁層280cより比誘電率が低い材料を用いることにより、例えば導電層120と導電層240aの間、及び導電層120と導電層240bの間に寄生容量が形成されることを抑制できる。これにより、高速に駆動する半導体装置を実現できる。 The insulating layers 280a and 280c can be made of an oxygen-barrier insulating layer. The insulating layer 280b can be made of a material with a lower dielectric constant than the insulating layers 280a and 280c. Using an oxygen-barrier insulating layer as the insulating layer 280a can prevent the conductive layer 120 from oxidizing and increasing its electrical resistance. Using an oxygen-barrier insulating layer as the insulating layer 280c can prevent the conductive layers 240a and 240b from oxidizing and increasing their electrical resistance. Using a material with a lower dielectric constant than the insulating layers 280a and 280c as the insulating layer 280b can prevent the formation of parasitic capacitance, for example, between the conductive layers 120 and 240a and between the conductive layers 120 and 240b. This allows for a semiconductor device that operates at high speed.
絶縁層280aには、図5A及び図5Bに示す絶縁層180aに用いることができる材料を用いることができる。また、絶縁層280bには、図5A及び図5Bに示す絶縁層180bに用いることができる材料を用いることができる。さらに、絶縁層280cには、図5A及び図5Bに示す絶縁層180cに用いることができる材料を用いることができる。 The insulating layer 280a can be made of the same material as that used for the insulating layer 180a shown in Figures 5A and 5B. The insulating layer 280b can be made of the same material as that used for the insulating layer 180b shown in Figures 5A and 5B. The insulating layer 280c can be made of the same material as that used for the insulating layer 180c shown in Figures 5A and 5B.
ここで、絶縁層280bの膜厚が絶縁層280cの膜厚以上であると、例えば導電層120と導電層240aの間、及び導電層120と導電層240bの間に寄生容量が形成されることを効果的に抑制でき好ましい。絶縁層280bの膜厚が絶縁層280cの膜厚以上、すなわち絶縁層280cの膜厚が絶縁層280bの膜厚以下である場合、絶縁層280cの膜厚は、導電層120と重ならない領域における絶縁層280aの膜厚以下とすることができる。また、絶縁層280cの膜厚は、例えば、導電層120と重なる領域における絶縁層280aの膜厚と同程度とすることができる。なお、例えば絶縁層280bの膜厚は、トランジスタ200のチャネル長に影響する。よって、例えば絶縁層280bの膜厚は、トランジスタ200のチャネル長の設計値に合わせて適宜設定する。なお、絶縁層280cの膜厚を、トランジスタ200のチャネル長の設計値に合わせて設定してもよい。 Here, it is preferable that the thickness of insulating layer 280b is equal to or greater than the thickness of insulating layer 280c, since this effectively prevents the formation of parasitic capacitance, for example, between conductive layer 120 and conductive layer 240a, and between conductive layer 120 and conductive layer 240b. When the thickness of insulating layer 280b is equal to or greater than the thickness of insulating layer 280c, i.e., when the thickness of insulating layer 280c is equal to or less than the thickness of insulating layer 280b, the thickness of insulating layer 280c can be equal to or less than the thickness of insulating layer 280a in the region that does not overlap with conductive layer 120. Furthermore, the thickness of insulating layer 280c can be, for example, approximately the same as the thickness of insulating layer 280a in the region that overlaps with conductive layer 120. Note that, for example, the thickness of insulating layer 280b affects the channel length of transistor 200. Therefore, for example, the thickness of insulating layer 280b is appropriately set according to the design value of the channel length of transistor 200. The thickness of the insulating layer 280c may be set to match the design value of the channel length of the transistor 200.
絶縁層280bは、過剰酸素を含む領域を有することが好ましい。これにより、絶縁層280bから半導体層230に酸素を供給できる。よって、トランジスタ200のチャネル形成領域中の酸素欠損及びVOHの低減を図ることができる。 The insulating layer 280b preferably has a region containing excess oxygen, which allows oxygen to be supplied from the insulating layer 280b to the semiconductor layer 230. Therefore, oxygen vacancies and VOH in the channel formation region of the transistor 200 can be reduced.
絶縁層180中、絶縁層280a中、絶縁層280b中、及び絶縁層280c中の水素又は水等の不純物濃度は、低減されていることが好ましい。これにより、トランジスタ200のチャネル形成領域への水素又は水等の不純物の混入を抑制できる。例えば、成膜ガスに水素を含む分子を用いなくてもよいスパッタリング法を用いて絶縁層180、絶縁層280a、絶縁層280b、及び絶縁層280cを成膜することで、それぞれ絶縁層180、絶縁層280a中、絶縁層280b中、及び絶縁層280c中の水素濃度を低減できる。 It is preferable that the concentrations of impurities such as hydrogen or water in insulating layer 180, insulating layer 280a, insulating layer 280b, and insulating layer 280c are reduced. This can prevent impurities such as hydrogen or water from entering the channel formation region of transistor 200. For example, by depositing insulating layer 180, insulating layer 280a, insulating layer 280b, and insulating layer 280c using a sputtering method that does not require the use of hydrogen-containing molecules in the deposition gas, the hydrogen concentrations in insulating layer 180, insulating layer 280a, insulating layer 280b, and insulating layer 280c, respectively, can be reduced.
トランジスタ200の構成要素の少なくとも一部は、溝部290の内部に配置される。具体的には、半導体層230、絶縁層250、及び導電層260は、それぞれ少なくとも一部が溝部290の内部に位置するように配置される。また、導電層240aと導電層240bは、平面視において溝部290を挟んで対向するように設けられている。なお、溝部290が、絶縁層280a、絶縁層280b、及び絶縁層280cだけでなく、導電層240aと導電層240bの間にも設けられているとしてもよい。 At least some of the components of the transistor 200 are arranged inside the groove 290. Specifically, the semiconductor layer 230, the insulating layer 250, and the conductive layer 260 are arranged so that at least a portion of each is located inside the groove 290. Furthermore, the conductive layers 240a and 240b are arranged so as to face each other across the groove 290 in a planar view. Note that the groove 290 may be arranged not only between the insulating layers 280a, 280b, and 280c, but also between the conductive layers 240a and 240b.
溝部290の延在方向と垂直な方向の幅、例えば溝部290のX方向の幅は、溝部290の内部に設ける、半導体層230、絶縁層250、及び導電層260それぞれの膜厚によって設定される。溝部290の延在方向と垂直な方向の幅は、例えば、5nm以上300nm以下が好ましく、5nm以上200nm以下がより好ましく、5nm以上100nm以下がより好ましく、10nm以上60nm以下がより好ましく、10nm以上50nm以下がより好ましく、20nm以上40nm以下がより好ましく、20nm以上30nm以下がさらに好ましい。 The width of the groove 290 in a direction perpendicular to its extension direction, for example, the width of the groove 290 in the X direction, is set by the film thickness of each of the semiconductor layer 230, insulating layer 250, and conductive layer 260 provided inside the groove 290. The width of the groove 290 in a direction perpendicular to its extension direction is, for example, preferably 5 nm to 300 nm, more preferably 5 nm to 200 nm, more preferably 5 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 60 nm, more preferably 10 nm to 50 nm, more preferably 20 nm to 40 nm, and even more preferably 20 nm to 30 nm.
図8A乃至図9Aでは、導電層240aの内側(平面視において溝部290側)の側面が、溝部290の側壁と一致又は略一致する例を示している。また、導電層240bの内側(平面視において溝部290側)の側面が、溝部290の側壁と一致又は略一致する例を示している。このような構成にすることで、導電層240a、導電層240b、及び溝部290を一括で形成することができる。 Figures 8A to 9A show an example in which the inner side of conductive layer 240a (the groove 290 side in plan view) coincides or approximately coincides with the sidewall of groove 290. Also shown is an example in which the inner side of conductive layer 240b (the groove 290 side in plan view) coincides or approximately coincides with the sidewall of groove 290. This configuration allows conductive layer 240a, conductive layer 240b, and groove 290 to be formed simultaneously.
半導体層230は、溝部290の一部を覆うように設けられている。半導体層230は、溝部290外で導電層240aの上面に接する領域と、導電層240aの側面に接する領域と、導電層240bの上面に接する領域と、導電層240bの側面に接する領域と、を有する。また、半導体層230は、溝部290の内部で導電層120に接する領域を有する。半導体層230は、具体的には、溝部290の内部で導電層120の凹部底面に接する領域、及び凹部側面に接する領域を有することができる。 The semiconductor layer 230 is provided so as to cover a portion of the groove 290. The semiconductor layer 230 has a region in contact with the top surface of the conductive layer 240a outside the groove 290, a region in contact with the side surface of the conductive layer 240a, a region in contact with the top surface of the conductive layer 240b, and a region in contact with the side surface of the conductive layer 240b. The semiconductor layer 230 also has a region in contact with the conductive layer 120 inside the groove 290. Specifically, the semiconductor layer 230 can have a region in contact with the bottom surface of the recess of the conductive layer 120 inside the groove 290, and a region in contact with the side surface of the recess.
さらに、半導体層230は、溝部290の側壁に沿う領域を有する。半導体層230は、溝部290の内部において、絶縁層280aの側面に接する領域、絶縁層280bの側面に接する領域、及び絶縁層280cの側面に接する領域を有することができる。 Furthermore, the semiconductor layer 230 has a region that runs along the sidewall of the groove 290. Inside the groove 290, the semiconductor layer 230 can have a region that contacts the side surface of the insulating layer 280a, a region that contacts the side surface of the insulating layer 280b, and a region that contacts the side surface of the insulating layer 280c.
図8A乃至図10Bでは、半導体層230の端部が、溝部290と重ならない領域において、導電層240aの端部、及び導電層240bの端部より外側に位置する例を示している。図8A乃至図10Bに示す例では、半導体層230が、導電層240aの全体、及び導電層240bの全体を覆っているということができる。なお、半導体層230の下端部が、溝部290と重ならない領域において、導電層240aの上端部と一致又は略一致する領域、及び導電層240bの上端部と一致又は略一致する領域を有してもよい。さらに、半導体層230の端部が、溝部290と重ならない領域において、導電層240aの端部、及び導電層240bの端部より内側に位置してもよい。すなわち、半導体層230の端部が、溝部290と重ならない領域において、導電層240aと重なる領域、及び導電層240bと重なる領域を有してもよい。 8A to 10B show an example in which the end of the semiconductor layer 230 is located outside the end of the conductive layer 240a and the end of the conductive layer 240b in the region where it does not overlap the groove 290. In the example shown in FIGS. 8A to 10B, it can be said that the semiconductor layer 230 covers the entire conductive layer 240a and the entire conductive layer 240b. Note that the lower end of the semiconductor layer 230 may have a region that coincides or approximately coincides with the upper end of the conductive layer 240a and a region that coincides or approximately coincides with the upper end of the conductive layer 240b in the region where it does not overlap the groove 290. Furthermore, the end of the semiconductor layer 230 may be located inside the end of the conductive layer 240a and the end of the conductive layer 240b in the region where it does not overlap the groove 290. That is, the end of the semiconductor layer 230 may have a region that overlaps with the conductive layer 240a and a region that overlaps with the conductive layer 240b in the region where it does not overlap the groove 290.
半導体層230として、例えば、金属酸化物を用いることができる。金属酸化物として、インジウム酸化物(酸化インジウムともいう)を用いることが好ましい。これにより、トランジスタ200は、オン電流が大きなトランジスタとすることができる。また、トランジスタ200は、オフ電流が小さいトランジスタとすることができる。なお、インジウム酸化物については、実施の形態2で詳述する。 For example, a metal oxide can be used for the semiconductor layer 230. It is preferable to use indium oxide (also referred to as indium oxide) as the metal oxide. This enables the transistor 200 to have a large on-state current. Furthermore, the transistor 200 can have a small off-state current. Indium oxide will be described in detail in Embodiment 2.
半導体層230として、インジウム酸化物以外の金属酸化物を用いてもよい。インジウム酸化物以外の金属酸化物として、例えば、インジウム(In)、ガリウム(Ga)及び亜鉛(Zn)を含む酸化物(IGZOとも記す)が挙げられる。半導体層230としてIGZOを用いることにより、トランジスタ200は、オフ電流が小さいトランジスタとすることができる。 A metal oxide other than indium oxide may be used for the semiconductor layer 230. Examples of metal oxides other than indium oxide include oxides containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) (also referred to as IGZO). By using IGZO for the semiconductor layer 230, the transistor 200 can have a low off-state current.
半導体層230の膜厚は、1nm以上50nm以下であることがより好ましく、2nm以上30nm以下であることがより好ましく、2.5nm以上20nm以下であることがより好ましく、5nm以上20nm以下であることがより好ましく、5nm以上10nm以下であることがさらに好ましい。なお、半導体層230は、少なくとも一部において、上記のような膜厚の領域を有していることが好ましい。例えば、半導体層230のチャネル形成領域において、上記のような膜厚の領域を有していることが好ましい。半導体層230の膜厚を上記範囲とすることで、半導体層230の結晶性を高めることができる。半導体層230の結晶性を高めることで、半導体層230は、結晶粒を有することができる。 The thickness of the semiconductor layer 230 is preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 2 nm to 30 nm, even more preferably 2.5 nm to 20 nm, still more preferably 5 nm to 20 nm, and even more preferably 5 nm to 10 nm. It is preferable that at least a portion of the semiconductor layer 230 has a region with the above thickness. For example, it is preferable that the channel formation region of the semiconductor layer 230 has a region with the above thickness. Setting the thickness of the semiconductor layer 230 within the above range can improve the crystallinity of the semiconductor layer 230. By improving the crystallinity of the semiconductor layer 230, the semiconductor layer 230 can have crystal grains.
絶縁層250は、溝部290の内部に位置する領域を有するように、半導体層230上に設けられている。絶縁層250は、半導体層230を覆うように設けることができる。 The insulating layer 250 is provided on the semiconductor layer 230 so as to have a region located inside the groove 290. The insulating layer 250 can be provided to cover the semiconductor layer 230.
導電層260は、溝部290の内部に位置する領域を有するように、絶縁層250上に設けられている。導電層260は、溝部290を埋めるように設けることができる。導電層260は、溝部290の内部で、絶縁層250を間に挟んで半導体層230と対向する領域を有する。 The conductive layer 260 is provided on the insulating layer 250 so as to have a region located inside the groove 290. The conductive layer 260 can be provided so as to fill the groove 290. The conductive layer 260 has a region inside the groove 290 that faces the semiconductor layer 230 with the insulating layer 250 sandwiched therebetween.
上述のように、半導体層230は、溝部290の内部に設けられている。また、トランジスタ200は、ソース電極及びドレイン電極の一方(ここでは導電層120)が下方に位置し、ソース電極及びドレイン電極の他方(ここでは導電層240a及び導電層240b)が上方に位置することから、電流が上下方向に流れる構成を有する。つまり、溝部290の側壁に沿って、チャネルが形成される。 As described above, the semiconductor layer 230 is provided inside the groove 290. Furthermore, the transistor 200 has a configuration in which one of the source and drain electrodes (here, the conductive layer 120) is located on the bottom and the other of the source and drain electrodes (here, the conductive layer 240a and the conductive layer 240b) is located on the top, so that current flows vertically. In other words, a channel is formed along the sidewall of the groove 290.
半導体層230において、溝部290の内部で絶縁層250を間に挟んで導電層260と対向する領域及びその近傍の領域は、トランジスタ200のチャネル形成領域として機能する。半導体層230の導電層120近傍の領域は、ソース領域及びドレイン領域の一方として機能する。半導体層230の導電層240a近傍の領域及び導電層240b近傍の領域の少なくとも一方は、ソース領域及びドレイン領域の他方として機能する。つまり、チャネル形成領域は、ソース領域とドレイン領域との間に挟まれている。ソース領域及びドレイン領域は、チャネル形成領域と比較してキャリア濃度が高い低抵抗領域である。 In the semiconductor layer 230, the region inside the groove 290 facing the conductive layer 260 with the insulating layer 250 sandwiched therebetween and the region nearby function as the channel formation region of the transistor 200. The region of the semiconductor layer 230 near the conductive layer 120 functions as one of the source region and the drain region. At least one of the region of the semiconductor layer 230 near the conductive layer 240a and the region of the semiconductor layer 230 near the conductive layer 240b functions as the other of the source region and the drain region. In other words, the channel formation region is sandwiched between the source region and the drain region. The source region and the drain region are low-resistance regions with higher carrier concentrations than the channel formation region.
上記の構成にすることで、溝部290の内部に、チャネル形成領域と、ソース領域又はドレイン領域と、を形成することができる。これにより、チャネル形成領域、ソース領域、及びドレイン領域が、XY平面上に別々に設けられている、プレーナ型のトランジスタと比較して、トランジスタ200は、占有面積を低減できる。したがって、半導体装置を微細化又は高集積化することができる。 By using the above configuration, a channel formation region and a source region or drain region can be formed inside the groove 290. This allows the transistor 200 to occupy a smaller area than a planar transistor in which the channel formation region, source region, and drain region are provided separately on the XY plane. This allows for miniaturization or high integration of semiconductor devices.
トランジスタ200のチャネル長は、半導体層230におけるソース領域とドレイン領域の間の距離となる。図9Aでは、トランジスタ200のチャネル長Lcを破線の両矢印で示している。チャネル長Lcは、断面視において、半導体層230と導電層240aが接する領域の端部と、半導体層230と導電層120が接する領域の端部との距離となる。なお、断面視において、半導体層230と導電層240bが接する領域の端部と、半導体層230と導電層120が接する領域の端部との距離をチャネル長Lcとしてもよい。 The channel length of transistor 200 is the distance between the source region and the drain region in semiconductor layer 230. In Figure 9A, the channel length Lc of transistor 200 is indicated by a dashed double-headed arrow. In a cross-sectional view, channel length Lc is the distance between the edge of the region where semiconductor layer 230 and conductive layer 240a contact and the edge of the region where semiconductor layer 230 and conductive layer 120 contact. Note that, in a cross-sectional view, channel length Lc may also be the distance between the edge of the region where semiconductor layer 230 and conductive layer 240b contact and the edge of the region where semiconductor layer 230 and conductive layer 120 contact.
プレーナ型のトランジスタのチャネル長は、フォトリソグラフィの露光限界で制限されており、さらなる微細化は困難であった。一方、トランジスタ200のチャネル長は、絶縁層280a、絶縁層280b、及び絶縁層280cの膜厚等で設定することができる。よって、トランジスタ200のチャネル長を、フォトリソグラフィの露光限界以下の非常に微細な構造(例えば、60nm以下、50nm以下、40nm以下、30nm以下、20nm以下、又は10nm以下であって、0.1nm以上、1nm以上、又は5nm以上)にすることができる。これにより、トランジスタ200のオン電流が大きくなり、周波数特性の向上を図ることができる。 The channel length of a planar transistor is limited by the exposure limit of photolithography, making further miniaturization difficult. On the other hand, the channel length of transistor 200 can be set by the film thicknesses of insulating layers 280a, 280b, and 280c. Therefore, the channel length of transistor 200 can be made into an extremely fine structure that is below the exposure limit of photolithography (e.g., 60 nm or less, 50 nm or less, 40 nm or less, 30 nm or less, 20 nm or less, or 10 nm or less, and 0.1 nm or more, 1 nm or more, or 5 nm or more). This increases the on-state current of transistor 200, improving its frequency characteristics.
なお、トランジスタ200のチャネル長は、絶縁層280a、絶縁層280b、及び絶縁層280cの膜厚等によって決定される。よって、該チャネル長は、トランジスタ200の占有面積、例えば平面視におけるトランジスタ200の面積に影響しない。トランジスタ200のチャネル長を例えば1μm以下、500nm以下、又は300nm以下とすることにより、溝部290の形成等において生産性、及び歩留まり等を高めることができる。 Note that the channel length of transistor 200 is determined by the film thicknesses of insulating layers 280a, 280b, and 280c. Therefore, the channel length does not affect the area occupied by transistor 200, for example, the area of transistor 200 in a planar view. By setting the channel length of transistor 200 to, for example, 1 μm or less, 500 nm or less, or 300 nm or less, productivity and yield can be improved in forming trench 290, etc.
以上より、本発明の一態様の半導体装置が有するトランジスタのチャネル長は、0.1nm以上1μm以下が好ましく、1nm以上500nm以下がより好ましく、5nm以上300nm以下がさらに好ましい。 From the above, the channel length of a transistor included in a semiconductor device of one embodiment of the present invention is preferably 0.1 nm to 1 μm, more preferably 1 nm to 500 nm, and even more preferably 5 nm to 300 nm.
ここで、導電層120が、例えば絶縁層280aの溝部290と重なる位置に凹部を有することで、該凹部を有さない場合に比べて、溝部290の内部における絶縁層250の下面の高さ及び導電層260の下面の高さのそれぞれを低くすることができる。ここで、それぞれの面の高さは、トランジスタの被形成面を基準として決定できる。なお、基準に用いる面は、トランジスタの被形成面に限られない。例えば、半導体装置が設けられている基板の上面を基準に用いてもよい。 Here, by having a recess in the conductive layer 120, for example, at a position overlapping the groove portion 290 of the insulating layer 280a, the height of the lower surface of the insulating layer 250 and the height of the lower surface of the conductive layer 260 inside the groove portion 290 can each be lower than when the recess is not present. Here, the height of each surface can be determined using the surface on which the transistor is formed as a reference. Note that the surface used as a reference is not limited to the surface on which the transistor is formed. For example, the top surface of the substrate on which the semiconductor device is provided can also be used as a reference.
導電層260の下面の高さを低くすることにより、半導体層230にゲート電界がかかりやすくなる。これにより、トランジスタ200の電気特性を良好にすることができる。また、導電層120と、導電層240a及び導電層240bと、のどちらをドレイン電極に用いても、トランジスタ200の電気特性を良好にすることができる。 By lowering the height of the bottom surface of the conductive layer 260, a gate electric field can be more easily applied to the semiconductor layer 230. This improves the electrical characteristics of the transistor 200. Furthermore, regardless of whether the conductive layer 120 or the conductive layer 240a and the conductive layer 240b is used as the drain electrode, the electrical characteristics of the transistor 200 can be improved.
本発明の一態様の半導体装置において、半導体層230を形成する場合、溝部290を覆うように半導体膜を形成した後、半導体膜を加工して半導体膜の一部を除去する。半導体膜の加工は、エッチング処理を用いて行うことができる。特に、ドライエッチング処理を用いると、半導体装置を微細化又は高集積化することができ好ましい。ここで、半導体膜の一部を加工して半導体層230を形成する場合、半導体膜における溝部290の側壁に沿う領域の一部を除去する。当該領域の除去は、等方性を有する条件で行うことが好ましい。 When forming the semiconductor layer 230 in a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a semiconductor film is formed so as to cover the groove 290, and then the semiconductor film is processed to remove a portion of the semiconductor film. The semiconductor film can be processed using an etching process. In particular, dry etching is preferably used because it enables miniaturization or high integration of the semiconductor device. Here, when the semiconductor film is processed to form the semiconductor layer 230, a portion of the region of the semiconductor film that is along the sidewall of the groove 290 is removed. The removal of this region is preferably performed under isotropic conditions.
半導体膜の加工を、ドライエッチング処理を用いて等方性を有する条件で行う場合、エッチングガスに含まれるイオンが十分加速されない場合がある。これにより、半導体膜の加工に長時間を要する場合がある。よって、溝部290の形成に起因して、例えば強誘電体層130の一部が露出している場合、強誘電体層130がエッチングガスに長時間曝されることになる。したがって、強誘電体層130が意図せず加工されやすくなる。そこで、上述のように絶縁層280aを設けることで、半導体膜の加工に長時間を要する場合であっても、例えば強誘電体層130が意図せず加工され、一部が除去されることを防ぐことができる。これにより、例えば容量100の電気特性の変動を防止し、信頼性が高い半導体装置を実現できる。また、半導体装置の作製歩留まりを高めることができるため、低コストで作製可能な半導体装置を提供できる。また、強誘電体層130に、例えば半導体層230とのエッチング選択比が低い材料を用いることができる。これにより、強誘電体層130の材料選択の幅を広げることができる。 When processing a semiconductor film using a dry etching process under isotropic conditions, ions contained in the etching gas may not be sufficiently accelerated. This can result in a long processing time for the semiconductor film. Therefore, if, for example, a portion of the ferroelectric layer 130 is exposed due to the formation of the groove 290, the ferroelectric layer 130 will be exposed to the etching gas for a long time. This makes the ferroelectric layer 130 more susceptible to unintentional processing. Therefore, by providing the insulating layer 280a as described above, even when processing the semiconductor film requires a long time, it is possible to prevent, for example, the ferroelectric layer 130 from being unintentionally processed and partially removed. This prevents fluctuations in the electrical characteristics of, for example, the capacitor 100, resulting in a highly reliable semiconductor device. Furthermore, since the manufacturing yield of the semiconductor device can be increased, a semiconductor device that can be manufactured at low cost can be provided. Furthermore, for example, a material with a low etching selectivity with respect to the semiconductor layer 230 can be used for the ferroelectric layer 130. This broadens the range of materials that can be used for the ferroelectric layer 130.
絶縁層283は、導電層260上、及び絶縁層250上に位置する。絶縁層283は、水素等の不純物に対するバリア絶縁層とすることができる。これにより、水素等の不純物のトランジスタ200への侵入を抑制できる。よって、信頼性が高い半導体装置を提供できる。水素に対するバリア絶縁層として、例えば、窒化シリコン膜が挙げられる。なお、水素に対するバリア絶縁層の材料の詳細については後述する。 The insulating layer 283 is located on the conductive layer 260 and the insulating layer 250. The insulating layer 283 can be a barrier insulating layer against impurities such as hydrogen. This can prevent impurities such as hydrogen from penetrating into the transistor 200. This makes it possible to provide a highly reliable semiconductor device. An example of a barrier insulating layer against hydrogen is a silicon nitride film. Details of the material for the barrier insulating layer against hydrogen will be described later.
絶縁層285は、絶縁層283上に位置する。絶縁層285、絶縁層283、絶縁層250、及び半導体層230は、導電層240aに達する開口部270a、及び導電層240bに達する開口部270bを有する。開口部270a内には導電層244aが設けられ、開口部270b内には導電層244bが設けられている。例えば、開口部270aを埋め込むように導電層244aが設けられ、開口部270bを埋め込むように導電層244bが設けられている。導電層244aは、開口部270a内で導電層240aと接する領域を有することができる。導電層244bは、開口部270b内で導電層240bと接する領域を有することができる。以下では、開口部270a及び開口部270bをまとめて開口部270という場合がある。また、導電層244a及び導電層244bをまとめて導電層244という場合がある。 Insulating layer 285 is located on insulating layer 283. Insulating layer 285, insulating layer 283, insulating layer 250, and semiconductor layer 230 have opening 270a reaching conductive layer 240a and opening 270b reaching conductive layer 240b. Conductive layer 244a is provided in opening 270a, and conductive layer 244b is provided in opening 270b. For example, conductive layer 244a is provided to fill opening 270a, and conductive layer 244b is provided to fill opening 270b. Conductive layer 244a may have a region in opening 270a that contacts conductive layer 240a. Conductive layer 244b may have a region in opening 270b that contacts conductive layer 240b. Hereinafter, openings 270a and 270b may be collectively referred to as opening 270. Furthermore, conductive layer 244a and conductive layer 244b may be collectively referred to as conductive layer 244.
導電層245は、絶縁層285上、導電層244a上、及び導電層244b上に設けられている。導電層245は、導電層244aの上面と接する領域、及び導電層244bの上面と接する領域を有することができる。以上により、導電層240aと導電層240bを、導電層244a、導電層245、及び導電層244bを介して接続できる。 Conductive layer 245 is provided on insulating layer 285, conductive layer 244a, and conductive layer 244b. Conductive layer 245 can have a region in contact with the top surface of conductive layer 244a and a region in contact with the top surface of conductive layer 244b. As a result, conductive layer 240a and conductive layer 240b can be connected via conductive layer 244a, conductive layer 245, and conductive layer 244b.
導電層245は、絶縁層283、及び絶縁層285を介して導電層260と重なる。これにより、例えば導電層245を設けず、導電層240a及び導電層240bをY方向に延在させる場合と比較して、寄生容量を小さくすることができる。例えば、導電層240aと導電層260の間の寄生容量、及び導電層240bと導電層260の間の寄生容量を小さくすることができる。よって、本発明の一態様の半導体装置は、高速駆動が可能な半導体装置とすることができる。なお、導電層244a及び導電層244bの上面の高さと、絶縁層285の上面の高さは揃っている、又は略揃っていることが好ましい。 The conductive layer 245 overlaps with the conductive layer 260 via the insulating layer 283 and the insulating layer 285. This reduces parasitic capacitance compared to, for example, a case where the conductive layer 240a and the conductive layer 240b extend in the Y direction without providing the conductive layer 245. For example, the parasitic capacitance between the conductive layer 240a and the conductive layer 260 and the parasitic capacitance between the conductive layer 240b and the conductive layer 260 can be reduced. Therefore, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be a semiconductor device capable of high-speed operation. Note that the height of the top surfaces of the conductive layer 244a and the conductive layer 244b is preferably the same as or approximately the same as the height of the top surface of the insulating layer 285.
前述のように、導電層245は、平面視において導電層260と交差し、例えば直交又は略直交する。これにより、導電層245と導電層260を平面視において平行に配置する場合より、導電層245と導電層260が重なる面積を小さくすることができる。よって、導電層260と導電層245との間に生じる寄生容量を小さくすることができる。したがって、本発明の一態様の半導体装置は、高速駆動が可能な半導体装置とすることができる。なお、例えば絶縁層285が十分厚く、導電層260と導電層245の間に生じる単位面積あたりの寄生容量が無視できるほど小さい場合は、導電層260と導電層245を平面視において平行となるように配置してもよい。 As described above, the conductive layer 245 intersects with the conductive layer 260 in a planar view, for example, perpendicular or substantially perpendicular to the conductive layer 260. This allows the area where the conductive layer 245 and the conductive layer 260 overlap to be smaller than when the conductive layer 245 and the conductive layer 260 are arranged parallel to each other in a planar view. This reduces the parasitic capacitance generated between the conductive layer 260 and the conductive layer 245. Therefore, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be a semiconductor device capable of high-speed operation. Note that, for example, if the insulating layer 285 is sufficiently thick and the parasitic capacitance per unit area generated between the conductive layer 260 and the conductive layer 245 is negligibly small, the conductive layer 260 and the conductive layer 245 may be arranged parallel to each other in a planar view.
図9A、及び図10Bでは、導電層240aが、導電層240a_1と、導電層240a_1上の導電層240a_2と、の2層構造である例を示す。また、導電層240bが、導電層240b_1と、導電層240b_1上の導電層240b_2と、の2層構造である例を示す。 Figures 9A and 10B show an example in which the conductive layer 240a has a two-layer structure made up of a conductive layer 240a_1 and a conductive layer 240a_2 on the conductive layer 240a_1. Also, an example in which the conductive layer 240b has a two-layer structure made up of a conductive layer 240b_1 and a conductive layer 240b_2 on the conductive layer 240b_1 is shown.
図9A、及び図10Bでは、開口部270aが、絶縁層285、絶縁層283、絶縁層250、及び半導体層230だけでなく、導電層240a_2にも設けられている例を示している。同様に、図9Aでは、開口部270bが導電層240b_2にも設けられている例を示している。また、開口部270aが導電層240a_1に達し、開口部270bが導電層240b_1に達する例を示している。この場合、導電層244aは、導電層240a_1の上面、及び導電層240a_2の側面と接する領域を有することができる。同様に、導電層244bは、導電層240b_1の上面、及び導電層240b_2の側面と接する領域を有することができる。 9A and 10B show an example in which opening 270a is provided not only in insulating layer 285, insulating layer 283, insulating layer 250, and semiconductor layer 230, but also in conductive layer 240a_2. Similarly, FIG. 9A shows an example in which opening 270b is provided in conductive layer 240b_2. Also, an example is shown in which opening 270a reaches conductive layer 240a_1, and opening 270b reaches conductive layer 240b_1. In this case, conductive layer 244a can have a region in contact with the top surface of conductive layer 240a_1 and the side surface of conductive layer 240a_2. Similarly, conductive layer 244b can have a region in contact with the top surface of conductive layer 240b_1 and the side surface of conductive layer 240b_2.
導電層244aが導電層240a_1の上面と接することにより、例えば導電層240a_2と導電層244aの間の単位面積あたりのコンタクト抵抗が、導電層240a_1と導電層244aの間の単位面積あたりのコンタクト抵抗より大きい場合であっても、導電層240aと導電層244aの間のコンタクト抵抗を小さくできる。また、導電層244aが導電層240a_2の側面と接することにより、導電層244aが例えば導電層240aの上面としか接しない場合と比較して、導電層240aと導電層244aの接触面積を大きくできる。これにより、導電層240aと導電層244aの間のコンタクト抵抗を小さくできる。同様に、導電層244bが導電層240b_1の上面と接し、且つ、導電層244bが導電層240b_2の側面と接することにより、導電層240bと導電層244bの間のコンタクト抵抗を小さくできる。 By having conductive layer 244a in contact with the top surface of conductive layer 240a_1, the contact resistance between conductive layer 240a and conductive layer 244a can be reduced, even if the contact resistance per unit area between conductive layer 240a_2 and conductive layer 244a is greater than the contact resistance per unit area between conductive layer 240a_1 and conductive layer 244a. Furthermore, by having conductive layer 244a in contact with the side surface of conductive layer 240a_2, the contact area between conductive layer 240a and conductive layer 244a can be increased compared to when conductive layer 244a is in contact only with the top surface of conductive layer 240a, for example. This reduces the contact resistance between conductive layer 240a and conductive layer 244a. Similarly, the conductive layer 244b contacts the top surface of the conductive layer 240b_1 and also contacts the side surface of the conductive layer 240b_2, thereby reducing the contact resistance between the conductive layer 240b and the conductive layer 244b.
なお、導電層240a_2が開口部270aを有さなくてもよく、導電層240b_2が開口部270bを有さなくてもよい。この場合、開口部270aは導電層240a_2の上面に達し、開口部270bは導電層240b_2の上面に達する。導電層240a_2が開口部270aを有さない場合、導電層240a_2が開口部270aを有する場合より、開口部270aを容易に形成できる。同様に、導電層240b_2が開口部270bを有さない場合、導電層240b_2が開口部270bを有する場合より、開口部270bを容易に形成できる。 Note that the conductive layer 240a_2 does not have to have the opening 270a, and the conductive layer 240b_2 does not have to have the opening 270b. In this case, the opening 270a reaches the top surface of the conductive layer 240a_2, and the opening 270b reaches the top surface of the conductive layer 240b_2. When the conductive layer 240a_2 does not have the opening 270a, the opening 270a can be formed more easily than when the conductive layer 240a_2 has the opening 270a. Similarly, when the conductive layer 240b_2 does not have the opening 270b, the opening 270b can be formed more easily than when the conductive layer 240b_2 has the opening 270b.
図9A、及び図10Bに示す例では、開口部270aは、絶縁層285が有する開口部と、絶縁層283が有する開口部と、絶縁層250が有する開口部と、半導体層230が有する開口部と、導電層240a_2が有する開口部と、を含む。同様に、図9Aに示す例では、開口部270bは、絶縁層285が有する開口部と、絶縁層283が有する開口部と、絶縁層250が有する開口部と、半導体層230が有する開口部と、導電層240b_2が有する開口部と、を含む。なお、各層によって、開口部270a及び開口部270bの平面視における形状及び大きさが異なっていてもよい。また、開口部270a及び開口部270bの平面視における形状が円形であるとき、各層が有する開口部は同心円状であってもよく、同心円状でなくてもよい。 9A and 10B, the opening 270a includes an opening in the insulating layer 285, an opening in the insulating layer 283, an opening in the insulating layer 250, an opening in the semiconductor layer 230, and an opening in the conductive layer 240a_2. Similarly, in the example shown in FIG. 9A, the opening 270b includes an opening in the insulating layer 285, an opening in the insulating layer 283, an opening in the insulating layer 250, an opening in the semiconductor layer 230, and an opening in the conductive layer 240b_2. Note that the shape and size of the openings 270a and 270b in a planar view may differ depending on the layer. Furthermore, when the shape of the openings 270a and 270b in a planar view is circular, the openings in each layer may or may not be concentric.
図9A乃至図10Aでは、導電層260が、導電層260_1と、導電層260_1上の導電層260_2と、の2層構造である例を示す。導電層260_1は、導電層260_2の底面及び側面を包むように配置することができる。 Figures 9A to 10A show an example in which the conductive layer 260 has a two-layer structure including a conductive layer 260_1 and a conductive layer 260_2 on the conductive layer 260_1. The conductive layer 260_1 can be disposed to surround the bottom and side surfaces of the conductive layer 260_2.
本発明の一態様の半導体装置は、導電層245上及び絶縁層285上に、絶縁層を設けることができる。当該絶縁層には、水素に対するバリア絶縁層を用いることが好ましい。このような構成にすることで、トランジスタ200の上方から半導体層230への水素の拡散を抑制できる。 In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, an insulating layer can be provided over the conductive layer 245 and the insulating layer 285. The insulating layer preferably serves as a barrier insulating layer against hydrogen. With this structure, hydrogen diffusion from above the transistor 200 to the semiconductor layer 230 can be suppressed.
図11A、及び図11Bは、それぞれ図9A、及び図9Bに示す絶縁層180が、絶縁層180aと、絶縁層180a上の絶縁層180bと、絶縁層180b上の絶縁層180cと、の3層構造である例を示す図である。すなわち、図11A、及び図11Bでは、絶縁層180が、それぞれ図5A、及び図5Bと同様の構成である例を示している。 Figures 11A and 11B are diagrams showing an example in which the insulating layer 180 shown in Figures 9A and 9B, respectively, has a three-layer structure consisting of insulating layer 180a, insulating layer 180b on insulating layer 180a, and insulating layer 180c on insulating layer 180b. In other words, Figures 11A and 11B show an example in which the insulating layer 180 has the same configuration as Figures 5A and 5B, respectively.
図11A、及び図11Bに示す例では、絶縁層180a、絶縁層180b、及び絶縁層180cのうち、少なくとも絶縁層180c中の水素又は水等の不純物濃度は低減されていることが好ましい。絶縁層180に含まれる各層のうち、半導体層230に最も近い絶縁層180c中の不純物濃度が低減されていることにより、トランジスタ200のチャネル形成領域への水素又は水等の不純物の混入を抑制できる。例えば、成膜ガスに水素を含む分子を用いなくてもよいスパッタリング法を用いて絶縁層180cを成膜することで、絶縁層180c中の水素濃度を低減できる。 11A and 11B, among insulating layers 180a, 180b, and 180c, it is preferable that the concentration of impurities such as hydrogen or water is reduced in at least insulating layer 180c. By reducing the impurity concentration in insulating layer 180c, which is closest to semiconductor layer 230 among the layers included in insulating layer 180, it is possible to suppress the intrusion of impurities such as hydrogen or water into the channel formation region of transistor 200. For example, the hydrogen concentration in insulating layer 180c can be reduced by depositing insulating layer 180c using a sputtering method, which does not require the use of hydrogen-containing molecules in the deposition gas.
ここで、絶縁層180a、及び絶縁層180bは、スパッタリング法以外の方法で成膜してもよい。例えば、絶縁層180aは、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)を用いて成膜することができる。この場合、導電層110を被覆性良く覆うように絶縁層180aを成膜できる。ここで、絶縁層180cは、絶縁層180aと膜厚が異なる場合がある。例えば、絶縁層180aをALD法で成膜し、絶縁層180cをスパッタリング法で成膜する場合、絶縁層180cの膜厚が絶縁層180aの膜厚より厚くなる場合がある。 Insulating layer 180a and insulating layer 180b may be formed by a method other than sputtering. For example, insulating layer 180a can be formed using atomic layer deposition (ALD). In this case, insulating layer 180a can be formed so as to cover conductive layer 110 with good coverage. Insulating layer 180c may have a different film thickness from insulating layer 180a. For example, if insulating layer 180a is formed by ALD and insulating layer 180c is formed by sputtering, insulating layer 180c may have a thicker film thickness than insulating layer 180a.
図12は、図11Aに示す導電層120が、導電層120_1と、導電層120_1上の導電層120_2と、導電層120_2上の導電層120_3と、の3層構造である例を示す図である。なお、例えば図9Aに示す導電層120を、3層積層構造としてもよい。図12では、導電層120_3が凹部を有する例を示している。 Figure 12 shows an example in which the conductive layer 120 shown in Figure 11A has a three-layer structure consisting of a conductive layer 120_1, a conductive layer 120_2 on the conductive layer 120_1, and a conductive layer 120_3 on the conductive layer 120_2. Note that the conductive layer 120 shown in Figure 9A, for example, may have a three-layer stacked structure. Figure 12 shows an example in which the conductive layer 120_3 has a recess.
導電層120_3として、酸化されにくい導電性材料、酸化されても電気抵抗が低く保たれる導電性材料、導電性を有する金属酸化物、又は酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電層120_3として、例えば酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。具体的には、導電層120_3として、酸化物導電体を用いることが好ましい。酸化物導電体として、例えば、インジウム錫酸化物(In−Sn酸化物、ITOともいう)、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物(ITSOともいう)、及びインジウム亜鉛酸化物(In−Zn酸化物、IZO(登録商標)ともいう)が挙げられる。 For the conductive layer 120_3, it is preferable to use a conductive material that is resistant to oxidation, a conductive material that maintains low electrical resistance even when oxidized, a conductive metal oxide, or a conductive material that has the function of suppressing oxygen diffusion. For example, it is preferable to use a conductive material that contains oxygen for the conductive layer 120_3. Specifically, it is preferable to use an oxide conductor for the conductive layer 120_3. Examples of oxide conductors include indium tin oxide (In-Sn oxide, also referred to as ITO), indium tin oxide containing silicon oxide (also referred to as ITSO), and indium zinc oxide (In-Zn oxide, also referred to as IZO (registered trademark)).
半導体層230と主に接する導電層120_3として酸化物導電体を用いることで、半導体層230との間のコンタクト抵抗を低くすることができる。これにより、ソースとドレインの間の電流経路を短くでき、トランジスタ200のオン電流を大きくすることができる。このような構造にすることで、導電層120が半導体層230と接していても、導電性を維持することができる。 By using an oxide conductor as the conductive layer 120_3, which is mainly in contact with the semiconductor layer 230, the contact resistance with the semiconductor layer 230 can be reduced. This shortens the current path between the source and drain, and increases the on-state current of the transistor 200. With this structure, the conductive layer 120 can maintain conductivity even when in contact with the semiconductor layer 230.
<半導体装置の構成材料>
以下では、本実施の形態の半導体装置に用いることができる材料について説明する。なお、本実施の形態の半導体装置を構成する各層は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
<Constituent materials of semiconductor device>
Materials that can be used in the semiconductor device of this embodiment will be described below. Note that each layer constituting the semiconductor device of this embodiment may have a single-layer structure or a stacked-layer structure.
[半導体層]
半導体層230には、例えば金属酸化物を用いることができる。金属酸化物としては、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3.0eV以上のものを用いることが好ましい。
[Semiconductor layer]
For example, a metal oxide can be used for the semiconductor layer 230. The metal oxide to be used has a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, and more preferably 3.0 eV or more.
半導体層230として、インジウム酸化物を用いることが好ましい。また、半導体層230として、インジウム酸化物以外の金属酸化物を用いてもよい。この場合、半導体層230として、例えば、酸化ガリウム、又は酸化亜鉛を用いることができる。また、半導体層230としてインジウム酸化物以外の金属酸化物を用いる場合、当該金属酸化物は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、の中から選ばれる一種又は複数種を有することが好ましい。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、シリコン、イットリウム、錫、銅、バナジウム、クロム、マンガン、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、コバルト及びアンチモンから選ばれた一種又は複数種である。特に、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム及び錫から選ばれた一種又は複数種であることが好ましい。 Indium oxide is preferably used as the semiconductor layer 230. Alternatively, a metal oxide other than indium oxide may be used as the semiconductor layer 230. In this case, for example, gallium oxide or zinc oxide can be used as the semiconductor layer 230. When a metal oxide other than indium oxide is used as the semiconductor layer 230, the metal oxide preferably contains one or more elements selected from indium, element M, and zinc. The element M is one or more elements selected from aluminum, gallium, silicon, yttrium, tin, copper, vanadium, chromium, manganese, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, calcium, strontium, barium, cobalt, and antimony. In particular, the element M is preferably one or more elements selected from aluminum, gallium, yttrium, and tin.
また、半導体層230に用いる金属酸化物には、IGZOを用いることができる。又は、インジウム、錫及び亜鉛を含む酸化物(ITZO(登録商標)とも記す)を用いることができる。又は、インジウム、ガリウム、錫及び亜鉛を含む酸化物を用いることができる。又は、インジウム(In)、アルミニウム(Al)及び亜鉛(Zn)を含む酸化物(IAZOとも記す)を用いることができる。又は、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)及び亜鉛(Zn)を含む酸化物(IAGZOとも記す)を用いることができる。 The metal oxide used for the semiconductor layer 230 can be IGZO. Alternatively, an oxide containing indium, tin, and zinc (also referred to as ITZO (registered trademark)) can be used. Alternatively, an oxide containing indium, gallium, tin, and zinc can be used. Alternatively, an oxide containing indium (In), aluminum (Al), and zinc (Zn) (also referred to as IAZO) can be used. Alternatively, an oxide containing indium (In), aluminum (Al), gallium (Ga), and zinc (Zn) (also referred to as IAGZO) can be used.
また、インジウムと元素Mとを含む金属酸化物は、化学組成が異なる複数の酸化物層の積層構造とすることが好ましい。例えば、1層目と1層目の直上に位置する2層目との2層構造の酸化物層を考える。1層目に用いられる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Mの原子数比が、2層目に用いられる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Mの原子数比よりも大きいことが好ましい。また、1層目に用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、2層目に用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。当該構成にすることで、1層目よりも下方に形成された構造物からの、2層目に対する、不純物及び酸素の拡散を抑制できる。 Furthermore, it is preferable that the metal oxide containing indium and element M have a layered structure of multiple oxide layers with different chemical compositions. For example, consider an oxide layer with a two-layer structure consisting of a first layer and a second layer located immediately above the first layer. The atomic ratio of element M to the main component metal element in the metal oxide used for the first layer is preferably greater than the atomic ratio of element M to the main component metal element in the metal oxide used for the second layer. Furthermore, it is preferable that the atomic ratio of element M to In in the metal oxide used for the first layer is greater than the atomic ratio of element M to In in the metal oxide used for the second layer. This configuration can suppress the diffusion of impurities and oxygen from structures formed below the first layer into the second layer.
また、2層目に用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、1層目に用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。当該構成とすることで、当該構成を有するOSトランジスタは大きいオン電流と、高い周波数特性と、を得ることができる。 Furthermore, the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used in the second layer is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used in the first layer. With this structure, an OS transistor having this structure can have high on-state current and high frequency characteristics.
具体的には、例えば、1層目に用いられる金属酸化物は、In:M:Zn=1:3:2[原子数比]若しくはその近傍の組成、In:M:Zn=1:3:4[原子数比]若しくはその近傍の組成、又はIn:M:Zn=1:1:0.5[原子数比]若しくはその近傍の組成の金属酸化物を用いることができる。また、2層目に用いられる金属酸化物は、In:M:Zn=1:1:1[原子数比]若しくはその近傍の組成、In:M:Zn=1:1:1.2[原子数比]若しくはその近傍の組成、In:M:Zn=1:1:2[原子数比]若しくはその近傍の組成、又はIn:M:Zn=4:2:3[原子数比]若しくはその近傍の組成の金属酸化物を用いることができる。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の0.70倍以上1.3倍以下の範囲を含む。例えば、所望の原子数比の値が4である場合、その近傍の組成としての原子数比の値は、2.8以上5.2以下となる。 Specifically, for example, the metal oxide used in the first layer may have a composition of In:M:Zn = 1:3:2 (atomic ratio) or a similar composition, In:M:Zn = 1:3:4 (atomic ratio) or a similar composition, or In:M:Zn = 1:1:0.5 (atomic ratio) or a similar composition. Furthermore, the metal oxide used in the second layer may have a composition of In:M:Zn = 1:1:1 (atomic ratio) or a similar composition, In:M:Zn = 1:1:1.2 (atomic ratio) or a similar composition, In:M:Zn = 1:1:2 (atomic ratio) or a similar composition, or In:M:Zn = 4:2:3 (atomic ratio) or a similar composition. Note that a similar composition includes a range of 0.70 to 1.3 times the desired atomic ratio. For example, if the desired atomic ratio is 4, the atomic ratio of the nearby composition will be between 2.8 and 5.2.
ところで、トランジスタのオフ電流を低くする場合、半導体層230に用いる金属酸化物としては、例えばIGZOを用いることが好ましい。半導体層230にIGZOが含まれる場合、当該トランジスタは、ゲート−ソース間電圧が0Vのときにソース−ドレイン間に流れる電流の量は、室温において、チャネル幅1μmあたり、1×10−20A以下、85℃において1×10−18A以下、又は125℃において1×10−16A以下となる。 In order to reduce the off-state current of a transistor, it is preferable to use, for example, IGZO as the metal oxide used in the semiconductor layer 230. When the semiconductor layer 230 contains IGZO, the amount of current flowing between the source and drain of the transistor when the gate-source voltage is 0 V is 1×10 −20 A or less per 1 μm of channel width at room temperature, 1×10 −18 A or less at 85° C., or 1×10 −16 A or less at 125° C.
上記の通り、半導体層230にIGZOが含まれるトランジスタにおいて、ゲート−ソース間電圧がしきい値電圧よりも低い場合には、チャネル幅1μmあたりに流れる電流の量は、1×10−16A以下、好ましくは1×10−18A以下、より好ましくは1×10−20A以下となる。なお、状況によっては、チャネル幅1μmあたりに流れる電流の量は、1×10−20A以下、より好ましくは1×10−22A以下、更に好ましくは1×10−24A以下とすることができる場合がある。なお、本明細書では、この領域におけるトランジスタの動作をオフ状態とする場合がある。また、このとき、トランジスタに流れる電流をオフ電流と呼称する場合がある。 As described above, in a transistor in which the semiconductor layer 230 includes IGZO, when the gate-source voltage is lower than the threshold voltage, the amount of current flowing per 1 μm of channel width is 1×10 −16 A or less, preferably 1×10 −18 A or less, and more preferably 1×10 −20 A or less. Depending on the situation, the amount of current flowing per 1 μm of channel width may be 1×10 −20 A or less, more preferably 1×10 −22 A or less, and even more preferably 1×10 −24 A or less. In this specification, the operation of the transistor in this region may be referred to as an off state. In addition, the current flowing through the transistor at this time may be referred to as an off current.
金属酸化物の構造は、単結晶構造と、それ以外の構造(非単結晶の構造)と、に分けられる。非単結晶の構造としては、例えば、CAAC(c−axis aligned crystalline)構造、多結晶(polycrystalline)構造、nc(nanocrystalline)構造、擬似非晶質(a−like:amorphous−like)構造、非晶質構造等がある。本発明の一態様の金属酸化物の構造は、特に限定されず、上記構造のいずれかを用いることができる。ただし、CAAC構造、nc構造等に代表される結晶性の金属酸化物を用いることにより、信頼性の高い半導体装置とすることができるため好適である。 Metal oxide structures can be divided into single-crystal structures and other structures (non-single-crystal structures). Non-single-crystal structures include, for example, a CAAC (c-axis aligned crystalline) structure, a polycrystalline structure, a nanocrystalline (nc) structure, a pseudo-amorphous (a-like) structure, and an amorphous structure. The structure of the metal oxide of one embodiment of the present invention is not particularly limited, and any of the above structures can be used. However, using a crystalline metal oxide, such as a CAAC structure or an nc structure, is preferable because it enables the production of a highly reliable semiconductor device.
金属酸化物は、酸化インジウムを用いると好適である。特に結晶性の酸化インジウムを用いると好適である。結晶性の酸化インジウムの詳細については、後述する。また、上記金属酸化物は、In−Ga−Zn酸化物(インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物)、Ga−Zn酸化物又は酸化ガリウムを用いることができる。 Indium oxide is preferably used as the metal oxide. Crystalline indium oxide is particularly preferred. Details of crystalline indium oxide will be described later. Furthermore, the metal oxide may be In-Ga-Zn oxide (indium-gallium-zinc oxide), Ga-Zn oxide, or gallium oxide.
また、金属酸化物としては、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、1:3:2[原子数比]、1:1:0.5[原子数比]、1:1:1[原子数比]、4:2:3[原子数比]、又は3:1:2[原子数比]の金属酸化物を用いることができる。また、In:Zn=4:1[原子数比]の金属酸化物を用いることができる。 Also, metal oxides that can be used include those with an atomic ratio of In:Ga:Zn = 1:3:4, 1:3:2, 1:1:0.5, 1:1:1, 4:2:3, or 3:1:2. Also, metal oxides with an atomic ratio of In:Zn = 4:1 can be used.
金属酸化物の形成は、スパッタリング法又はALD法を好適に用いることができる。なお、金属酸化物をスパッタリング法で形成する場合、結晶性が高い、又は膜密度が高い膜を形成することができる。また、ALD法を用いて、金属酸化物を形成する場合、一層ずつ原子を堆積することができるため、ピンホール等の欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能等の効果を有する。また、金属酸化物の形成後に、不純物除去処理を行い、当該金属酸化物の膜中から不純物(ここでは、代表的には、水、水素、炭素、窒素等の不純物)を除去すると好適である。なお、不純物除去処理としては、例えば、プラズマ処理、マイクロ波処理及び加熱処理が挙げられる。 Metal oxides can be formed preferably by sputtering or ALD. When metal oxides are formed by sputtering, films with high crystallinity or high film density can be formed. Furthermore, when metal oxides are formed using ALD, atoms can be deposited layer by layer, which has the advantages of enabling films with fewer defects such as pinholes, excellent coating properties, and low temperature film formation. After metal oxide formation, it is preferable to perform an impurity removal process to remove impurities (typically impurities such as water, hydrogen, carbon, and nitrogen) from the metal oxide film. Examples of impurity removal processes include plasma treatment, microwave treatment, and heat treatment.
半導体層230として、金属酸化物以外の半導体材料を用いてもよい。当該他の半導体材料としては、例えば、単体元素よりなる半導体、又は化合物半導体が挙げられる。 Semiconductor materials other than metal oxides may be used for the semiconductor layer 230. Examples of such other semiconductor materials include semiconductors made of elemental elements and compound semiconductors.
半導体材料に用いることができる、単体元素よりなる半導体として、例えば、シリコン、及びゲルマニウムが挙げられる。また、半導体材料に用いることができるシリコンとして、単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、及び非晶質シリコンが挙げられる。多結晶シリコンとして、例えば、低温ポリシリコン(LTPS:Low Temperature Poly Silicon)が挙げられる。 Examples of semiconductors made of elemental elements that can be used as semiconductor materials include silicon and germanium. Examples of silicon that can be used as semiconductor materials include single-crystal silicon, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, and amorphous silicon. Examples of polycrystalline silicon include low-temperature polysilicon (LTPS).
半導体材料に用いることができる化合物半導体として、炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、窒化ホウ素、ヒ化ホウ素等が挙げられる。半導体層230に用いることができる窒化ホウ素は、アモルファス構造を含むことが好ましい。半導体層230に用いることができるヒ化ホウ素は、立方晶構造の結晶を含むことが好ましい。その他、化合物半導体として、例えば、有機半導体、及び、窒化物半導体が挙げられる。なお、前述の酸化物半導体も、化合物半導体の一種である。なお、これらの半導体材料に、ドーパントとして不純物が含まれてもよい。 Compound semiconductors that can be used for the semiconductor material include silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, boron nitride, and boron arsenide. The boron nitride that can be used for the semiconductor layer 230 preferably has an amorphous structure. The boron arsenide that can be used for the semiconductor layer 230 preferably has a cubic crystal structure. Other examples of compound semiconductors include organic semiconductors and nitride semiconductors. The aforementioned oxide semiconductors are also a type of compound semiconductor. These semiconductor materials may contain impurities as dopants.
[絶縁層]
半導体装置が有する絶縁層(絶縁層116、絶縁層140、絶縁層180、絶縁層250、絶縁層280、絶縁層283、絶縁層285等)には、それぞれ、無機絶縁膜を用いることが好ましい。無機絶縁膜としては、例えば、酸化絶縁膜、窒化絶縁膜、酸化窒化絶縁膜、及び窒化酸化絶縁膜が挙げられる。酸化絶縁膜としては、例えば、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ゲルマニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化ネオジム膜、酸化ハフニウム膜、酸化タンタル膜、酸化セリウム膜、ガリウム亜鉛酸化物膜、及びハフニウムアルミネート膜が挙げられる。窒化絶縁膜としては、例えば、窒化シリコン膜、及び窒化アルミニウム膜が挙げられる。酸化窒化絶縁膜としては、例えば、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化窒化ガリウム膜、酸化窒化イットリウム膜、及び酸化窒化ハフニウム膜が挙げられる。窒化酸化絶縁膜としては、例えば、窒化酸化シリコン膜、及び窒化酸化アルミニウム膜が挙げられる。また、半導体装置が有する絶縁層には、有機絶縁膜を用いてもよい。
[Insulating layer]
It is preferable to use an inorganic insulating film for each of the insulating layers (insulating layer 116, insulating layer 140, insulating layer 180, insulating layer 250, insulating layer 280, insulating layer 283, insulating layer 285, etc.) included in the semiconductor device. Examples of inorganic insulating films include an oxide insulating film, a nitride insulating film, an oxynitride insulating film, and a nitride oxide insulating film. Examples of oxide insulating films include a silicon oxide film, an aluminum oxide film, a magnesium oxide film, a gallium oxide film, a germanium oxide film, an yttrium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, a neodymium oxide film, a hafnium oxide film, a tantalum oxide film, a cerium oxide film, a gallium zinc oxide film, and a hafnium aluminate film. Examples of nitride insulating films include a silicon nitride film and an aluminum nitride film. Examples of oxynitride insulating films include a silicon oxynitride film, an aluminum oxynitride film, a gallium oxynitride film, an yttrium oxynitride film, and a hafnium oxynitride film. Examples of nitride oxide insulating films include a silicon nitride oxide film and an aluminum nitride oxide film. Furthermore, an organic insulating film may be used for the insulating layer of the semiconductor device.
例えば、トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁層の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。ゲート絶縁層に、比誘電率が高い(high−k)材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。また、ゲート絶縁層の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。一方、層間絶縁層として機能する絶縁層には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減できる。したがって、絶縁層の機能に応じて、材料を選択することが好ましい。なお、比誘電率が低い材料は、絶縁耐力が大きい材料でもある。比誘電率が低い材料は、下地絶縁層として機能する絶縁層にも用いることができる。 For example, as transistors become more miniaturized and highly integrated, thinner gate insulating layers can cause problems such as leakage current. Using a high-dielectric-constant (high-k) material for the gate insulating layer allows for lower voltage operation of the transistor while maintaining the physical film thickness. It also makes it possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of the gate insulating layer. Meanwhile, using a material with a low dielectric constant for the insulating layer that functions as an interlayer insulating layer can reduce the parasitic capacitance that occurs between wiring. Therefore, it is preferable to select materials according to the function of the insulating layer. Note that materials with a low dielectric constant also have high dielectric strength. Materials with a low dielectric constant can also be used for insulating layers that function as base insulating layers.
比誘電率が高い材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ハフニウムジルコニウム酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化窒化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化窒化物、並びに、シリコン及びハフニウムを有する窒化物等が挙げられる。 Examples of materials with a high relative dielectric constant include aluminum oxide, gallium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, hafnium zirconium oxide, oxides containing aluminum and hafnium, oxynitrides containing aluminum and hafnium, oxides containing silicon and hafnium, oxynitrides containing silicon and hafnium, and nitrides containing silicon and hafnium.
比誘電率が低い材料としては、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、及び窒化酸化シリコン等の無機絶縁材料、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン及びアラミド等)、ポリイミド、ポリカーボネート、及びアクリル樹脂等の樹脂が挙げられる。また、比誘電率が低い他の無機絶縁材料として、例えば、フッ素を含む酸化シリコン、炭素を含む酸化シリコン、並びに、炭素及び窒素を含む酸化シリコン等が挙げられる。また、例えば、空孔を有する酸化シリコンが挙げられる。なお、これらの酸化シリコンは、窒素を含むことができる。 Examples of materials with a low relative dielectric constant include inorganic insulating materials such as silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride oxide, and resins such as polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, and acrylic resin. Other inorganic insulating materials with a low relative dielectric constant include, for example, silicon oxide containing fluorine, silicon oxide containing carbon, and silicon oxide containing carbon and nitrogen. Another example is silicon oxide with vacancies. These silicon oxides may contain nitrogen.
また、半導体層として金属酸化物を用いたトランジスタは、不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁層で囲むことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁層としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、及びタンタルから選ばれた一以上を含む絶縁層を、単層又は積層で用いることができる。具体的には、不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁層の材料として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、又は酸化タンタル等の金属酸化物、窒化アルミニウム、又は窒化シリコン等の窒化物、窒化酸化シリコン等の窒化酸化物を用いることができる。 Furthermore, a transistor using a metal oxide as a semiconductor layer can have stable electrical characteristics by being surrounded by an insulating layer that functions to suppress the permeation of impurities and oxygen. The insulating layer that functions to suppress the permeation of impurities and oxygen can be, for example, a single-layer or stacked insulating layer containing one or more elements selected from boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, and tantalum. Specifically, the insulating layer that functions to suppress the permeation of impurities and oxygen can be made of metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide; nitrides such as aluminum nitride or silicon nitride; or nitride oxides such as silicon nitride oxide.
具体的には、水及び水素といった不純物と、酸素と、の透過を抑制する機能を有する絶縁層の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、並びに、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)といった金属酸化物が挙げられる。また、例えば、窒化アルミニウム、及び窒化シリコンといった窒化物が挙げられる。また、例えば、窒化酸化シリコンといった金属窒化物が挙げられる。また、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁層の材料としては、酸化ガリウムが挙げられる。 Specific examples of insulating layer materials that function to suppress the permeation of impurities such as water and hydrogen, and oxygen include metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate). Other examples include nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride. Other examples include metal nitrides such as silicon nitride oxide. Gallium oxide is also an example of insulating layer materials that function to suppress the permeation of oxygen.
また、ゲート絶縁層等の、金属酸化物層と接する絶縁層、又は金属酸化物層の近傍に設ける絶縁層は、過剰酸素を含む領域を有する絶縁層であることが好ましい。例えば、過剰酸素を含む領域を有する絶縁層が、金属酸化物層と接する、又は金属酸化物層の近傍に位置することで、金属酸化物層が有する酸素欠損を低減することができる。過剰酸素を含む領域を形成しやすい絶縁性材料として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、及び空孔を有する酸化シリコン等が挙げられる。また、過剰酸素を含む領域を形成しやすい絶縁層として、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、及び空孔を有する酸化シリコン膜等が挙げられる。 Furthermore, an insulating layer, such as a gate insulating layer, that is in contact with a metal oxide layer or that is provided near a metal oxide layer is preferably an insulating layer that has a region containing excess oxygen. For example, when an insulating layer that has a region containing excess oxygen is in contact with a metal oxide layer or is located near the metal oxide layer, oxygen vacancies in the metal oxide layer can be reduced. Examples of insulating materials that easily form a region containing excess oxygen include silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon oxide with vacancies. Examples of insulating layers that easily form a region containing excess oxygen include a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, and a silicon oxide film with vacancies.
金属酸化物層と接する絶縁層、又は金属酸化物層の近傍に設ける絶縁層は、水素に対するバリア絶縁層を用いることが好ましい。該絶縁層が水素に対するバリア性を有することで、金属酸化物層への水素の拡散を抑制することができる。水素に対するバリア絶縁層は、水素の拡散を抑制する機能を有する絶縁層ともいえる。 It is preferable to use a hydrogen barrier insulating layer as an insulating layer in contact with a metal oxide layer or an insulating layer provided near a metal oxide layer. The insulating layer's barrier properties against hydrogen can suppress the diffusion of hydrogen into the metal oxide layer. A hydrogen barrier insulating layer can also be said to be an insulating layer that has the function of suppressing the diffusion of hydrogen.
水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁性材料としては、ハフニウムを含む酸化物、マグネシウムを含む酸化物、アルミニウムを含む酸化物、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、ハフニウムシリケート等の金属酸化物が挙げられる。また、これらの金属酸化物は、さらにジルコニウムを含んでいてもよく、例えば、ハフニウム及びジルコニウムを含む酸化物(酸化ハフニウムジルコニウム)等が挙げられる。 Insulating materials capable of capturing or fixing hydrogen include metal oxides such as oxides containing hafnium, oxides containing magnesium, oxides containing aluminum, oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and hafnium silicate. These metal oxides may also contain zirconium, such as oxides containing hafnium and zirconium (hafnium zirconium oxide).
水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層は、アモルファス構造を有することが好ましい。アモルファス構造を有する金属酸化物では、一部の酸素原子がダングリングボンドを有するため、水素を捕獲する又は固着する能力が高い。したがって、該絶縁層がアモルファス構造を有することで、水素を捕獲する又は固着する機能を高めることができる。 An insulating layer that has the function of capturing or fixing hydrogen preferably has an amorphous structure. In metal oxides with an amorphous structure, some oxygen atoms have dangling bonds, which gives them a high ability to capture or fix hydrogen. Therefore, by having the insulating layer have an amorphous structure, the ability to capture or fix hydrogen can be enhanced.
上記絶縁層をアモルファス構造にすることで、結晶粒界の形成を抑制することができる。結晶粒界の形成が抑制されることで、該絶縁層の平坦性を高めることができる。これにより絶縁層の膜厚分布が均一化されて、膜厚が極端に薄い領域を低減することができるため、絶縁層の耐圧を向上させることができる。また、絶縁層上に設ける膜の膜厚分布を均一化することができる。また、上記絶縁層の結晶粒界の形成を抑制することで、結晶粒界の欠陥準位に起因するリーク電流を低減することができる。よって、絶縁層をリーク電流の少ない絶縁膜として機能させることができる。 By making the insulating layer an amorphous structure, it is possible to suppress the formation of grain boundaries. Suppressing the formation of grain boundaries can improve the flatness of the insulating layer. This makes the film thickness distribution of the insulating layer uniform, reducing areas with extremely thin film thickness, thereby improving the breakdown voltage of the insulating layer. It also makes it possible to uniform the film thickness distribution of films provided on the insulating layer. Furthermore, suppressing the formation of grain boundaries in the insulating layer can reduce leakage current caused by defect levels at the grain boundaries. Therefore, the insulating layer can function as an insulating film with low leakage current.
なお、上記絶縁層は、一部に結晶領域、及び結晶粒界の一方又は両方を有する場合がある。 Note that the insulating layer may contain crystalline regions and/or grain boundaries in some areas.
なお、対応する物質を捕獲する又は固着する機能は、対応する物質が拡散し難い性質を有するともいえる。よって、対応する物質を捕獲する又は固着する機能を、バリア性と言い換えることができる。 The ability to capture or fix the corresponding substance can also be said to have the property of making the corresponding substance difficult to diffuse. Therefore, the ability to capture or fix the corresponding substance can be rephrased as barrier properties.
水素に対するバリア絶縁層の材料としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、ハフニウム及びジルコニウムを含む酸化物、窒化シリコン、又は窒化酸化シリコン等が挙げられる。 Materials for the barrier insulating layer against hydrogen include aluminum oxide, magnesium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), oxides containing hafnium and zirconium, silicon nitride, and silicon nitride oxide.
水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層、及び水素の拡散を抑制する機能を有する絶縁層として挙げた無機絶縁層は、酸素に対するバリア性も有する。酸素に対するバリア絶縁層の材料としては、例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方又は両方を含む酸化物、酸化マグネシウム、ガリウム亜鉛酸化物、窒化シリコン、及び窒化酸化シリコン等が挙げられる。また、アルミニウム及びハフニウムの一方又は両方を含む酸化物として、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、並びに、ハフニウムシリケート等が挙げられる。 The inorganic insulating layers listed as insulating layers capable of capturing or fixing hydrogen and insulating layers capable of suppressing hydrogen diffusion also have barrier properties against oxygen. Examples of materials for oxygen barrier insulating layers include oxides containing either or both of aluminum and hafnium, magnesium oxide, gallium zinc oxide, silicon nitride, and silicon nitride oxide. Examples of oxides containing either or both of aluminum and hafnium include aluminum oxide, hafnium oxide, oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and hafnium silicate.
図1A乃至図10Bでは、絶縁層140が単層構造である例を示す。なお、絶縁層140は2層以上の積層構造とすることが可能である。例えば、絶縁層140は、第1の絶縁層と、第1の絶縁層上の第2の絶縁層と、の2層構造とすることが可能である。このとき、例えば、第1の絶縁層として水素に対するバリア絶縁層を用い、第2の絶縁層として水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層を用いることが好ましい。具体的には、第1の絶縁層として窒化シリコン膜を用い、第2の絶縁層として酸化ハフニウム膜、ハフニウムシリケート膜、又は酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。 1A to 10B show an example in which the insulating layer 140 has a single-layer structure. Note that the insulating layer 140 can also have a stacked structure of two or more layers. For example, the insulating layer 140 can have a two-layer structure of a first insulating layer and a second insulating layer on the first insulating layer. In this case, for example, it is preferable to use a barrier insulating layer against hydrogen as the first insulating layer and an insulating layer that has the function of capturing or fixing hydrogen as the second insulating layer. Specifically, it is preferable to use a silicon nitride film as the first insulating layer and a hafnium oxide film, hafnium silicate film, or aluminum oxide film as the second insulating layer.
絶縁層250は、水素に対するバリア絶縁層を用いることが好ましい。半導体層230上に設けられている絶縁層250が水素に対するバリア性を有することで、導電層260に含まれる水素が半導体層230へ拡散することを抑制できる。例えば、窒化シリコン膜は水素に対するバリア性が高いため、絶縁層250として好適である。 The insulating layer 250 is preferably a barrier insulating layer against hydrogen. The insulating layer 250 provided on the semiconductor layer 230 has barrier properties against hydrogen, which can prevent hydrogen contained in the conductive layer 260 from diffusing into the semiconductor layer 230. For example, a silicon nitride film has high barrier properties against hydrogen and is therefore suitable as the insulating layer 250.
また、絶縁層250は、半導体層230と接するため、水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層を用いることが好ましい。これにより、半導体層230に含まれる水素を、より効果的に捕獲させる又は固着させることができる。よって、半導体層230の水素濃度(特に、トランジスタのチャネル形成領域中の水素濃度)を低減できる。よって、チャネル形成領域中のVOHを低減し、チャネル形成領域をi型又は実質的にi型とすることができる。 Furthermore, since the insulating layer 250 is in contact with the semiconductor layer 230, it is preferable to use an insulating layer having a function of capturing or fixing hydrogen. This allows hydrogen contained in the semiconductor layer 230 to be captured or fixed more effectively. Therefore, the hydrogen concentration in the semiconductor layer 230 (particularly, the hydrogen concentration in the channel formation region of the transistor) can be reduced. Therefore, VOH in the channel formation region can be reduced, and the channel formation region can be made i-type or substantially i-type.
また、絶縁層250は、過剰酸素を含む領域を有する絶縁層を用いることが好ましい。これにより、絶縁層250から半導体層230に酸素を供給し、半導体層230中の酸素欠損を低減することができる。酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜等は、熱に対し安定な構造を有するため、絶縁層250として好適である。 Furthermore, it is preferable to use an insulating layer having a region containing excess oxygen as the insulating layer 250. This allows oxygen to be supplied from the insulating layer 250 to the semiconductor layer 230, reducing oxygen vacancies in the semiconductor layer 230. A silicon oxide film or a silicon oxynitride film, for example, has a structure that is stable against heat, making it suitable as the insulating layer 250.
図9A乃至図10Bでは、絶縁層250が単層構造である例を示す。なお、絶縁層250は2層以上の積層構造とすることが可能である。このとき、絶縁層250は、2種以上の膜によって形成されると好ましい。絶縁層250を2種以上の膜とすることで、複数の機能を絶縁層250に付与することができる。絶縁層250が有する機能としては、例えば、半導体層230から水素を引き抜く機能、及び半導体層230に水素が拡散することを抑制する機能等が挙げられる。 Figures 9A to 10B show an example in which the insulating layer 250 has a single-layer structure. Note that the insulating layer 250 can also have a stacked structure of two or more layers. In this case, the insulating layer 250 is preferably formed of two or more types of films. By forming the insulating layer 250 from two or more types of films, multiple functions can be imparted to the insulating layer 250. Examples of the functions of the insulating layer 250 include the function of extracting hydrogen from the semiconductor layer 230 and the function of suppressing diffusion of hydrogen into the semiconductor layer 230.
例えば、絶縁層250は、第1の絶縁層と、第1の絶縁層上の第2の絶縁層と、の2層構造とすることが可能である。このとき、第1の絶縁層が半導体層230と接する。例えば、第1の絶縁層として水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層を用い、第2の絶縁層として水素に対するバリア絶縁層を用いることが好ましい。このような構成にすることで、半導体層230中の水素濃度を低減でき、及び半導体層230への水素の拡散を抑制できる。したがって、信頼性の高いトランジスタを実現できる。 For example, the insulating layer 250 can have a two-layer structure of a first insulating layer and a second insulating layer on the first insulating layer. In this case, the first insulating layer is in contact with the semiconductor layer 230. For example, it is preferable to use an insulating layer that has the function of capturing or fixing hydrogen as the first insulating layer, and to use a barrier insulating layer against hydrogen as the second insulating layer. With this structure, the hydrogen concentration in the semiconductor layer 230 can be reduced and diffusion of hydrogen into the semiconductor layer 230 can be suppressed. Therefore, a highly reliable transistor can be realized.
又は、例えば、第1の絶縁層として過剰酸素を含む領域を有する絶縁層を用い、第2の絶縁層として水素に対するバリア絶縁層を用いることが好ましい。又は、例えば、第1の絶縁層として過剰酸素を含む領域を有する絶縁層を用い、第2の絶縁層として水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層を用いることが好ましい。このような構成にすることで、半導体層230中の酸素欠損量及び水素濃度を低減でき、半導体層230への水素の拡散を抑制できる。したがって、信頼性の高いトランジスタを実現できる。 Alternatively, for example, it is preferable to use an insulating layer having a region containing excess oxygen as the first insulating layer and a barrier insulating layer against hydrogen as the second insulating layer. Alternatively, for example, it is preferable to use an insulating layer having a region containing excess oxygen as the first insulating layer and an insulating layer having the function of capturing or fixing hydrogen as the second insulating layer. With such a structure, the amount of oxygen vacancies and the hydrogen concentration in the semiconductor layer 230 can be reduced, and diffusion of hydrogen into the semiconductor layer 230 can be suppressed. Therefore, a highly reliable transistor can be realized.
また、例えば、絶縁層250は、半導体層230と第1の絶縁層との間に第3の絶縁層を有することが可能である。別言すると、絶縁層250は、第3の絶縁層と、第3の絶縁層上の第1の絶縁層と、第1の絶縁層上の第2の絶縁層と、の3層構造とすることが可能である。 Furthermore, for example, the insulating layer 250 can have a third insulating layer between the semiconductor layer 230 and the first insulating layer. In other words, the insulating layer 250 can have a three-layer structure consisting of a third insulating layer, a first insulating layer on the third insulating layer, and a second insulating layer on the first insulating layer.
例えば、第3の絶縁層として、過剰酸素を含む領域を有する絶縁層又は比誘電率が低い材料を有する絶縁層を用い、第1の絶縁層として、水素を捕獲する又は固着する機能を有する絶縁層を用い、第2の絶縁層として、水素及び酸素に対するバリア性を有する絶縁層を用いることが好ましい。第3の絶縁層は、酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜を用いることが好ましい。半導体層230と接する第3の絶縁層に酸化膜を用いることで、半導体層230に酸素を供給することができる。また、第2の絶縁層を設けることで、第3の絶縁層に含まれる酸素が導電層260に拡散することを抑制し、導電層260の酸化を抑制できる。また、第3の絶縁層から半導体層230に供給される酸素量が減少することを抑制できる。 For example, it is preferable to use an insulating layer having a region containing excess oxygen or an insulating layer containing a material with a low dielectric constant as the third insulating layer, an insulating layer having the function of capturing or fixing hydrogen as the first insulating layer, and an insulating layer having barrier properties against hydrogen and oxygen as the second insulating layer. The third insulating layer is preferably a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. By using an oxide film for the third insulating layer in contact with the semiconductor layer 230, oxygen can be supplied to the semiconductor layer 230. Furthermore, providing the second insulating layer can prevent oxygen contained in the third insulating layer from diffusing into the conductive layer 260, thereby preventing oxidation of the conductive layer 260. It is also possible to prevent a decrease in the amount of oxygen supplied from the third insulating layer to the semiconductor layer 230.
また、例えば、絶縁層250は、半導体層230と第3の絶縁層との間に第4の絶縁層を有することが可能である。別言すると、絶縁層250は、第4の絶縁層と、第4の絶縁層上の第3の絶縁層と、第3の絶縁層上の第1の絶縁層と、第1の絶縁層上の第2の絶縁層と、の4層構造とすることが可能である。第4の絶縁層は、絶縁層250が有する2層以上の積層のうち、半導体層230と接する層である。 Furthermore, for example, the insulating layer 250 can have a fourth insulating layer between the semiconductor layer 230 and the third insulating layer. In other words, the insulating layer 250 can have a four-layer structure consisting of a fourth insulating layer, a third insulating layer on the fourth insulating layer, a first insulating layer on the third insulating layer, and a second insulating layer on the first insulating layer. The fourth insulating layer is the layer in contact with the semiconductor layer 230 among the two or more layers that the insulating layer 250 has.
第4の絶縁層として、酸素に対するバリア性を有する絶縁層を用いることが好ましい。なお、第1乃至第3の絶縁層については、前述の3層構造に用いる層と同様の構成を適用できる。第4の絶縁層は、半導体層230と接する層である。第4の絶縁層が、酸素に対するバリア性を有することで、半導体層230から酸素が脱離することを抑制できる。 It is preferable to use an insulating layer that has a barrier property against oxygen as the fourth insulating layer. Note that the same configuration as the layers used in the three-layer structure described above can be applied to the first to third insulating layers. The fourth insulating layer is a layer that is in contact with the semiconductor layer 230. The fourth insulating layer's barrier property against oxygen can prevent oxygen from being released from the semiconductor layer 230.
第4の絶縁層として、例えば、酸化アルミニウム膜を用いるとよい。酸化アルミニウム膜は、水素を捕獲する又は固着する機能、又は、水素に対するバリア性を有するため、半導体層230と接する第4の絶縁層として好適である。具体的には、絶縁層250は、半導体層230側から、酸化アルミニウム膜、酸化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、窒化シリコン膜の順で積層された4層構造を用いることが好ましい。 For example, an aluminum oxide film may be used as the fourth insulating layer. An aluminum oxide film has the function of capturing or adhering hydrogen, or has barrier properties against hydrogen, and is therefore suitable as the fourth insulating layer in contact with the semiconductor layer 230. Specifically, the insulating layer 250 preferably has a four-layer structure in which an aluminum oxide film, a silicon oxide film, a hafnium oxide film, and a silicon nitride film are stacked in this order from the semiconductor layer 230 side.
なお、絶縁層250に、強誘電性を有しうる材料を用いてもよい。この場合、絶縁層250には、強誘電体層130に用いることができる材料を用いることができる。 The insulating layer 250 may be made of a material that can have ferroelectric properties. In this case, the insulating layer 250 may be made of a material that can be used for the ferroelectric layer 130.
絶縁層250は薄膜であることが好ましい。例えば、絶縁層250の膜厚を、1nm以上20nm以下、好ましくは3nm以上10nm以下とすることで、トランジスタ特性の一つである、サブスレッショルドスイング値(S値ともいう)を小さくすることができる。なお、S値とは、サブスレッショルド領域において、ドレイン電圧が一定で、ドレイン電流を1桁変化させる際の、ゲート電圧の変化量をいう。 The insulating layer 250 is preferably a thin film. For example, by setting the thickness of the insulating layer 250 to 1 nm or more and 20 nm or less, preferably 3 nm or more and 10 nm or less, the subthreshold swing value (also known as the S value), which is one of the transistor characteristics, can be reduced. Note that the S value refers to the amount of change in gate voltage when the drain current is changed by one order of magnitude while the drain voltage is constant in the subthreshold region.
また、絶縁層250を構成する各層の膜厚は、0.1nm以上10nm以下が好ましく、0.1nm以上5nm以下がより好ましく、0.5nm以上5nm以下がより好ましく、1nm以上5nm未満がより好ましく、1nm以上3nm以下がさらに好ましい。なお、絶縁層250を構成する各層は、少なくとも一部において、上記のような膜厚の領域を有していることが好ましい。 Furthermore, the film thickness of each layer constituting the insulating layer 250 is preferably 0.1 nm or more and 10 nm or less, more preferably 0.1 nm or more and 5 nm or less, more preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, more preferably 1 nm or more and less than 5 nm, and even more preferably 1 nm or more and 3 nm or less. It is preferable that each layer constituting the insulating layer 250 has a region with the above-mentioned film thickness in at least a portion thereof.
[導電層]
半導体装置が有する導電層(導電層110、導電層115、導電層120、導電層240a、導電層240b、導電層244、導電層245、導電層260等)には、それぞれ、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、亜鉛、タンタル、ニッケル、チタン、鉄、コバルト、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、ストロンチウム、及びランタン等から選ばれた金属元素、又は前述した金属元素を成分とする合金か、前述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。前述した金属元素を成分とする合金として、該合金の窒化物、又は該合金の酸化物を用いてもよい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物等を用いることが好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。
[Conductive layer]
For the conductive layers (conductive layer 110, conductive layer 115, conductive layer 120, conductive layer 240a, conductive layer 240b, conductive layer 244, conductive layer 245, conductive layer 260, etc.) included in the semiconductor device, it is preferable to use a metal element selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, zinc, tantalum, nickel, titanium, iron, cobalt, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, palladium, iridium, strontium, lanthanum, etc., or an alloy containing any of the above metal elements as a component, or an alloy combining any of the above metal elements, etc. As the alloy containing any of the above metal elements as a component, a nitride of the alloy or an oxide of the alloy may be used. For example, it is preferable to use tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, etc. Furthermore, semiconductors with high electrical conductivity, typified by polycrystalline silicon containing impurity elements such as phosphorus, and silicides such as nickel silicide may also be used.
また、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、ルテニウムを含む窒化物、タンタル及びアルミニウムを含む窒化物、又はチタン及びアルミニウムを含む窒化物等の窒素を含む導電性材料、酸化ルテニウム、ストロンチウム及びルテニウムを含む酸化物、又はランタン及びニッケルを含む酸化物等の酸素を含む導電性材料、チタン、タンタル、又はルテニウム等の金属元素を含む材料は、酸化されにくい導電性材料、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料、又は、酸素を吸収しても電気抵抗が低く保たれる導電性材料であるため、好ましい。なお、酸素を含む導電性材料として、酸化タングステ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酸化物、ITO、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、ITSO、IZO(登録商標)、及び、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物等が挙げられる。本明細書等では、酸素を含む導電性材料を用いて成膜される導電膜を、酸化物導電膜と呼ぶことがある。 Furthermore, conductive materials containing nitrogen, such as nitrides containing tantalum, nitrides containing titanium, nitrides containing molybdenum, nitrides containing tungsten, nitrides containing ruthenium, nitrides containing tantalum and aluminum, or nitrides containing titanium and aluminum; conductive materials containing oxygen, such as ruthenium oxide, oxides containing strontium and ruthenium, or oxides containing lanthanum and nickel; and materials containing metal elements such as titanium, tantalum, or ruthenium, are preferred because they are conductive materials that are resistant to oxidation, have the function of suppressing oxygen diffusion, or maintain low electrical resistance even when absorbing oxygen. Examples of conductive materials containing oxygen include indium oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, ITO, indium tin oxide containing titanium oxide, ITSO, IZO (registered trademark), and indium zinc oxide containing tungsten oxide. In this specification and the like, a conductive film formed using a conductive material containing oxygen may be referred to as an oxide conductive film.
タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料は、導電性が高いため、好ましい。 Conductive materials primarily composed of tungsten, copper, or aluminum are preferred due to their high conductivity.
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。 Moreover, multiple conductive layers formed from the above materials may be stacked. For example, a layered structure may be formed by combining the above-mentioned material containing a metal element with a conductive material containing oxygen. Moreover, a layered structure may be formed by combining the above-mentioned material containing a metal element with a conductive material containing nitrogen. Moreover, a layered structure may be formed by combining the above-mentioned material containing a metal element with a conductive material containing oxygen and a conductive material containing nitrogen.
なお、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電層には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、該導電性材料から脱離した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。 Note that when a metal oxide is used for the channel formation region of a transistor, the conductive layer that functions as the gate electrode preferably has a stacked structure that combines a material containing the metal element described above and a conductive material containing oxygen. In this case, it is preferable to provide the conductive material containing oxygen on the channel formation region side. By providing the conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen desorbed from the conductive material is more easily supplied to the channel formation region.
導電層120、導電層240a、及び導電層240bは、それぞれ、半導体層230と接する導電層であるため、それぞれ、酸化されにくい導電性材料、酸化されても電気抵抗が低く保たれる導電性材料、導電性を有する金属酸化物(酸化物導電体ともいう)、又は、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。該導電性材料として、例えば、窒素を含む導電性材料、及び酸素を含む導電性材料が挙げられる。これにより、導電層120、導電層240a、及び導電層240bの導電率が低下することを抑制できる。 Since the conductive layer 120, the conductive layer 240a, and the conductive layer 240b are each conductive layers in contact with the semiconductor layer 230, it is preferable to use a conductive material that is resistant to oxidation, a conductive material that maintains low electrical resistance even when oxidized, a metal oxide having conductivity (also referred to as an oxide conductor), or a conductive material that has the function of suppressing oxygen diffusion. Examples of such conductive materials include conductive materials containing nitrogen and conductive materials containing oxygen. This can suppress a decrease in the conductivity of the conductive layer 120, the conductive layer 240a, and the conductive layer 240b.
導電層120として酸素を含む導電性材料を用いることで、導電層120が酸素を吸収しても導電性を維持することができる。同様に、導電層240a及び導電層240bとして酸素を含む導電性材料を用いることで、それぞれ導電層240a及び導電層240bが酸素を吸収しても導電性を維持することができる。また、絶縁層140として酸化ハフニウム等の酸素を含む絶縁層を用いる場合においても、導電層120は導電性を維持できるため好適である。導電層120、導電層240a、及び導電層240bのそれぞれとして、例えば、ITO、ITSO、In−Zn酸化物等を用いることが好ましい。 By using a conductive material containing oxygen for the conductive layer 120, the conductive layer 120 can maintain its conductivity even when it absorbs oxygen. Similarly, by using a conductive material containing oxygen for the conductive layer 240a and the conductive layer 240b, the conductive layer 240a and the conductive layer 240b can maintain their conductivity even when they absorb oxygen. Furthermore, even when an insulating layer containing oxygen, such as hafnium oxide, is used as the insulating layer 140, this is also preferable because the conductive layer 120 can maintain its conductivity. For example, ITO, ITSO, In-Zn oxide, or the like is preferably used for each of the conductive layer 120, the conductive layer 240a, and the conductive layer 240b.
導電層120、導電層240a、及び導電層240bがそれぞれ積層構造である場合、該積層構造のうち、半導体層230との接触面積が最も大きい層に酸素を含む導電性材料を用いることで、導電層120と半導体層230との間、導電層240aと半導体層230との間、及び導電層240bと半導体層230との間それぞれのコンタクト抵抗を低くすることができる。 When the conductive layer 120, the conductive layer 240a, and the conductive layer 240b each have a stacked structure, by using a conductive material containing oxygen for the layer in the stacked structure that has the largest contact area with the semiconductor layer 230, it is possible to reduce the contact resistance between the conductive layer 120 and the semiconductor layer 230, between the conductive layer 240a and the semiconductor layer 230, and between the conductive layer 240b and the semiconductor layer 230.
図9A、及び図10Bでは、導電層240aが、導電層240a_1と、導電層240a_1上の導電層240a_2と、の2層構造である例を示している。このとき、例えば、導電層240a_2として、酸素を含む導電性材料を用い、導電層240a_1として、導電層240a_2よりも導電性が高い材料を用いることが好ましい。具体的には、導電層240a_2として、酸化物導電体(例えば、ITO、ITSO、又はIn−Zn酸化物)を用い、導電層240a_1として、タングステンを用いることが好ましい。また、導電層240a_1として、ルテニウム、窒化チタン、又は窒化タンタル等を用いてもよい。半導体層230と主に接する導電層240a_2として酸化物導電体を用いることで、半導体層230との間のコンタクト抵抗を低くすることができる。また、導電層240aを構成する層に、酸化物導電体よりも導電性が高い材料を用いることで、導電層240aの導電性を高めることができる。 9A and 10B show an example in which the conductive layer 240a has a two-layer structure including a conductive layer 240a_1 and a conductive layer 240a_2 on the conductive layer 240a_1. In this case, for example, it is preferable to use a conductive material containing oxygen for the conductive layer 240a_2 and a material having higher conductivity than the conductive layer 240a_1 for the conductive layer 240a_2. Specifically, it is preferable to use an oxide conductor (e.g., ITO, ITSO, or In-Zn oxide) for the conductive layer 240a_2 and tungsten for the conductive layer 240a_1. Ruthenium, titanium nitride, tantalum nitride, or the like may also be used for the conductive layer 240a_1. By using an oxide conductor for the conductive layer 240a_2, which is primarily in contact with the semiconductor layer 230, the contact resistance with the semiconductor layer 230 can be reduced. Furthermore, by using a material with higher conductivity than an oxide conductor for the layer that constitutes the conductive layer 240a, the conductivity of the conductive layer 240a can be increased.
なお、導電層240a_1として、酸素を含む導電性材料を用い、導電層240a_2として、導電層240a_1よりも導電性が高い材料を用いることもできる。この場合、導電層240aのうち、半導体層230のチャネル形成領域に最も近い層に酸化物導電体が用いられる。したがって、ソースとドレインの間の電流経路を短くでき、トランジスタ200のオン電流を大きくすることができる。 Note that a conductive material containing oxygen can be used for the conductive layer 240a_1, and a material having higher conductivity than the conductive layer 240a_1 can be used for the conductive layer 240a_2. In this case, an oxide conductor is used for the layer of the conductive layer 240a closest to the channel formation region of the semiconductor layer 230. Therefore, the current path between the source and drain can be shortened, and the on-state current of the transistor 200 can be increased.
図9Aでは、導電層240bが、導電層240b_1と、導電層240b_1上の導電層240b_2と、の2層構造である例を示している。導電層240b_1には、導電層240a_1に用いることができる材料を用いることができる。導電層240b_2には、導電層240a_2に用いることができる材料を用いることができる。 Figure 9A shows an example in which the conductive layer 240b has a two-layer structure including a conductive layer 240b_1 and a conductive layer 240b_2 on the conductive layer 240b_1. The conductive layer 240b_1 can be made of the same material as that used for the conductive layer 240a_1. The conductive layer 240b_2 can be made of the same material as that used for the conductive layer 240a_2.
導電層260は、ゲート電極として機能する領域を有する。導電層260は、タングステン、ルテニウム等の導電性が高い材料を用いることが好ましい。また、導電層260として、酸化されにくい導電性材料、又は、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料等を用いることが好ましい。該導電性材料としては、前述の通り、窒素を含む導電性材料(例えば、窒化チタン又は窒化タンタル等)、及び酸素を含む導電性材料(例えば、酸化ルテニウム等)等が挙げられる。これにより、導電層260の導電率が低下することを抑制できる。 The conductive layer 260 has a region that functions as a gate electrode. It is preferable to use a highly conductive material such as tungsten or ruthenium for the conductive layer 260. It is also preferable to use a conductive material that is resistant to oxidation or a conductive material that has the function of suppressing oxygen diffusion for the conductive layer 260. As mentioned above, examples of such conductive materials include conductive materials containing nitrogen (e.g., titanium nitride or tantalum nitride) and conductive materials containing oxygen (e.g., ruthenium oxide). This can suppress a decrease in the conductivity of the conductive layer 260.
また、導電層260には、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素及び酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素及び窒素を含む導電性材料(例えば、窒化チタン、窒化タンタル等)を用いてもよい。また、ITO、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、In−Zn酸化物、及び、ITSOから選ばれる一つ又は複数を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。又は、外方の絶縁層等から混入する水素を捕獲することができる場合がある。 Furthermore, the conductive layer 260 preferably uses a conductive material containing oxygen and the metal element contained in the metal oxide in which the channel is formed. Alternatively, the conductive material containing the aforementioned metal element and nitrogen (e.g., titanium nitride, tantalum nitride, etc.) may also be used. Alternatively, one or more selected from ITO, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, In-Zn oxide, and ITSO may also be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may also be used. Using such a material may make it possible to capture hydrogen contained in the metal oxide in which the channel is formed. Alternatively, it may make it possible to capture hydrogen introduced from an outer insulating layer, etc.
図9A乃至図10Aに示す導電層260は、導電層260_1と、導電層260_1上の導電層260_2と、の2層構造である。このとき、例えば、導電層260_1として窒化チタン膜を用い、導電層260_2としてタングステン膜を用いることが好ましい。又は、導電層260_1として窒化タンタル膜を用い、導電層260_2として銅膜を用いることが好ましい。このような構成とすることで、導電層260の導電率を高めることができる。 The conductive layer 260 shown in Figures 9A to 10A has a two-layer structure of a conductive layer 260_1 and a conductive layer 260_2 over the conductive layer 260_1. In this case, for example, it is preferable to use a titanium nitride film as the conductive layer 260_1 and a tungsten film as the conductive layer 260_2. Alternatively, it is preferable to use a tantalum nitride film as the conductive layer 260_1 and a copper film as the conductive layer 260_2. With such a structure, the conductivity of the conductive layer 260 can be increased.
また、導電層260は、3層以上の積層構造であってもよい。導電層260は、例えば、窒化タンタル膜と、窒化タンタル膜上の窒化チタン膜と、窒化チタン膜上のタングステン膜と、の3層構造としてもよい。 The conductive layer 260 may also have a stacked structure of three or more layers. For example, the conductive layer 260 may have a three-layer structure of a tantalum nitride film, a titanium nitride film on the tantalum nitride film, and a tungsten film on the titanium nitride film.
導電層244、及び導電層245には、導電層240a及び導電層240bに適用可能な材料を用いることができる。導電層244、及び導電層245として、例えば、耐熱性と導電性を両立するタングステン又はモリブデン等の高融点材料を用いることができる。又は、アルミニウム又は銅等の低抵抗導電性材料を用いることができる。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 The conductive layers 244 and 245 can be formed using materials that can be used for the conductive layers 240a and 240b. For the conductive layers 244 and 245, for example, a high-melting-point material that has both heat resistance and conductivity, such as tungsten or molybdenum, can be used. Alternatively, a low-resistance conductive material, such as aluminum or copper, can be used. Using a low-resistance conductive material can reduce wiring resistance.
例えば図9Aでは、導電層244、及び導電層245が単層構造である例を示す。なお、導電層244、及び導電層245は、2層以上の積層構造とすることが可能である。 For example, Figure 9A shows an example in which the conductive layer 244 and the conductive layer 245 have a single-layer structure. Note that the conductive layer 244 and the conductive layer 245 can also have a stacked structure of two or more layers.
[基板]
トランジスタを形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、又は導電体基板を用いることができる。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板等)、樹脂基板等がある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン若しくはゲルマニウムを材料とした半導体基板、又は炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、若しくは酸化ガリウムからなる化合物半導体基板等がある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板等がある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、又は導電性樹脂基板等がある。又は、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板等がある。さらには、絶縁体基板に導電体又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板等がある。又は、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、又は記憶素子等がある。
[substrate]
Substrates on which transistors are formed can include, for example, insulating substrates, semiconductor substrates, or conductive substrates. Examples of insulating substrates include glass substrates, quartz substrates, sapphire substrates, stabilized zirconia substrates (e.g., yttria-stabilized zirconia substrates), and resin substrates. Examples of semiconductor substrates include semiconductor substrates made of silicon or germanium, or compound semiconductor substrates made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Examples of semiconductor substrates include those having an insulating region within the semiconductor substrate, such as an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. Examples of conductive substrates include graphite substrates, metal substrates, alloy substrates, and conductive resin substrates. Other examples include substrates having a metal nitride or a metal oxide. Examples of other substrates include a substrate in which a conductor or semiconductor is provided on an insulating substrate, a substrate in which a conductor or insulator is provided on a semiconductor substrate, and a substrate in which a semiconductor or insulator is provided on a conductive substrate. Alternatively, a substrate provided with elements may be used, such as a capacitor element, a resistor element, a switch element, a light-emitting element, or a memory element.
本明細書等において、シリコンを材料とした半導体基板を、シリコン基板という。 In this specification, a semiconductor substrate made of silicon is referred to as a silicon substrate.
以上が、本実施の形態の半導体装置に用いることができる材料についての説明である。 The above is a description of the materials that can be used in the semiconductor device of this embodiment.
<半導体装置の作製方法例>
以下では、本発明の一態様の半導体装置、具体的には容量100の作製方法の一例について、図13A乃至図20Cを用いて説明する。半導体装置の作製方法の一例を示す図面において、特に明示がある場合を除き、各図の(A)は、平面図を示す。また、各図の(B)はそれぞれ、各図の(A)に示す一点鎖線A1−A2間の断面図である。また、各図の(C)はそれぞれ、各図の(A)に示す一点鎖線B1−B2間の断面図である。
<Example of Manufacturing Method of Semiconductor Device>
13A to 20C , an example of a manufacturing method for a semiconductor device of one embodiment of the present invention, specifically, a capacitor 100, will be described. In the drawings illustrating an example of a manufacturing method for a semiconductor device, unless otherwise specified, each figure (A) is a plan view. Each figure (B) is a cross-sectional view taken along dashed line A1-A2 in each figure (A). Each figure (C) is a cross-sectional view taken along dashed line B1-B2 in each figure (A).
半導体装置を構成する薄膜(絶縁膜、半導体膜、及び、導電膜等)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、真空蒸着法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法、ALD法等を用いて形成することができる。 The thin films (insulating films, semiconductor films, conductive films, etc.) that make up semiconductor devices can be formed using methods such as sputtering, chemical vapor deposition (CVD), vacuum evaporation, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), and ALD.
なお、スパッタリング法にはスパッタリング用電源に高周波電源を用いるRFスパッタリング法、直流電源を用いるDC(Direct Current)スパッタリング法、さらにパルス的に電極に印加する電圧を変化させるパルスDCスパッタリング法がある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、DCスパッタリング法は主に金属導電膜を成膜する場合に用いられる。また、パルスDCスパッタリング法は、主に、酸化物、窒化物、及び炭化物等の化合物をリアクティブスパッタリング法で成膜する際に用いられる。 Sputtering methods include RF sputtering, which uses a high-frequency power supply as the sputtering power source; DC (Direct Current) sputtering, which uses a direct current power supply; and pulsed DC sputtering, which varies the voltage applied to the electrode in pulses. RF sputtering is primarily used to deposit insulating films, while DC sputtering is primarily used to deposit metal conductive films. Pulsed DC sputtering is primarily used to deposit compounds such as oxides, nitrides, and carbides using reactive sputtering.
また、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法等に分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。 CVD methods can also be classified into plasma-enhanced CVD (PECVD), which uses plasma; thermal CVD (TCVD: Thermal CVD), which uses heat; and photo-CVD (Photo-CVD), which uses light. They can also be further divided into metal CVD (MCVD: Metal CVD) and metal-organic CVD (MOCVD: Metal Organic CVD), depending on the source gas used.
プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量等)等は、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子等が破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 Plasma CVD can produce high-quality films at relatively low temperatures. Furthermore, because thermal CVD does not use plasma, it is a film formation method that can minimize plasma damage to the workpiece. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitors, etc.) included in semiconductor devices can become charged up by receiving electrical charge from the plasma. When this happens, the accumulated electrical charge can destroy the wiring, electrodes, elements, etc. included in the semiconductor device. On the other hand, thermal CVD, which does not use plasma, does not cause such plasma damage, and can therefore increase the yield of semiconductor devices. Furthermore, because thermal CVD does not cause plasma damage during film formation, films with fewer defects can be produced.
また、ALD法としては、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ALD法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるPEALD法等を用いることができる。 Also available ALD methods include thermal ALD, in which the reaction between the precursor and reactant is carried out using only thermal energy, and PEALD, which uses plasma-excited reactants.
なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素又は塩素等の元素を含むものがある。このため、ALD法により設けられた膜は、他の成膜方法により設けられた膜と比較して、炭素又は塩素等の元素を多く含む場合がある。なお、これらの元素の定量は、XPS又はSIMSを用いて行うことができる。なお、本発明の一態様の金属酸化物の成膜方法では、ALD法を用いるが、成膜時の基板温度が高い条件の採用、及び、不純物除去処理の実施の一方又は双方を適用するため、これらを適用せずにALD法を用いる場合に比べて、膜中に含まれる炭素及び塩素の量が少ないことがある。 Note that some precursors used in the ALD method contain elements such as carbon or chlorine. Therefore, films formed by the ALD method may contain larger amounts of elements such as carbon or chlorine than films formed by other film formation methods. The amounts of these elements can be quantified using XPS or SIMS. Note that, although the metal oxide film formation method of one embodiment of the present invention uses the ALD method, it employs a high substrate temperature during film formation and/or performs an impurity removal treatment. Therefore, the amount of carbon and chlorine contained in the film may be smaller than when the ALD method is used without these conditions.
ALD法は、ターゲット等から放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合等に好適である。 The ALD method differs from film formation methods in which particles emitted from a target or the like are deposited, in that a film is formed by a reaction on the surface of the workpiece. Therefore, it is a film formation method that is less affected by the shape of the workpiece and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, making it suitable for coating the surfaces of openings with high aspect ratios.
CVD法及びALD法は、ターゲット等から放出される粒子が堆積するスパッタリング法とは異なる。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性と、を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合等に好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法等の他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。 CVD and ALD are different from sputtering, in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, they are film formation methods that are less affected by the shape of the workpiece and have good step coverage. ALD, in particular, has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, making it suitable for coating the surfaces of openings with high aspect ratios. However, because ALD has a relatively slow film formation rate, it may be preferable to use it in combination with other film formation methods, such as CVD, which have a faster film formation rate.
また、CVD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。例えば、CVD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送又は圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。 In addition, CVD methods can deposit films of any composition by adjusting the flow rate ratio of the source gases. For example, CVD methods can deposit films with continuously changing compositions by changing the flow rate ratio of the source gases while depositing the film. When depositing a film while changing the flow rate ratio of the source gases, the time required for film deposition can be shortened compared to when depositing films using multiple deposition chambers, as no time is required for transport or pressure adjustment. This can potentially increase the productivity of semiconductor devices.
また、ALD法では、異なる複数種のプリカーサを同時に導入することで任意の組成の膜を成膜することができる。又は、異なる複数種のプリカーサを導入する場合、各プリカーサのサイクル数を制御することで任意の組成の膜を成膜することができる。 Also, with the ALD method, films of any composition can be formed by simultaneously introducing multiple different precursors. Alternatively, when multiple different precursors are introduced, films of any composition can be formed by controlling the number of cycles for each precursor.
また、半導体装置を構成する薄膜(絶縁膜、半導体膜、及び、導電膜等)は、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法、インクジェット法、ディスペンス、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ法、スリットコート、ロールコート、カーテンコート、又はナイフコート等の湿式の成膜方法により形成することができる。 Furthermore, the thin films (insulating films, semiconductor films, conductive films, etc.) that make up semiconductor devices can be formed by wet film formation methods such as spin coating, dip coating, spray coating, inkjet printing, dispensing, screen printing, offset printing, doctor knife printing, slit coating, roll coating, curtain coating, or knife coating.
また、半導体装置を構成する薄膜を加工する際には、フォトリソグラフィ法等を用いることができる。又は、ナノインプリント法、サンドブラスト法、又はリフトオフ法等により薄膜を加工してもよい。また、メタルマスク等の遮蔽マスクを用いた成膜方法により、島状の薄膜を直接形成してもよい。 Furthermore, when processing the thin films that make up the semiconductor device, methods such as photolithography can be used. Alternatively, the thin films can be processed using methods such as nanoimprinting, sandblasting, or lift-off. Furthermore, island-shaped thin films can also be directly formed using a film-forming method that uses a shielding mask such as a metal mask.
フォトリソグラフィ法としては、代表的には以下の2つの方法がある。1つは、加工したい薄膜上にレジストマスクを形成して、エッチング等により当該薄膜を加工し、レジストマスクを除去する方法である。もう1つは、感光性を有する薄膜を成膜した後に、露光、現像を行なって、当該薄膜を所望の形状に加工する方法である。 There are two typical photolithography methods. One is to form a resist mask on the thin film to be processed, process the thin film by etching or other methods, and then remove the resist mask. The other is to form a photosensitive thin film, then expose and develop it to process the thin film into the desired shape.
フォトリソグラフィ法において、露光に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、又はこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線、KrFレーザ光、又はArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行なってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外(EUV:Extreme Ultra−violet)光、又はX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線又は電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビーム等のビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。 In photolithography, the light used for exposure can be, for example, i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 436 nm), h-line (wavelength 405 nm), or a mixture of these. Other light sources that can be used include ultraviolet light, KrF laser light, and ArF laser light. Exposure can also be performed using immersion exposure technology. Extreme ultraviolet (EUV) light or X-rays can also be used as the light used for exposure. Electron beams can also be used instead of light used for exposure. Extreme ultraviolet light, X-rays, or electron beams are preferred because they enable extremely fine processing. When exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam, a photomask is not required.
薄膜のエッチングには、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、サンドブラスト法等を用いることができる。 Dry etching, wet etching, sandblasting, etc. can be used to etch thin films.
以下では、図2A、図5A、及び図5Bに示す半導体装置の作製方法例について説明する。 Below, an example of a method for manufacturing the semiconductor device shown in Figures 2A, 5A, and 5B will be described.
まず、図13A、図13B、及び図13Cに示すように、基板(図示しない)上に絶縁層140を形成し、絶縁層140上に導電層110を形成する。導電層110は、導電層110となる導電膜を形成した後、当該導電膜を加工することにより形成できる。導電層110となる導電膜の形成は、例えば、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、ALD法等を用いて行うことができる。導電層110となる導電膜として、例えば、膜厚20nmのタングステン膜を、スパッタリング法を用いて成膜することができる。 First, as shown in Figures 13A, 13B, and 13C, an insulating layer 140 is formed on a substrate (not shown), and then a conductive layer 110 is formed on the insulating layer 140. The conductive layer 110 can be formed by forming a conductive film that will become the conductive layer 110 and then processing the conductive film. The conductive film that will become the conductive layer 110 can be formed using, for example, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, a 20-nm-thick tungsten film can be formed as the conductive film that will become the conductive layer 110 using a sputtering method.
続いて、図13A、図13B、及び図13Cに示すように、導電層110上、及び絶縁層140上に絶縁層180を形成する。絶縁層180として、絶縁層180a、絶縁層180b、及び絶縁層180cを順に形成することができる。絶縁層180a、絶縁層180b、及び絶縁層180cの形成は、例えば、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、ALD法等を用いて行うことができる。絶縁層180aとして、例えば、膜厚5nmの窒化シリコン膜を、ALD法を用いて成膜することができる。絶縁層180bとして、例えば、膜厚370nmの酸化シリコン膜を、スパッタリング法を用いて成膜することができる。 Next, as shown in Figures 13A, 13B, and 13C, an insulating layer 180 is formed on the conductive layer 110 and the insulating layer 140. The insulating layer 180 can be formed by sequentially forming insulating layers 180a, 180b, and 180c. The insulating layers 180a, 180b, and 180c can be formed by, for example, sputtering, CVD, MBE, PLD, or ALD. For example, a 5-nm-thick silicon nitride film can be formed by ALD as the insulating layer 180a. For example, a 370-nm-thick silicon oxide film can be formed by sputtering as the insulating layer 180b.
絶縁層180cは、絶縁層180aと同一の方法で成膜してもよいし、異なる方法で成膜してもよい。また、絶縁層180cの膜厚は、絶縁層180aの膜厚と異ならせてもよい。例えば、絶縁層180aをALDで形成し、絶縁層180cをスパッタリング法で形成する場合、絶縁層180aの膜厚を、絶縁層180cの膜厚より薄くできる。例えば、絶縁層180aの膜厚を5nm、絶縁層180cの膜厚を60nmとすることができる。 Insulating layer 180c may be formed using the same method as insulating layer 180a, or a different method. Furthermore, the thickness of insulating layer 180c may be different from that of insulating layer 180a. For example, if insulating layer 180a is formed by ALD and insulating layer 180c is formed by sputtering, the thickness of insulating layer 180a can be thinner than that of insulating layer 180c. For example, the thickness of insulating layer 180a can be 5 nm, and the thickness of insulating layer 180c can be 60 nm.
ここで、絶縁層180の上面に対して、CMP処理等の平坦化処理を行うことが好ましい。例えば、絶縁層180bの上面に対して、平坦化処理を行うことが好ましい。例えば、絶縁層180bとして、膜厚370nmの酸化シリコン膜を成膜した後、絶縁層180bの上面に対して平坦化処理を行うことにより、導電層110と重なる領域における絶縁層180bの膜厚を、350nmとすることができる。なお、絶縁層180bの上面に対して平坦化処理を行う場合、絶縁層180cを平坦面上に形成できる。 Here, it is preferable to perform planarization treatment such as CMP treatment on the upper surface of the insulating layer 180. For example, it is preferable to perform planarization treatment on the upper surface of the insulating layer 180b. For example, by forming a silicon oxide film with a thickness of 370 nm as the insulating layer 180b and then performing planarization treatment on the upper surface of the insulating layer 180b, the thickness of the insulating layer 180b in the region overlapping with the conductive layer 110 can be set to 350 nm. Note that when planarization treatment is performed on the upper surface of the insulating layer 180b, the insulating layer 180c can be formed on a flat surface.
続いて、図13A、図13B、及び図13Cに示すように、絶縁層180を加工し、導電層110に達する開口部190を形成する。ここで、異方性が高いエッチング法を用いて、絶縁層180を加工することが好ましい。特に、ドライエッチング法による加工は、微細加工に適しているため好ましい。なお、導電層110には、開口部190と重なる位置に凹部が形成される場合がある。図13Bでは、導電層110に隅が湾曲した領域101が形成される例を示している。例えば、エッチング条件を調整することで、導電層110に隅が湾曲した領域101が形成できる。 Next, as shown in Figures 13A, 13B, and 13C, the insulating layer 180 is processed to form an opening 190 that reaches the conductive layer 110. Here, it is preferable to process the insulating layer 180 using a highly anisotropic etching method. Processing by dry etching is particularly preferable because it is suitable for fine processing. Note that a recess may be formed in the conductive layer 110 at a position that overlaps the opening 190. Figure 13B shows an example in which a region 101 with curved corners is formed in the conductive layer 110. For example, by adjusting the etching conditions, a region 101 with curved corners can be formed in the conductive layer 110.
続いて、図13A、図13B、及び図13Cに示すように、開口部190を覆うように導電膜115fを形成する。導電膜115fは、開口部190の側壁、導電層110の上面、及び絶縁層180cの上面に沿って形成される。 Next, as shown in Figures 13A, 13B, and 13C, a conductive film 115f is formed to cover the opening 190. The conductive film 115f is formed along the sidewall of the opening 190, the top surface of the conductive layer 110, and the top surface of the insulating layer 180c.
導電膜115fは、開口部190の内部に形成するため、CVD法又はALD法を用いて形成することが好ましい。これにより、被覆性良く導電膜115fを形成することができる。導電膜115fとして、例えば、膜厚5nmの窒化チタン膜を、CVD法を用いて成膜することができる。 Because the conductive film 115f is formed inside the opening 190, it is preferably formed using the CVD method or the ALD method. This allows the conductive film 115f to be formed with good coverage. For example, a titanium nitride film with a thickness of 5 nm can be formed as the conductive film 115f using the CVD method.
続いて、図13A、図13B、及び図13Cに示すように、導電膜115f上にフォトレジスト131pを塗布する。フォトレジスト131pとして、例えばレジスト膜、SOC(Spin On Carbon)膜、及びSOG(Spin On Glass)膜の少なくとも1つを形成することができる。フォトレジスト131pとして、例えば、SOC膜と、SOC膜上のSOG膜と、SOG膜上のレジスト膜と、を形成することができる。 Subsequently, as shown in Figures 13A, 13B, and 13C, photoresist 131p is applied onto conductive film 115f. As photoresist 131p, for example, at least one of a resist film, an SOC (Spin On Carbon) film, and an SOG (Spin On Glass) film can be formed. As photoresist 131p, for example, an SOC film, an SOG film on the SOC film, and a resist film on the SOG film can be formed.
続いて、図14A、図14B、及び図14Cに示すように、フォトレジスト131pの全面に対して異方性エッチングを行う。これにより、フォトレジスト131pの一部を除去する。例えば、ドライエッチング法により、フォトレジスト131pの一部を除去することが好ましい。以上により、開口部190の内部にレジストマスク131が形成される。 Next, as shown in Figures 14A, 14B, and 14C, anisotropic etching is performed on the entire surface of the photoresist 131p. This removes part of the photoresist 131p. For example, it is preferable to remove part of the photoresist 131p by dry etching. As a result, a resist mask 131 is formed inside the opening 190.
フォトレジスト131pに対する異方性エッチングは、例えば、導電膜115fの上面が露出するまで行うことができる。例えば、導電膜115fの上面が露出してから所定の時間が経過するまで、フォトレジスト131pに対する異方性エッチングを行うことができる。この場合、レジストマスク131の上面の基準面からの高さを、絶縁層180の上面105における基準面からの高さより低くすることができる。なお、上面105は、具体的には絶縁層180cの上面とすることができる。 Anisotropic etching of the photoresist 131p can be performed, for example, until the upper surface of the conductive film 115f is exposed. For example, anisotropic etching of the photoresist 131p can be performed until a predetermined time has elapsed since the upper surface of the conductive film 115f is exposed. In this case, the height of the upper surface of the resist mask 131 from the reference plane can be made lower than the height of the upper surface 105 of the insulating layer 180 from the reference plane. Note that the upper surface 105 can specifically be the upper surface of the insulating layer 180c.
続いて、図15A、図15B、及び図15Cに示すように、導電膜115fに対してエッチング処理を行う。これにより、開口部190の内部に導電層115が形成される。エッチング処理は、ドライエッチング法又はウェットエッチング法を用いて行うことができる。特に、ドライエッチング法による加工は、微細加工に適しているため好ましい。 Subsequently, as shown in Figures 15A, 15B, and 15C, the conductive film 115f is subjected to an etching process. As a result, a conductive layer 115 is formed inside the opening 190. The etching process can be performed using a dry etching method or a wet etching method. In particular, processing using a dry etching method is preferable because it is suitable for fine processing.
導電膜115fに対するエッチング処理は、例えば、上面105が露出するまで行うことができる。この場合、導電層115の上端面103の基準面からの高さが、上面105の基準面からの高さより低くなるように、導電層115を形成できる。 The etching process for the conductive film 115f can be performed, for example, until the upper surface 105 is exposed. In this case, the conductive layer 115 can be formed so that the height of the upper end surface 103 of the conductive layer 115 from the reference plane is lower than the height of the upper surface 105 from the reference plane.
ここで、上端面103がテーパ形状を有するように、導電層115を形成することが好ましい。具体的には、上端面103におけるレジストマスク131側の端部の基準面からの高さが、上端面103における絶縁層180側の端部の基準面からの高さより低くなるように、導電層115を形成できる。上端面103がテーパ形状を有するように導電層115を形成することにより、前述のように、上端面103の近傍において、後の工程で形成する強誘電体層130に電界集中が生じることを抑制できる。これにより、強誘電体層130の絶縁破壊を防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置を作製できる。 Here, it is preferable to form the conductive layer 115 so that the upper end surface 103 has a tapered shape. Specifically, the conductive layer 115 can be formed so that the height from the reference plane of the end of the upper end surface 103 on the resist mask 131 side is lower than the height from the reference plane of the end of the upper end surface 103 on the insulating layer 180 side. By forming the conductive layer 115 so that the upper end surface 103 has a tapered shape, as described above, it is possible to prevent electric field concentration in the ferroelectric layer 130, which will be formed in a later process, near the upper end surface 103. This makes it possible to prevent dielectric breakdown of the ferroelectric layer 130 and produce a highly reliable semiconductor device.
図15B、及び図15Cでは、絶縁層180の上面と、開口部190における側面と、の間の領域102に湾曲部が形成される例を示している。導電膜115fに対するエッチング処理の際に、絶縁層180cの領域102に湾曲部が形成される場合がある。 Figures 15B and 15C show an example in which a curved portion is formed in region 102 between the top surface of insulating layer 180 and the side surface of opening 190. During the etching process on conductive film 115f, a curved portion may be formed in region 102 of insulating layer 180c.
続いて、図16A、図16B、及び図16Cに示すように、レジストマスク131を除去する。レジストマスク131は、例えば薬液を用いて除去できる。また、エッチング法を用いてレジストマスク131を除去してもよい。 Next, as shown in Figures 16A, 16B, and 16C, the resist mask 131 is removed. The resist mask 131 can be removed using, for example, a chemical solution. Alternatively, the resist mask 131 may be removed using an etching method.
続いて、図17A、図17B、及び図17Cに示すように、導電層115に対して酸化処理を行う。これにより、導電層115に酸化物領域115oxが形成される。図17A乃至図17Cに示す例では、導電層115の露出した表面と接する領域を有するように、酸素を含む絶縁層133を形成する。これにより、絶縁層133に含まれる酸素により導電層115の少なくとも一部が酸化し、酸化物領域115oxが形成される。酸化物領域115oxは、導電層115の絶縁層133と接する領域を含むように形成される。なお、絶縁層133は、例えば開口部190を埋めるように形成する。また、絶縁層133は、上面105上に位置する領域を有するように形成する。 Subsequently, as shown in Figures 17A, 17B, and 17C, oxidation treatment is performed on the conductive layer 115. As a result, an oxide region 115ox is formed in the conductive layer 115. In the example shown in Figures 17A to 17C, an insulating layer 133 containing oxygen is formed so as to have a region in contact with the exposed surface of the conductive layer 115. As a result, at least a portion of the conductive layer 115 is oxidized by the oxygen contained in the insulating layer 133, forming the oxide region 115ox. The oxide region 115ox is formed so as to include the region of the conductive layer 115 in contact with the insulating layer 133. Note that the insulating layer 133 is formed so as to fill, for example, the opening 190. The insulating layer 133 is also formed so as to have a region located on the upper surface 105.
絶縁層133として、酸化絶縁膜を形成でき、例えば酸化シリコン膜を形成できる。特に、絶縁層133として、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate、化学式:Si(OC2H5)4)を用いてCVD法により酸化シリコン膜を形成すると、高い生産性で半導体装置を作製でき好ましい。 An oxide insulating film, for example, a silicon oxide film, can be formed as the insulating layer 133. In particular, it is preferable to form a silicon oxide film as the insulating layer 133 by a CVD method using TEOS (Tetra-Ethyl- Ortho -Silicate, chemical formula: Si( OC2H5 ) 4 ), since this allows semiconductor devices to be manufactured with high productivity.
なお、絶縁層133は、ALD法を用いて形成してもよく、例えばALD法を用いて酸化シリコン膜等の比誘電率が低い絶縁膜を形成してもよい。この場合、開口部190の内部において、導電層115の側面及び上面に沿って絶縁層133を形成できる。絶縁層133として、ALD法を用いて酸化シリコン膜を形成する場合、絶縁層133の膜厚は、1nm以上30nm以下が好ましく、2nm以上20nm以下がより好ましく、3nm以上10nm以下がさらに好ましい。 The insulating layer 133 may be formed using the ALD method. For example, an insulating film with a low dielectric constant, such as a silicon oxide film, may be formed using the ALD method. In this case, the insulating layer 133 can be formed inside the opening 190 along the side and top surfaces of the conductive layer 115. When a silicon oxide film is formed as the insulating layer 133 using the ALD method, the film thickness of the insulating layer 133 is preferably 1 nm to 30 nm, more preferably 2 nm to 20 nm, and even more preferably 3 nm to 10 nm.
絶縁層133の形成により上述の酸化処理を行う場合、図18A、図18B、及び図18Cに示すように、酸化物領域115oxの形成後に絶縁層133を除去する。これにより、導電層115の表面、具体的には酸化物領域115oxの表面が露出する。また、上面105が露出する。絶縁層133の除去は、例えばウェットエッチングを用いて行うことができる。なお、絶縁層133の除去を、ドライエッチング法を用いて行ってもよい。 When the above-described oxidation treatment is performed by forming the insulating layer 133, as shown in Figures 18A, 18B, and 18C, the insulating layer 133 is removed after the oxide region 115ox is formed. This exposes the surface of the conductive layer 115, specifically the surface of the oxide region 115ox. The upper surface 105 is also exposed. The insulating layer 133 can be removed using, for example, wet etching. The insulating layer 133 may also be removed using dry etching.
図17A乃至図18Cに示す方法で導電層115に対する酸化処理を行う場合、例えば絶縁層180cは、絶縁層133とのエッチング選択比が高い材料を用いて形成することが好ましい。これにより、絶縁層133を除去する際に、絶縁層180cの少なくとも一部が除去されることを抑制できる。よって、絶縁層180の膜厚が薄くなることを抑制できる。例えば、絶縁層133として酸化シリコン膜を形成する場合、絶縁層180cとして窒化シリコン膜を形成することができる。なお、絶縁層180b上に絶縁層180cを形成することにより、絶縁層180bは、絶縁層133とのエッチング選択比が低い材料を用いて形成できる。絶縁層180bは、例えば絶縁層133と同一の材料を用いて形成できる。例えば、絶縁層180bと絶縁層133の両方を、酸化シリコン膜とすることができる。以上により、絶縁層180b上に絶縁層180cを形成することにより、絶縁層180bの材料選択の幅を広げることができる。 17A to 18C, it is preferable to form the insulating layer 180c using a material with a high etching selectivity with respect to the insulating layer 133. This prevents at least a portion of the insulating layer 180c from being removed when the insulating layer 133 is removed. This prevents the insulating layer 180 from becoming thin. For example, when a silicon oxide film is formed as the insulating layer 133, a silicon nitride film can be formed as the insulating layer 180c. Note that by forming the insulating layer 180c on the insulating layer 180b, the insulating layer 180b can be formed using a material with a low etching selectivity with respect to the insulating layer 133. The insulating layer 180b can be formed using, for example, the same material as the insulating layer 133. For example, both the insulating layer 180b and the insulating layer 133 can be silicon oxide films. As described above, forming the insulating layer 180c on the insulating layer 180b broadens the range of materials that can be used for the insulating layer 180b.
導電層115に対する酸化処理の方法は、図17A乃至図18Cに示す方法に限らない。例えば、酸素を含む雰囲気下で加熱処理を行ってもよい。又は、酸素を含む雰囲気下でプラズマ処理若しくはマイクロ波処理を行ってもよい。なお、酸素を含む雰囲気としては、酸素ガス(O2)だけでなく、オゾン(O3)、一酸化二窒素(N2O)等、酸素を含む化合物のガスを含む雰囲気を含む。 17A to 18C . For example, heat treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen. Alternatively, plasma treatment or microwave treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen. Note that the atmosphere containing oxygen includes not only oxygen gas (O 2 ) but also an atmosphere containing a gas of a compound containing oxygen, such as ozone (O 3 ) or nitrous oxide (N 2 O).
ここで、導電層115に対する酸化処理を行わず、図6A、及び図6Bに示すように、導電層115を覆うように絶縁層116を形成してもよい。絶縁層116として、例えば窒化シリコン膜、窒化チタン膜、又は酸窒化ハフニウム膜を形成できる。 Here, as shown in Figures 6A and 6B, an insulating layer 116 may be formed to cover the conductive layer 115 without performing an oxidation treatment on the conductive layer 115. For example, a silicon nitride film, a titanium nitride film, or a hafnium oxynitride film may be formed as the insulating layer 116.
続いて、図19A、図19B、及び図19Cに示すように、酸化物領域115oxと接する領域を有するように、強誘電体層130を形成する。強誘電体層130は、開口部190の内部に形成するため、CVD法又はALD法を用いて形成することが好ましい。これにより、被覆性良く強誘電体層130を形成することができる。強誘電体層130は、酸素を含むように形成し、具体的には金属酸化物膜、又は金属酸窒化物膜を形成する。強誘電体層130として、例えば、膜厚10nmのハフニウムジルコニウム酸化物膜を、ALD法を用いて成膜することができる。 Next, as shown in Figures 19A, 19B, and 19C, the ferroelectric layer 130 is formed so as to have a region in contact with the oxide region 115ox. Because the ferroelectric layer 130 is formed inside the opening 190, it is preferably formed using the CVD method or the ALD method. This allows the ferroelectric layer 130 to be formed with good coverage. The ferroelectric layer 130 is formed to contain oxygen, and specifically, a metal oxide film or a metal oxynitride film is formed. For example, a 10 nm thick hafnium zirconium oxide film can be formed as the ferroelectric layer 130 using the ALD method.
導電層115に酸化物領域115oxを形成した後、酸化物領域115oxと接する領域を有するように強誘電体層130を形成することにより、酸化物領域115oxを形成せずに強誘電体層130を形成する場合と比較して、強誘電体層130に含まれる酸素が導電層115に吸収されることを抑制できる。よって、強誘電体層130中の酸素が脱離し、強誘電体メモリの信頼性が低下することを抑制できる。以上により、本発明の一態様では、信頼性の高い半導体装置を作製できる。 By forming the oxide region 115ox in the conductive layer 115 and then forming the ferroelectric layer 130 so that it has a region in contact with the oxide region 115ox, it is possible to prevent oxygen contained in the ferroelectric layer 130 from being absorbed into the conductive layer 115, compared to when the ferroelectric layer 130 is formed without forming the oxide region 115ox. This prevents oxygen from being released from the ferroelectric layer 130, which would otherwise reduce the reliability of the ferroelectric memory. As described above, one aspect of the present invention makes it possible to manufacture a highly reliable semiconductor device.
続いて、図19A、図19B、及び図19Cに示すように、強誘電体層130上に、後の工程で導電層120となる導電膜120fを形成する。導電膜120fは、開口部190の内部に位置する領域を有するように形成される。導電膜120fの形成は、例えば、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、ALD法等を用いて行うことができる。 Next, as shown in Figures 19A, 19B, and 19C, a conductive film 120f, which will become the conductive layer 120 in a later process, is formed on the ferroelectric layer 130. The conductive film 120f is formed so as to have a region located inside the opening 190. The conductive film 120f can be formed using, for example, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, etc.
図19A、図19B、及び図19Cでは、導電膜120fとして、導電膜120f_1と、導電膜120f_1上の導電膜120f_2と、を形成する例を示す。導電膜120f_1は、後の工程で導電層120_1となる膜である。導電膜120f_2は、後の工程で導電層120_2となる膜である。導電膜120f_1は、開口部190を埋めるように形成できる。 Figures 19A, 19B, and 19C show an example in which a conductive film 120f_1 and a conductive film 120f_2 over the conductive film 120f_1 are formed as the conductive film 120f. The conductive film 120f_1 is a film that will become the conductive layer 120_1 in a later step. The conductive film 120f_2 is a film that will become the conductive layer 120_2 in a later step. The conductive film 120f_1 can be formed to fill the opening 190.
図19A、及び図19Bには、開口部190の幅Dを示している。導電膜120f_1の膜厚を、導電層115の膜厚、強誘電体層130の膜厚、及び幅Dに対して厚くすることにより、開口部190を埋めるように導電膜120f_1を形成できる。 Figures 19A and 19B show the width D of the opening 190. By making the film thickness of the conductive film 120f_1 thicker than the film thickness of the conductive layer 115, the film thickness of the ferroelectric layer 130, and the width D, the conductive film 120f_1 can be formed to fill the opening 190.
開口部190を埋めるように導電膜120f_1を形成する場合、導電膜120f_2より熱膨張係数が大きい導電性材料を用いて、導電膜120f_1を形成することが好ましい。これにより、加熱処理後の降温時に、例えば導電膜120f_1から強誘電体層130に引張応力が加わりやすくなる。よって、強誘電体層130において、残留分極量を大きくし、信頼性の高い半導体装置を作製できる。 When forming conductive film 120f_1 to fill opening 190, it is preferable to form conductive film 120f_1 using a conductive material with a larger thermal expansion coefficient than conductive film 120f_2. This makes it easier for tensile stress to be applied from conductive film 120f_1 to ferroelectric layer 130 when the temperature is lowered after heat treatment. This increases the amount of remanent polarization in ferroelectric layer 130, allowing for the manufacture of a highly reliable semiconductor device.
導電膜120f_2は、導電性が高い材料を用いて形成することが好ましく、例えば導電膜120f_1より導電性が高い材料を用いて形成することが好ましい。これにより、高速に駆動する半導体装置を作製できる。 The conductive film 120f_2 is preferably formed using a material with high conductivity, for example, a material with higher conductivity than the conductive film 120f_1. This enables the manufacture of a semiconductor device that operates at high speed.
導電膜120f_1として、例えば、膜厚30nmの窒化チタン膜を、CVD法を用いて成膜することができる。導電膜120f_2として、例えば、膜厚40nmのタングステン膜を、CVD法を用いて成膜することができる。 As the conductive film 120f_1, for example, a titanium nitride film with a thickness of 30 nm can be deposited using the CVD method. As the conductive film 120f_2, for example, a tungsten film with a thickness of 40 nm can be deposited using the CVD method.
導電膜120fの上面に対して、CMP処理等の平坦化処理を行ってもよい。例えば、導電膜120f_2の上面に対して、平坦化処理を行ってもよい。例えば、導電膜120f_2上に膜を成膜し、導電膜120f_2の上面が露出するまで導電膜120f_2上の膜に対して平坦化処理を行うことにより、導電膜120f_2の上面に対して平坦化処理を行うことができる。 The upper surface of the conductive film 120f may be subjected to planarization treatment such as CMP treatment. For example, the upper surface of the conductive film 120f_2 may be subjected to planarization treatment. For example, a film may be formed on the conductive film 120f_2, and planarization treatment may be performed on the film on the conductive film 120f_2 until the upper surface of the conductive film 120f_2 is exposed, thereby enabling the planarization treatment to be performed on the upper surface of the conductive film 120f_2.
続いて、図20A、図20B、及び図20Cに示すように、導電膜120fを加工することにより、導電層120を形成する。具体的には、導電膜120f_2を加工することにより導電層120_2を形成し、導電膜120f_1を加工することにより導電層120_1を形成する。例えば、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成した後、レジストマスクによるパターンに合わせて導電膜120f_2、及び導電膜120f_1を加工することにより、それぞれ導電層120_2、及び導電層120_1を形成できる。当該加工は、例えばエッチング処理を用いて行うことができ、微細加工が容易であるドライエッチング法を用いて行うことが好ましい。 Subsequently, as shown in Figures 20A, 20B, and 20C, the conductive film 120f is processed to form the conductive layer 120. Specifically, the conductive film 120f_2 is processed to form the conductive layer 120_2, and the conductive film 120f_1 is processed to form the conductive layer 120_1. For example, a resist mask is formed by photolithography, and then the conductive films 120f_2 and 120f_1 are processed according to the pattern of the resist mask to form the conductive layers 120_2 and 120_1, respectively. This processing can be performed using, for example, an etching process, and is preferably performed using dry etching, which facilitates fine processing.
図20A、図20B、及び図20Cでは、導電膜120fだけでなく、強誘電体層130も加工する例を示している。強誘電体層130は、導電膜120fの加工に用いたレジストマスクと同一のレジストマスクを用いて加工できる。また、導電膜120fを加工して導電層120を形成した後、レジストマスクを除去し、導電層120をハードマスクとして強誘電体層130を加工してもよい。以上の方法で強誘電体層130を加工する場合、強誘電体層130の上端部を導電層120の下端部と一致させることができ、具体的には導電層120_1の下端部と一致させることができる。強誘電体層130を加工することにより、絶縁層180の上面の少なくとも一部を露出させることができる。 20A, 20B, and 20C show an example in which not only the conductive film 120f but also the ferroelectric layer 130 is processed. The ferroelectric layer 130 can be processed using the same resist mask as that used to process the conductive film 120f. Alternatively, after processing the conductive film 120f to form the conductive layer 120, the resist mask may be removed and the ferroelectric layer 130 may be processed using the conductive layer 120 as a hard mask. When processing the ferroelectric layer 130 using the above method, the upper end of the ferroelectric layer 130 can be aligned with the lower end of the conductive layer 120, specifically, with the lower end of the conductive layer 120_1. By processing the ferroelectric layer 130, at least a portion of the upper surface of the insulating layer 180 can be exposed.
導電層120の形成後、加熱処理を行うことが好ましい。これにより、加熱処理後の降温時に、導電層120_1から強誘電体層130に引張応力が加わりやすくなる。よって、強誘電体層130において、残留分極量を大きくし、信頼性の高い半導体装置を作製できる。熱処理の温度は例えば、100℃以上800℃以下、好ましくは250℃以上650℃以下、さらに好ましくは350℃以上550℃以下で行うことができる。代表的には400℃±25℃(375℃以上425℃以下)にすることができる。また処理時間は、10時間以下、或いは1分以上5時間以下、或いは1分以上2時間以下にすることができる。また、RTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いる場合には、処理時間を例えば、1秒以上5分以下にすることができる。 After forming the conductive layer 120, it is preferable to perform a heat treatment. This makes it easier for tensile stress to be applied from the conductive layer 120_1 to the ferroelectric layer 130 when the temperature is lowered after the heat treatment. This increases the amount of remanent polarization in the ferroelectric layer 130, resulting in a highly reliable semiconductor device. The heat treatment temperature can be, for example, 100°C to 800°C, preferably 250°C to 650°C, and more preferably 350°C to 550°C. A typical temperature is 400°C ± 25°C (375°C to 425°C). The treatment time can be 10 hours or less, or 1 minute to 5 hours, or 1 minute to 2 hours. When using an RTA (Rapid Thermal Annealing) device, the treatment time can be, for example, 1 second to 5 minutes.
以上により、容量100を形成できる。 This allows for the formation of a capacitance of 100.
図11A及び図11Bに示すメモリセル150を形成する場合は、図13A乃至図20Cに示す工程を行った後、絶縁層280、導電層240a、及び導電層240bを形成し、絶縁層280に溝部290を形成する。続いて、半導体層230、絶縁層250、導電層260、絶縁層283、及び絶縁層285を形成する。続いて、絶縁層285、絶縁層283、絶縁層250、及び半導体層230に、導電層240aに達する開口部270a、及び導電層240bに達する開口部270bをそれぞれ形成する。続いて、開口部270aを埋めるように導電層244aを、開口部270bを埋めるように導電層244bをそれぞれ形成する。その後、絶縁層285上、導電層244a上、及び導電層244b上に導電層245を形成する。以上により、容量100と、トランジスタ200と、を有するメモリセル150を作製できる。なお、図20A乃至図20Cでは、導電層120がX方向に延在するように形成される例を示しているが、メモリセル150を形成する場合、導電層120を、例えばX方向に延在しない形状となるように形成する。 11A and 11B, after performing the processes shown in FIGS. 13A to 20C, an insulating layer 280, a conductive layer 240a, and a conductive layer 240b are formed, and a groove 290 is formed in the insulating layer 280. Next, a semiconductor layer 230, an insulating layer 250, a conductive layer 260, an insulating layer 283, and an insulating layer 285 are formed. Next, an opening 270a reaching the conductive layer 240a and an opening 270b reaching the conductive layer 240b are formed in the insulating layer 285, the insulating layer 283, the insulating layer 250, and the semiconductor layer 230, respectively. Next, a conductive layer 244a is formed to fill the opening 270a, and a conductive layer 244b is formed to fill the opening 270b. Then, a conductive layer 245 is formed on the insulating layer 285, the conductive layer 244a, and the conductive layer 244b. As described above, a memory cell 150 having a capacitor 100 and a transistor 200 can be fabricated. Note that although Figures 20A to 20C show an example in which the conductive layer 120 is formed to extend in the X direction, when forming the memory cell 150, the conductive layer 120 is formed so as not to extend in the X direction, for example.
<半導体装置の構成例3>
以下では、メモリセル150を複数有する半導体装置の構成例について説明する。
<Configuration Example 3 of Semiconductor Device>
An example of the configuration of a semiconductor device having a plurality of memory cells 150 will be described below.
図21Aは、2×2個のメモリセル150の構成例を示す回路図である。図21Aでは、2×2個のメモリセル150として、メモリセル150[1,1]、メモリセル150[1,2]、メモリセル150[2,1]、及びメモリセル150[2,2]の構成例を示している。 Figure 21A is a circuit diagram showing an example configuration of 2 x 2 memory cells 150. Figure 21A shows example configurations of the 2 x 2 memory cells 150, including memory cell 150[1,1], memory cell 150[1,2], memory cell 150[2,1], and memory cell 150[2,2].
図21Aに示す例では、メモリセル150[1,1]、メモリセル150[1,2]、メモリセル150[2,1]、及びメモリセル150[2,2]を、図7Aに示すメモリセル150と同様の構成としている。ここで、図21Aに示す例では、メモリセル150[1,1]、及びメモリセル150[2,1]には配線BLとして配線BL[1]が接続され、メモリセル150[1,2]、及びメモリセル150[2,2]には配線BLとして配線BL[2]が接続されている。また、メモリセル150[1,1]、及びメモリセル150[1,2]には配線WLとして配線WL[1]が接続され、メモリセル150[2,1]、及びメモリセル150[2,2]には配線WLとして配線WL[2]が接続されている。 In the example shown in FIG. 21A, memory cell 150[1,1], memory cell 150[1,2], memory cell 150[2,1], and memory cell 150[2,2] have the same configuration as memory cell 150 shown in FIG. 7A. Here, in the example shown in FIG. 21A, wiring BL[1] is connected to memory cell 150[1,1] and memory cell 150[2,1] as wiring BL, and wiring BL[2] is connected to memory cell 150[1,2] and memory cell 150[2,2] as wiring BL. Furthermore, wiring WL[1] is connected to memory cell 150[1,1] and memory cell 150[1,2] as wiring WL, and wiring WL[2] is connected to memory cell 150[2,1] and memory cell 150[2,2] as wiring WL.
図21Bは、図21Aに示す半導体装置の具体的な構成例を示す平面図である。図22は、図21Bに示す一点鎖線D1−D2間の断面図である。なお、図21B及び図22では、導電層240aと導電層240bをまとめて導電層240と記載して示している。また、導電層240a_1と導電層240b_1をまとめて導電層240_1と記載して示している。さらに、導電層240a_2と導電層240b_2をまとめて導電層240_2と記載して示している。 Figure 21B is a plan view showing a specific configuration example of the semiconductor device shown in Figure 21A. Figure 22 is a cross-sectional view taken along dashed line D1-D2 in Figure 21B. Note that in Figures 21B and 22, conductive layers 240a and 240b are collectively referred to as conductive layer 240. Furthermore, conductive layers 240a_1 and 240b_1 are collectively referred to as conductive layer 240_1. Furthermore, conductive layers 240a_2 and 240b_2 are collectively referred to as conductive layer 240_2.
前述のように、導電層110は、配線PLとして機能する領域を有する。また、導電層260は、配線WLとして機能する領域を有する。さらに、導電層245は、配線BLとして機能する領域を有する。図21B、及び図22では、配線WL[1]として機能する領域を有する導電層260を導電層260[1]と記載して示し、配線WL[2]として機能する領域を有する導電層260を導電層260[2]と記載して示している。また、図21B、及び図22では、配線BL[1]として機能する領域を有する導電層245を導電層245[1]と記載して示し、配線BL[2]として機能する領域を有する導電層245を導電層245[2]と記載して示している。 As described above, the conductive layer 110 has a region that functions as a wiring PL. The conductive layer 260 has a region that functions as a wiring WL. The conductive layer 245 has a region that functions as a wiring BL. In Figures 21B and 22, the conductive layer 260 having a region that functions as a wiring WL[1] is shown as a conductive layer 260[1], and the conductive layer 260 having a region that functions as a wiring WL[2] is shown as a conductive layer 260[2]. In Figures 21B and 22, the conductive layer 245 having a region that functions as a wiring BL[1] is shown as a conductive layer 245[1], and the conductive layer 245 having a region that functions as a wiring BL[2] is shown as a conductive layer 245[2].
図21B、及び図22では、導電層245[1]、及び導電層245[2]がX方向に延在する例を示している。また、図21B、及び図22では、導電層110、導電層260[1]、及び導電層260[2]がY方向に延在する例を示している。 Figures 21B and 22 show an example in which conductive layer 245[1] and conductive layer 245[2] extend in the X direction. Figures 21B and 22 also show an example in which conductive layer 110, conductive layer 260[1], and conductive layer 260[2] extend in the Y direction.
図21B及び図22に示すように、X方向に隣接する2つのメモリセル150間で導電層240を共有できる。例えば、メモリセル150[1,1]とメモリセル150[1,2]の間で1つの導電層240を共有できる。また、メモリセル150[2,1]とメモリセル150[2,2]の間で1つの導電層240を共有できる。そして、X方向に延在する導電層245により、X方向に設けられている複数の導電層240を互いに接続できる。例えば、メモリセル150[1,1]とメモリセル150[1,2]の間で導電層245[1]を共有できる。また、メモリセル150[2,1]とメモリセル150[2,2]の間で導電層245[2]を共有できる。 As shown in Figures 21B and 22, a conductive layer 240 can be shared between two memory cells 150 adjacent in the X direction. For example, one conductive layer 240 can be shared between memory cell 150[1,1] and memory cell 150[1,2]. Also, one conductive layer 240 can be shared between memory cell 150[2,1] and memory cell 150[2,2]. Furthermore, multiple conductive layers 240 provided in the X direction can be connected to each other by a conductive layer 245 extending in the X direction. For example, conductive layer 245[1] can be shared between memory cell 150[1,1] and memory cell 150[1,2]. Also, conductive layer 245[2] can be shared between memory cell 150[2,1] and memory cell 150[2,2].
Y方向に延在する導電層260は、Y方向に設けられている複数のメモリセル150間で共有できる。例えば、メモリセル150[1,1]とメモリセル150[2,1]の間で導電層260[1]を共有でき、メモリセル150[1,2]とメモリセル150[2,2]の間で導電層260[2]を共有できる。 The conductive layer 260 extending in the Y direction can be shared among multiple memory cells 150 arranged in the Y direction. For example, the conductive layer 260[1] can be shared between memory cell 150[1,1] and memory cell 150[2,1], and the conductive layer 260[2] can be shared between memory cell 150[1,2] and memory cell 150[2,2].
また、図21B及び図22に示すように、X方向に隣接する複数のメモリセル150間で半導体層230を共有できる。さらに、図21Bに示すように、1つの溝部290には複数の半導体層230を設けることができる。 Furthermore, as shown in Figures 21B and 22, the semiconductor layer 230 can be shared between multiple memory cells 150 adjacent in the X direction. Furthermore, as shown in Figure 21B, multiple semiconductor layers 230 can be provided in one groove portion 290.
メモリセル150を3次元的にマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。 A memory cell array can be formed by arranging memory cells 150 in a three-dimensional matrix.
図23に示す半導体装置は、n層(nは2以上の整数。図23に示す例ではnは3以上の整数。)のメモリ層160を有する。具体的には、メモリ層160[1]上にメモリ層160[2]が設けられ、メモリ層160[2]上に、さらに、(n−2)層のメモリ層が設けられている。ここで、最上段にはメモリ層160[n]が設けられている。1層のメモリ層160が有するメモリセル150の数は特に限定されず、2以上のメモリセル150を有することができる。例えば導電層247によって、n層のメモリ層160が有するメモリセル150が、メモリ層160[1]の下に設けられたセンスアンプ(図示しない)と接続される。このように、複数のメモリセル150を互いに積層して設けることで、単位面積当たりの記憶容量を大きくすることができる。 The semiconductor device shown in FIG. 23 has n memory layers 160 (n is an integer of 2 or greater; in the example shown in FIG. 23, n is an integer of 3 or greater). Specifically, memory layer 160[2] is provided on memory layer 160[1], and (n-2) memory layers are further provided on memory layer 160[2]. Here, memory layer 160[n] is provided at the top. The number of memory cells 150 included in one memory layer 160 is not particularly limited, and two or more memory cells 150 can be included. For example, conductive layer 247 connects the memory cells 150 included in the n memory layers 160 to a sense amplifier (not shown) provided below memory layer 160[1]. In this way, stacking multiple memory cells 150 on top of each other can increase the storage capacity per unit area.
なお、例えば導電層247は、スイッチ、トランジスタ、容量、インダクタ、抵抗、及びダイオード等の回路素子、配線、電極、又は端子と、メモリセル150を接続するためのプラグ又は配線として機能してもよい。 For example, the conductive layer 247 may function as a plug or wiring for connecting circuit elements, wiring, electrodes, or terminals such as switches, transistors, capacitors, inductors, resistors, and diodes to the memory cell 150.
導電層247は、絶縁層140、絶縁層180、絶縁層280a、絶縁層280b、絶縁層280c、絶縁層250、絶縁層283、絶縁層285等に形成された開口部251の内部に設けられる。なお、導電層247には、導電層240a及び導電層240bに適用可能な導電性材料等を用いることができる。 The conductive layer 247 is provided inside the opening 251 formed in the insulating layer 140, the insulating layer 180, the insulating layer 280a, the insulating layer 280b, the insulating layer 280c, the insulating layer 250, the insulating layer 283, the insulating layer 285, etc. Note that the conductive layer 247 can be made of a conductive material that can be used for the conductive layer 240a and the conductive layer 240b, etc.
図23では、強誘電体層130の上端部が、導電層120の下端部と一致又は略一致する例を示している。この場合、絶縁層140、絶縁層180、絶縁層280a、絶縁層280b、絶縁層280c、絶縁層250、絶縁層283、絶縁層285等は、強誘電体層130と重ならない領域を有する。よって、当該領域に開口部251を形成することができるため、強誘電体層130に開口部251を形成する必要がなくなる。これにより、アスペクト比が高い開口部251を容易に形成できる。 Figure 23 shows an example in which the upper end of the ferroelectric layer 130 coincides or approximately coincides with the lower end of the conductive layer 120. In this case, the insulating layer 140, insulating layer 180, insulating layer 280a, insulating layer 280b, insulating layer 280c, insulating layer 250, insulating layer 283, insulating layer 285, etc. have areas that do not overlap with the ferroelectric layer 130. Therefore, openings 251 can be formed in these areas, eliminating the need to form openings 251 in the ferroelectric layer 130. This makes it easy to form openings 251 with a high aspect ratio.
図23に示すように、複数のメモリセル150を積層することにより、メモリセルアレイの占有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dメモリセルアレイを構成することができる。これにより、単位面積当たりの記憶容量を大きくすることができる。 As shown in Figure 23, by stacking multiple memory cells 150, cells can be integrated and arranged without increasing the area occupied by the memory cell array. In other words, a 3D memory cell array can be constructed. This allows for a larger memory capacity per unit area.
図24は、半導体装置の構成例を示す断面図であり、メモリセル150の下方にトランジスタ300が設けられている例を示している。トランジスタ300は、メモリセル150と重なる領域を有するように設けることができる。トランジスタ300は、メモリセル150を駆動させる機能を有する駆動回路に設けることができる。トランジスタ300は、例えばセンスアンプが有するトランジスタとすることができる。 Figure 24 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a semiconductor device, showing an example in which a transistor 300 is provided below a memory cell 150. The transistor 300 can be provided so as to have a region that overlaps with the memory cell 150. The transistor 300 can be provided in a driver circuit that has a function of driving the memory cell 150. The transistor 300 can be, for example, a transistor included in a sense amplifier.
メモリセル150と重なるように例えばセンスアンプを設ける構成にすることで、センスアンプとメモリセル150を接続するビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量を小さくでき、半導体装置の高速駆動が可能となる。 By configuring the sense amplifier so that it overlaps the memory cell 150, for example, the bit line connecting the sense amplifier to the memory cell 150 can be shortened. This reduces the bit line capacitance, enabling the semiconductor device to operate at high speed.
図24に示す半導体装置は、実施の形態3で説明する半導体装置900と対応させることができる。具体的には、トランジスタ300は、半導体装置900におけるセンスアンプ927が有するトランジスタに相当する。また、メモリセル150は、メモリセル950と対応する。 The semiconductor device shown in FIG. 24 can correspond to the semiconductor device 900 described in embodiment 3. Specifically, the transistor 300 corresponds to the transistor included in the sense amplifier 927 in the semiconductor device 900. Furthermore, the memory cell 150 corresponds to the memory cell 950.
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、ゲートとして機能する導電層316と、ゲート絶縁層として機能する絶縁層315と、基板311の一部からなる半導体領域313と、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域314a及び低抵抗領域314bと、を有する。トランジスタ300は、pチャネル型又はnチャネル型のいずれとしてよい。基板311は、シリコン系半導体を含むことが好ましく、具体的には、単結晶シリコンを含むことが好ましい。 The transistor 300 is provided over a substrate 311 and includes a conductive layer 316 that functions as a gate, an insulating layer 315 that functions as a gate insulating layer, a semiconductor region 313 that is part of the substrate 311, and low-resistance regions 314a and 314b that function as source and drain regions. The transistor 300 may be either a p-channel or n-channel type. The substrate 311 preferably contains a silicon-based semiconductor, and more specifically, preferably contains single-crystal silicon.
ここで、図24に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面及び上面を、絶縁層315を介して、導電層316が覆うように設けられている。なお、導電層316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁層を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。 Here, in the transistor 300 shown in Figure 24, the semiconductor region 313 (part of the substrate 311) where the channel is formed has a convex shape. A conductive layer 316 is provided to cover the side and top surfaces of the semiconductor region 313 with an insulating layer 315 interposed therebetween. Note that the conductive layer 316 may be made of a material that adjusts the work function. Such a transistor 300 is also called a FIN transistor because it utilizes the convex portion of the semiconductor substrate. Note that an insulating layer that contacts the top of the convex portion and functions as a mask for forming the convex portion may be provided. Here, the case where the convex portion is formed by processing a part of the semiconductor substrate is shown, but a semiconductor film having a convex shape may also be formed by processing an SOI substrate.
なお、図24に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成又は駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いることができる。 Note that the transistor 300 shown in Figure 24 is just an example, and the structure is not limited to this, and an appropriate transistor can be used depending on the circuit configuration or driving method.
各構造体の間には、層間絶縁膜、配線、及びプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグ又は配線として機能する導電層は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電層の一部が配線として機能する場合、及び導電層の一部がプラグとして機能する場合もある。 A wiring layer containing an interlayer insulating film, wiring, plugs, etc. may be provided between each structure. Multiple wiring layers may be provided depending on the design. Here, the same reference numeral may be used to refer to multiple structures of a conductive layer that functions as a plug or wiring. In this specification, the wiring and the plug connecting to the wiring may be integrated. In other words, there are cases where a portion of the conductive layer functions as the wiring, and cases where a portion of the conductive layer functions as the plug.
例えば、トランジスタ300上には、層間絶縁膜として、絶縁層320、絶縁層322、絶縁層324、及び絶縁層326が順に積層して設けられている。また、絶縁層320及び絶縁層322には導電層328が埋め込まれ、絶縁層324及び絶縁層326には導電層330が埋め込まれている。なお、導電層328及び導電層330はプラグ又は配線として機能する。 For example, insulating layer 320, insulating layer 322, insulating layer 324, and insulating layer 326 are stacked in this order on transistor 300 as an interlayer insulating film. In addition, conductive layer 328 is embedded in insulating layer 320 and insulating layer 322, and conductive layer 330 is embedded in insulating layer 324 and insulating layer 326. Conductive layer 328 and conductive layer 330 function as plugs or wiring.
また、層間絶縁膜として機能する絶縁層は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁層322の上面は、平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 Furthermore, the insulating layer that functions as an interlayer insulating film may also function as a planarizing film that covers the underlying unevenness. For example, the upper surface of the insulating layer 322 may be planarized by a planarization process using a CMP method or the like to improve flatness.
絶縁層326及び導電層330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図24において、絶縁層350、絶縁層352、及び絶縁層354が順に積層して設けられている。また、絶縁層350、絶縁層352、及び絶縁層354には、導電層356が形成されている。導電層356は、プラグ又は配線として機能する。 A wiring layer may be provided on the insulating layer 326 and the conductive layer 330. For example, in FIG. 24, insulating layer 350, insulating layer 352, and insulating layer 354 are stacked in this order. In addition, conductive layer 356 is formed on insulating layer 350, insulating layer 352, and insulating layer 354. Conductive layer 356 functions as a plug or wiring.
層間絶縁膜として機能する、絶縁層352、及び絶縁層354等は、前述の半導体装置に用いることができる絶縁層を用いることができる。 The insulating layers 352 and 354, which function as interlayer insulating films, can be the same insulating layers that can be used in the semiconductor device described above.
プラグ、又は配線として機能する導電層、例えば、導電層328、導電層330、及び導電層356等としては、導電層240a及び導電層240bに適用可能な導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステン又はモリブデン等の高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウム又は銅等の低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 Conductive layers that function as plugs or wirings, such as conductive layer 328, conductive layer 330, and conductive layer 356, can be made of conductive materials that can be used for conductive layer 240a and conductive layer 240b. High-melting-point materials that are both heat-resistant and conductive, such as tungsten or molybdenum, are preferably used, and tungsten is preferred. Alternatively, they are preferably made of low-resistance conductive materials such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low-resistance conductive material.
トランジスタ200が有する導電層240a及び導電層240bは、導電層643、導電層645、導電層646、導電層356、導電層330、及び導電層328を介して、トランジスタ300のソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域314bと、接続されている。 The conductive layers 240a and 240b of the transistor 200 are connected to the low-resistance region 314b, which functions as the source or drain region of the transistor 300, via the conductive layers 643, 645, 646, 356, 330, and 328.
導電層643は、絶縁層285、絶縁層283、絶縁層250、絶縁層280c、絶縁層280b、絶縁層280a、及び絶縁層180に埋め込まれている。導電層645は、絶縁層180に埋め込まれている。導電層645は、導電層110と同一の材料、及び、同一の工程で作製することができる。導電層646は、絶縁層649に埋め込まれている。絶縁層649によって、トランジスタ300と、導電層110と、が絶縁されている。 Conductive layer 643 is embedded in insulating layer 285, insulating layer 283, insulating layer 250, insulating layer 280c, insulating layer 280b, insulating layer 280a, and insulating layer 180. Conductive layer 645 is embedded in insulating layer 180. Conductive layer 645 can be manufactured using the same material and process as conductive layer 110. Conductive layer 646 is embedded in insulating layer 649. The insulating layer 649 insulates the transistor 300 from the conductive layer 110.
<強誘電体のヒステリシス特性について>
強誘電体は、ヒステリシス特性を有する。図25は、強誘電体のヒステリシス特性の一例を示す図である。ヒステリシス特性は、強誘電体キャパシタで測定できる。図25において、横軸は強誘電体層に印加する電圧(電界)を示す。当該電圧は、強誘電体キャパシタにおける、一方の電極と他方の電極の電位差である。なお、当該電位差を強誘電体層の厚さで除算する(割る)と電界強度が求められる。
<Hysteresis characteristics of ferroelectrics>
Ferroelectrics have hysteresis characteristics. FIG. 25 is a diagram showing an example of the hysteresis characteristics of a ferroelectric. The hysteresis characteristics can be measured using a ferroelectric capacitor. In FIG. 25, the horizontal axis represents the voltage (electric field) applied to the ferroelectric layer. This voltage is the potential difference between one electrode and the other electrode in the ferroelectric capacitor. The electric field strength can be found by dividing this potential difference by the thickness of the ferroelectric layer.
図25において、縦軸は強誘電体の分極を示す。分極が正の場合は、強誘電体層中の正電荷が強誘電体キャパシタの一方の電極側に偏り、負電荷が強誘電体キャパシタの他方の電極側に偏っていることを示す。一方、分極が負の場合は、強誘電体層中の負電荷が強誘電体キャパシタの一方の電極側に偏り、正電荷が強誘電体キャパシタの他方の電極側に偏っていることを示す。 In Figure 25, the vertical axis represents the polarization of the ferroelectric. When the polarization is positive, it indicates that the positive charge in the ferroelectric layer is biased toward one electrode of the ferroelectric capacitor, and the negative charge is biased toward the other electrode of the ferroelectric capacitor. On the other hand, when the polarization is negative, it indicates that the negative charge in the ferroelectric layer is biased toward one electrode of the ferroelectric capacitor, and the positive charge is biased toward the other electrode of the ferroelectric capacitor.
また、図25の縦軸に示す分極を、負電荷が強誘電体キャパシタの一方の電極側に偏り、正電荷が強誘電体キャパシタの他方の電極側に偏っている場合に正とし、正電荷が強誘電体キャパシタの一方の電極側に偏り、負電荷が強誘電体キャパシタの他方の電極側に偏っている場合に負としてもよい。 Furthermore, the polarization shown on the vertical axis of Figure 25 can be considered positive when negative charges are biased toward one electrode of the ferroelectric capacitor and positive charges are biased toward the other electrode of the ferroelectric capacitor, or negative when positive charges are biased toward one electrode of the ferroelectric capacitor and negative charges are biased toward the other electrode of the ferroelectric capacitor.
図25に示すように、強誘電体のヒステリシス特性は、曲線401と、曲線402と、により表すことができる。曲線401と曲線402の交点における電圧を、飽和分極電圧+VSP(「+VSP」ともいう。)、及び飽和分極電圧−VSP(「−VSP」ともいう)と呼ぶ。+VSPと−VSPは、極性が異なるということができる。 As shown in Figure 25, the hysteresis characteristics of a ferroelectric material can be represented by curve 401 and curve 402. The voltages at the intersections of curve 401 and curve 402 are called the saturated polarization voltage +VSP (also called "+VSP") and the saturated polarization voltage -VSP (also called "-VSP"). +VSP and -VSP can be said to have opposite polarities.
強誘電体層に−VSP以下の電圧を印加した後に、強誘電体層に印加する電圧を高くしていくと、強誘電体層の分極は、曲線401に従って増加する。一方、強誘電体層に+VSP以上の電圧を印加した後に、強誘電体層に印加する電圧を低くしていくと、強誘電体層の分極は、曲線402に従って減少する。なお、+VSPを「正の飽和分極電圧」又は「第1の飽和分極電圧」と呼ぶ場合がある。また、−VSPを「負の飽和分極電圧」又は「第2の飽和分極電圧」と呼ぶ場合がある。第1の飽和分極電圧の絶対値と、第2の飽和分極電圧の絶対値は、同じであってもよいし異なっていてもよい。 After applying a voltage equal to or less than -VSP to the ferroelectric layer, if the voltage applied to the ferroelectric layer is increased, the polarization of the ferroelectric layer increases according to curve 401. On the other hand, after applying a voltage equal to or greater than +VSP to the ferroelectric layer, if the voltage applied to the ferroelectric layer is decreased, the polarization of the ferroelectric layer decreases according to curve 402. Note that +VSP may be referred to as the "positive saturation polarization voltage" or "first saturation polarization voltage." Furthermore, -VSP may be referred to as the "negative saturation polarization voltage" or "second saturation polarization voltage." The absolute values of the first saturation polarization voltage and the second saturation polarization voltage may be the same or different.
強誘電体層の分極が曲線401に従って変化する場合における、分極が0になる電圧を抗電圧+Vcと呼ぶ。また、強誘電体層の分極が曲線402に従って変化する場合における、分極が0になる電圧を抗電圧−Vcと呼ぶ。+Vcの値及び−Vcの値は、+VSPと−VSPの間の値である。なお、+Vcを「正の抗電圧」又は「第1の抗電圧」と呼び、−Vcを「負の抗電圧」又は「第2の抗電圧」と呼ぶ場合がある。第1の抗電圧の絶対値と、第2の抗電圧の絶対値は、同じであってもよいし異なっていてもよい。 When the polarization of the ferroelectric layer changes according to curve 401, the voltage at which the polarization becomes 0 is called the coercive voltage +Vc. When the polarization of the ferroelectric layer changes according to curve 402, the voltage at which the polarization becomes 0 is called the coercive voltage -Vc. The values of +Vc and -Vc are between +VSP and -VSP. Note that +Vc may be called the "positive coercive voltage" or "first coercive voltage," and -Vc may be called the "negative coercive voltage" or "second coercive voltage." The absolute values of the first coercive voltage and the second coercive voltage may be the same or different.
また、強誘電体層に電圧が印加されていない時(電圧が0Vの時)の分極の最大値を「残留分極+Pr」又は「残留分極Pr1」と呼び、最小値を「残留分極−Pr」又は「残留分極Pr2」と呼ぶ。また、残留分極+Prと残留分極−Prの差の絶対値を「残留分極2Pr」と呼ぶ。残留分極2Prが大きいほど、分極の反転による強誘電体キャパシタの容量値の変動幅が大きくなる。残留分極2Prは大きいほど好ましい。 Furthermore, the maximum value of polarization when no voltage is applied to the ferroelectric layer (when the voltage is 0V) is called "residual polarization +Pr" or "residual polarization Pr1," and the minimum value is called "residual polarization -Pr" or "residual polarization Pr2." Furthermore, the absolute value of the difference between remanent polarization +Pr and remanent polarization -Pr is called "residual polarization 2Pr." The larger the remanent polarization 2Pr, the greater the fluctuation range of the capacitance value of the ferroelectric capacitor due to polarization reversal. The larger the remanent polarization 2Pr, the more preferable it is.
本実施の形態は、他の実施の形態、及び実施例と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。 This embodiment can be combined with other embodiments and examples as appropriate. Furthermore, in this specification, when multiple configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be combined as appropriate.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置が有するトランジスタの半導体層に用いることのできる、酸化インジウム膜について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an indium oxide film that can be used for a semiconductor layer of a transistor included in a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described.
なお、本明細書等において、膜中に少なくとも結晶部又は結晶領域を有する酸化インジウムを、結晶の酸化インジウム(crystal IO)又は結晶性酸化インジウム(crystalline IO)という。例えば、crystal IO又はcrystalline IOとして、単結晶の酸化インジウム、多結晶の酸化インジウム、微結晶の酸化インジウム等が挙げられる。 Note that in this specification and the like, indium oxide having at least a crystalline portion or crystalline region in the film is referred to as crystalline indium oxide (crystal IO) or crystalline indium oxide (crystalline IO). For example, examples of crystalline IO or crystalline IO include single-crystalline indium oxide, polycrystalline indium oxide, and microcrystalline indium oxide.
酸化インジウムは、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOとも表記する)、酸化亜鉛等の酸化物半導体とは全く異なる物性を有する半導体材料である。 Indium oxide is a semiconductor material with completely different physical properties from oxide semiconductors such as In-Ga-Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO) and zinc oxide.
酸化インジウム、シリコン、及びIGZOのホール(Hall)移動度のキャリア濃度依存性について説明する。図26Aはシリコン(Si)及び酸化インジウム(InOX)、図26BはIGZOに対する、ホール移動度のキャリア濃度依存性についての模式図である。 The carrier concentration dependence of the Hall mobility of indium oxide, silicon, and IGZO will be described below. Fig. 26A is a schematic diagram showing the carrier concentration dependence of the Hall mobility for silicon (Si) and indium oxide (InO x ), and Fig. 26B is a schematic diagram showing the carrier concentration dependence of the Hall mobility for IGZO.
まず、IGZOは、図26Bに矢印で示すように、キャリア濃度が高いほどホール移動度が高い傾向を示す。一方、酸化インジウムは、図26Aに矢印で示すように、キャリア濃度が低いほどホール移動度が高い傾向を示す(非特許文献7参照)。この傾向はシリコンと同様の傾向であり、材料中のドーパント(不純物)の濃度が低いほど、不純物散乱が減少しホール移動度が高くなる。すなわち酸化インジウムは、高純度且つ真性であるほど、ホール移動度が高くなる。この結果から、酸化インジウムはIGZOとは異なり、シリコンに近い物性を持つ物質であるといえる。なお、図26Aに示す酸化インジウムの特性は、単結晶を想定した場合である。そのため、酸化インジウムが非単結晶(例えば、多結晶)のとき、図26Aに示す特性と異なる場合がある。 First, IGZO tends to exhibit higher hole mobility as the carrier concentration increases, as indicated by the arrows in Figure 26B. On the other hand, indium oxide tends to exhibit higher hole mobility as the carrier concentration decreases, as indicated by the arrows in Figure 26A (see Non-Patent Document 7). This trend is similar to that of silicon; the lower the dopant (impurity) concentration in the material, the less impurity scattering there is and the higher the hole mobility. In other words, the higher the purity and intrinsic indium oxide, the higher the hole mobility. From these results, it can be said that indium oxide, unlike IGZO, is a material with physical properties closer to silicon. Note that the characteristics of indium oxide shown in Figure 26A are assumed to be single crystal. Therefore, when indium oxide is non-single crystal (e.g., polycrystalline), the characteristics may differ from those shown in Figure 26A.
図26Aにおいて、キャリア濃度の低い範囲R1はホール移動度が極めて高いため、例えばトランジスタのチャネル形成領域に好適なキャリア濃度の範囲であるといえる。例えば、酸化インジウムの場合、範囲R1は、キャリア濃度の値が1×1015cm−3を含む範囲であり、例えば1×1014cm−3以上、1×1018cm−3以下の範囲である。キャリア濃度を十分に低減することにより、ホール移動度の値を270cm2/(V・s)程度にまで高められることが期待できる。 26A , the low carrier concentration range R1 has extremely high hole mobility, and can therefore be considered a carrier concentration range suitable for, for example, a transistor channel formation region. For example, in the case of indium oxide, range R1 is a range including a carrier concentration value of 1×10 15 cm −3 , for example, a range of 1×10 14 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less. By sufficiently reducing the carrier concentration, it is expected that the hole mobility value can be increased to approximately 270 cm 2 /(V·s).
なお、酸化インジウムにおいて、キャリア濃度が範囲R1である領域は、キャリア濃度を低める元素を含むことができる。キャリア濃度を低める元素として、例えば、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、カドミウム、銅等が挙げられる。これらの元素がインジウムと置換することで、キャリア濃度を低くすることができる。また、キャリア濃度を低める元素として、例えば、窒素、リン、ヒ素、アンチモン等が挙げられる。例えば、窒素、リン、ヒ素、又はアンチモンが酸素と置換することで、キャリア濃度を低くすることができる。 In addition, in indium oxide, the region where the carrier concentration is in range R1 can contain elements that lower the carrier concentration. Examples of elements that lower the carrier concentration include magnesium, calcium, zinc, cadmium, and copper. By substituting these elements for indium, the carrier concentration can be lowered. Examples of elements that lower the carrier concentration include nitrogen, phosphorus, arsenic, and antimony. For example, by substituting nitrogen, phosphorus, arsenic, or antimony for oxygen, the carrier concentration can be lowered.
一方、キャリア濃度の高い範囲R2は電気抵抗が低く、例えばトランジスタのソース領域及びドレイン領域、又は抵抗体、若しくは透明導電膜に好適なキャリア濃度の範囲であるといえる。範囲R2は、キャリア濃度の値が1×1020cm−3を含む範囲であり、例えば1×1019cm−3以上、1×1022cm−3以下の範囲である。キャリア濃度を十分に高くすることで、抵抗率を1×10−4Ω・cm以下にまで低減できることが期待できる。 On the other hand, the range R2 of high carrier concentration has low electrical resistance and can be said to be a range of carrier concentration suitable for, for example, the source and drain regions of a transistor, a resistor, or a transparent conductive film. Range R2 is a range of carrier concentration values that includes 1×10 20 cm −3 , for example, a range of 1×10 19 cm −3 or more and 1×10 22 cm −3 or less. By sufficiently increasing the carrier concentration, it is expected that the resistivity can be reduced to 1×10 −4 Ω·cm or less.
なお、酸化インジウムにおいて、キャリア濃度が範囲R2である領域は、キャリア濃度を高める元素を含むことができる。例えば、トランジスタのソース電極及びドレイン電極と共通の元素を含むことが好ましい。キャリア濃度を高める元素は、例えばチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、モリブデン、錫、シリコン、ホウ素等が挙げられる。特に、酸化物が導電性又は半導体性を有する元素を用いることがより好ましい。 Note that in indium oxide, the region where the carrier concentration is in range R2 can contain elements that increase the carrier concentration. For example, it is preferable that the region contains elements that are common to the source and drain electrodes of the transistor. Examples of elements that increase the carrier concentration include titanium, zirconium, hafnium, tantalum, tungsten, molybdenum, tin, silicon, and boron. It is particularly preferable to use elements whose oxides have conductive or semiconductive properties.
このように酸化インジウムにおいて、キャリア濃度の低い領域をトランジスタのチャネル形成領域に用いて、キャリア濃度の高い領域をトランジスタのソース領域及びドレイン領域に用いる。つまり、酸化インジウムは、価電子制御が可能な酸化物ともいえる。なお、IGZOは、IGZOと接する電極の応力に起因して、ソース領域及びドレイン領域に歪が形成され、n型領域が形成される場合がある。一方で、酸化インジウムは、IGZOとは異なり、価電子制御が可能であるため、IGZOのように膜中に歪を形成しなくてもよい。膜中に歪が少ないと、信頼性を高めることが期待できる。例えば、キャリア濃度が図26Aに示す範囲R1である領域と、範囲R2である領域とを、酸化インジウム膜中で作り分けることで、所謂n−i−n接合(n型領域と、i型領域と、n型領域との接合)を作ることができる。なお、シリコンを用いるトランジスタにおける価電子制御は、一般的に知られている。一方で、酸化インジウムを用いるトランジスタにおける価電子制御は、通常は想到しえない、新規な技術思想である。 In this way, indium oxide uses a region with a low carrier concentration as the channel formation region of a transistor, and a region with a high carrier concentration as the source and drain regions of the transistor. In other words, indium oxide can be considered an oxide capable of valence electron control. Note that with IGZO, strain may form in the source and drain regions due to stress from electrodes in contact with the IGZO, resulting in the formation of n-type regions. On the other hand, unlike IGZO, indium oxide allows for valence electron control, so strain does not need to be formed in the film as with IGZO. Minimizing strain in the film is expected to improve reliability. For example, by creating regions with carrier concentrations in range R1 and range R2 shown in Figure 26A within an indium oxide film, a so-called n-i-n junction (a junction between an n-type region, an i-type region, and an n-type region) can be created. Note that valence electron control in silicon-based transistors is generally known. However, valence electron control in indium oxide-based transistors is a novel technological concept that would not normally be conceived.
上記の技術思想を用いることで、本明細書等における酸化インジウムを有するトランジスタは、以下に示す特徴(1)~(5)のうち、2つ以上、好ましくは3つ以上、さらに好ましくは4つ以上、最も好ましくは5つを有する。(1)オン電流が高い(別言すると高移動度である)。(2)オフ電流が低い。(3)ノーマリーオフが可能である。(4)高い信頼性を有する。(5)遮断周波数(fT)が高い。例えば、本明細書等における酸化インジウムを有するトランジスタは、高移動度であり、オフ電流が低く、且つノーマリーオフが可能である。当該トランジスタは、高移動度であり、且つノーマリーオンのトランジスタとは異なる。 By using the above technical concept, the transistor containing indium oxide in this specification has two or more, preferably three or more, more preferably four or more, and most preferably five of the following characteristics (1) to (5): (1) A high on-state current (in other words, high mobility). (2) A low off-state current. (3) Normally-off operation is possible. (4) High reliability. (5) A high cutoff frequency (fT). For example, the transistor containing indium oxide in this specification has high mobility, a low off-state current, and is normally-off operation. This transistor has high mobility and is different from a normally-on transistor.
続いて、トランジスタに適用する酸化インジウム膜について説明する。酸化インジウム膜は、結晶性を有する(すなわち、結晶粒を有する)ことが好ましい。結晶粒を有する膜として、単結晶膜、多結晶膜、又は結晶粒を含む非晶質膜(微結晶膜ともいう)等が挙げられる。特に、酸化インジウム膜は、多結晶膜が好ましく、より好ましくは単結晶膜である。単結晶膜は結晶粒界(グレインバウンダリともいう)を有さない。結晶粒界には、キャリアの流れを阻害する不純物(代表的には、絶縁性の不純物、絶縁性の酸化物等)が偏析しやすい。単結晶膜を用いることで、結晶粒界におけるキャリア散乱等を抑制することができ、高い電界効果移動度を示すトランジスタを実現できる。また、当該結晶粒界に起因するトランジスタ特性のばらつきを抑制できる、といった優れた効果を奏する。 Next, we will explain indium oxide films used in transistors. It is preferable that the indium oxide film be crystalline (i.e., have crystal grains). Examples of films having crystal grains include single-crystal films, polycrystalline films, and amorphous films containing crystal grains (also called microcrystalline films). In particular, the indium oxide film is preferably a polycrystalline film, and more preferably a single-crystal film. A single-crystal film does not have grain boundaries. Impurities that impede carrier flow (typically, insulating impurities, insulating oxides, etc.) tend to segregate at grain boundaries. Using a single-crystal film can suppress carrier scattering at grain boundaries, resulting in a transistor with high field-effect mobility. Furthermore, it has the excellent effect of suppressing variations in transistor characteristics due to the grain boundaries.
また、多結晶膜は、微結晶膜又は非晶質膜と比較して、キャリア散乱を低減させることが可能となり、高い電界効果移動度を示すため好ましい。多結晶膜を用いる場合には、結晶粒のサイズができるだけ大きく、結晶粒界が少ない膜を用いることが好ましい。なお、酸化インジウムの多結晶膜が適用されたトランジスタにおいて、チャネル形成領域に結晶粒界を有さない、又は結晶粒界が観察されない場合は、多結晶膜に含まれる単結晶領域内にチャネル形成領域が位置するため、単結晶の酸化インジウムが適用されたトランジスタとみなすことができる。 Furthermore, polycrystalline films are preferable because they can reduce carrier scattering and exhibit high field-effect mobility compared to microcrystalline or amorphous films. When using a polycrystalline film, it is preferable to use a film with as large a crystal grain size as possible and as few crystal grain boundaries as possible. Note that in a transistor using a polycrystalline film of indium oxide, if there are no crystal grain boundaries in the channel formation region or no crystal grain boundaries are observed, the channel formation region is located within a single crystal region included in the polycrystalline film, and therefore the transistor can be considered to use single-crystal indium oxide.
なお、酸化インジウムの結晶性は、例えば、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)、透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)、又は電子回折(ED:Electron Diffraction)により解析できる。又は、これらを複数組み合わせて分析を行ってもよい。 The crystallinity of indium oxide can be analyzed, for example, by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM), or electron diffraction (ED). Alternatively, a combination of these methods may be used for analysis.
また、本明細書等において、チャネル形成領域において結晶粒界が観察されない半導体層、チャネル形成領域が1つの結晶粒に含まれる半導体層、又は、チャネル形成領域内の少なくとも2つの領域において、結晶軸の方向が同一である半導体層を、単結晶膜と呼ぶことができる。また、チャネル形成領域において、1つの結晶粒内で、ある結晶軸又はある結晶方位を回転の軸として、他の結晶軸の方向が連続的に変化する半導体層を、単結晶膜と呼ぶことができる。 Furthermore, in this specification, a semiconductor layer in which no crystal grain boundaries are observed in the channel formation region, a semiconductor layer in which the channel formation region is contained in a single crystal grain, or a semiconductor layer in which the crystal axis direction is the same in at least two regions in the channel formation region can be called a single crystal film. Furthermore, a semiconductor layer in which, within a single crystal grain in the channel formation region, the direction of the other crystal axis changes continuously around a certain crystal axis or a certain crystal orientation as the axis of rotation can be called a single crystal film.
なお、チャネル形成領域とは、半導体層のうち、ゲート絶縁層を介してゲート電極と重なる(又は対向する)領域であって、ソース電極と接する領域とドレイン電極と接する領域との間に位置する領域を指す。チャネル形成領域における電流経路は、ソース電極とドレイン電極との最短距離である。そのため、チャネル形成領域における、結晶粒、結晶粒界、結晶軸、結晶方位等は、半導体層、ソース電極、及びドレイン電極を含む断面観察にて確認できる。 Note that the channel formation region refers to the region of the semiconductor layer that overlaps (or faces) the gate electrode via the gate insulating layer, and is located between the region in contact with the source electrode and the region in contact with the drain electrode. The current path in the channel formation region is the shortest distance between the source electrode and the drain electrode. Therefore, the crystal grains, crystal grain boundaries, crystal axes, crystal orientation, etc. in the channel formation region can be confirmed by observing a cross section including the semiconductor layer, source electrode, and drain electrode.
チャネル形成領域の酸化インジウム膜は、不純物濃度が低いほど好ましい。チャネル形成領域の酸化インジウム膜中の不純物は、キャリアの散乱源となりうるため、電界効果移動度の低下の要因となりうる。また、これら不純物が酸化インジウム膜の結晶成長を阻害する要因ともなりうる。酸化インジウム膜に対する不純物としては、ホウ素、シリコン等が挙げられる。酸化インジウム膜は、これら不純物の濃度が、それぞれ、0.1%以下であることが好ましく、0.01%(100ppm)以下であることがさらに好ましい。なお、炭素、水素等は、成膜時の成膜ガス又はプリカーサに含まれうる元素であり、上記不純物よりも多く酸化インジウム膜中に残存する場合がある。 The lower the impurity concentration of the indium oxide film in the channel formation region, the better. Impurities in the indium oxide film in the channel formation region can act as a scattering source for carriers, which can reduce field-effect mobility. These impurities can also hinder the crystal growth of the indium oxide film. Impurities in the indium oxide film include boron and silicon. The indium oxide film preferably has a concentration of each of these impurities of 0.1% or less, and more preferably 0.01% (100 ppm) or less. Note that carbon, hydrogen, and other elements may be contained in the film formation gas or precursor during film formation, and may remain in the indium oxide film in greater amounts than the above impurities.
なお、チャネル形成領域の酸化インジウム膜は、その結晶が立方晶構造(ビックスバイト型)を保持する範囲で、インジウムと同じ3価の陽イオンになりうる元素を含んでもよい。例えば、ガリウム、アルミニウム等の周期表第13族元素、及び周期表第3族元素等が挙げられる。これらの元素は、酸化物中では3価の陽イオンとして主に存在するため、酸化インジウムのキャリア濃度を低く維持できる。 Note that the indium oxide film in the channel formation region may contain elements that can become the same trivalent cations as indium, as long as the crystals maintain a cubic crystal structure (bixbyite type). Examples include elements in Group 13 of the periodic table, such as gallium and aluminum, and elements in Group 3 of the periodic table. These elements exist primarily as trivalent cations in oxides, allowing the carrier concentration of indium oxide to be maintained low.
このような酸化インジウム膜をトランジスタに用いることで、トランジスタの電界効果移動度を、50cm2/(V・s)以上、好ましくは100cm2/(V・s)以上、より好ましくは150cm2/(V・s)以上、さらに好ましくは200cm2/(V・s)以上、さらに好ましくは250cm2/(V・s)以上とすることができる。 By using such an indium oxide film in a transistor, the field-effect mobility of the transistor can be increased to 50 cm 2 /(V·s) or more, preferably 100 cm 2 /(V·s) or more, more preferably 150 cm 2 /(V·s) or more, even more preferably 200 cm 2 /(V·s) or more, and still more preferably 250 cm 2 /(V·s) or more.
酸化インジウム膜の特徴の一つとして、IGZO膜と比較して酸素の透過性(拡散性)が高いことが挙げられる。図26Cに示すように、酸化インジウム膜(InOXと表記)に拡散する酸素(O)は、酸化インジウム膜を透過し、酸素分子(O2)として放出される。また、膜に含まれる水素と反応することで、水分子(H2O)として放出される場合もある。また、膜中に酸素欠損(VO)が存在する場合には、拡散する酸素原子が酸素欠損を補填する。酸化インジウム膜は酸素が拡散しやすいことから、IGZO膜と比較して酸素欠損を補填しやすいともいえる。 One of the features of an indium oxide film is its high oxygen permeability (diffusibility) compared to an IGZO film. As shown in FIG. 26C, oxygen (O) diffusing into an indium oxide film (denoted as InOX ) passes through the indium oxide film and is released as oxygen molecules (O 2 ). It may also react with hydrogen contained in the film and be released as water molecules (H 2 O). Furthermore, if oxygen vacancies ( VO ) exist in the film, the diffusing oxygen atoms compensate for the oxygen vacancies. Since oxygen easily diffuses into an indium oxide film, it can also be said that oxygen vacancies are more easily compensated for compared to an IGZO film.
このように、酸化インジウム膜は、IGZO膜と比較して膜中の酸素欠損を低減しやすいため、このような酸化インジウム膜をトランジスタに適用することで、極めて高い信頼性を示すトランジスタを実現できる。 As such, indium oxide films are easier to reduce oxygen vacancies in than IGZO films, so by applying such indium oxide films to transistors, it is possible to achieve transistors that exhibit extremely high reliability.
また、図26Cに示すように、酸化インジウム膜は水素を拡散する。酸化インジウム膜に外部から拡散する水素は、酸化インジウム膜を透過し、水素分子(H2)として放出される。又は、膜に含まれる酸素と反応することで、水分子として放出される。 26C, the indium oxide film diffuses hydrogen. Hydrogen that diffuses into the indium oxide film from the outside passes through the indium oxide film and is released as hydrogen molecules (H 2 ). Alternatively, hydrogen reacts with oxygen contained in the film and is released as water molecules.
酸化インジウム膜を用いたトランジスタは、電子を多数キャリアとする蓄積型トランジスタである。キャリアの緩和時間が一定値であると仮定する場合、電子(キャリア)の有効質量が小さいほど、電子移動度が高くなる。つまり、電子の有効質量が小さい酸化インジウムをトランジスタに用いることで、トランジスタのオン電流、又は電界効果移動度を高めることができる。 Transistors using indium oxide films are accumulation-type transistors that use electrons as majority carriers. Assuming that the carrier relaxation time is a constant value, the smaller the effective mass of the electrons (carriers), the higher the electron mobility. In other words, using indium oxide, which has a small effective electron mass, in a transistor can increase the on-state current or field-effect mobility of the transistor.
表1に、単結晶の酸化インジウム(ここでは、In2O3)と、単結晶のシリコン(Si)について、それぞれの有効質量を示す。表1に示すように、酸化インジウムは、電子の有効質量が小さく、正孔の有効質量は大きいという特徴がある。また酸化インジウムの電子の有効質量は結晶方位にほとんど依存しないという特徴がある。そのため、結晶性を有する酸化インジウムをトランジスタに用いることで、電界効果移動度の高いトランジスタ、周波数特性(f特とも呼称する)が高いトランジスタを実現できる。さらに、正孔の有効質量が大きいため、オフ電流が極めて小さいトランジスタを実現できる。例えば、縦型のトランジスタに酸化インジウム膜を適用することで、チャネル幅1μmあたりのオフ電流が、125℃の環境下において、1fA(1×10−15A)以下、又は1aA(1×10−18A)以下であり、室温(25℃)環境下において、1aA(1×10−18A)以下、又は1zA(1×10−21A)以下とすることができる。また、表1に示すように、酸化インジウムはシリコンよりも電子の有効質量が小さく、正孔の有効質量が大きいため、Siトランジスタよりも電界効果移動度が高く、且つ、オフ電流の低いトランジスタを実現できる可能性がある。 Table 1 shows the effective masses of single-crystal indium oxide (here, In 2 O 3 ) and single-crystal silicon (Si). As shown in Table 1, indium oxide is characterized by a small effective mass of electrons and a large effective mass of holes. Furthermore, the effective mass of electrons in indium oxide is characterized by being almost independent of the crystal orientation. Therefore, by using crystalline indium oxide for a transistor, a transistor with high field-effect mobility and high frequency characteristics (also referred to as f characteristics) can be realized. Furthermore, since the effective mass of holes is large, a transistor with extremely low off-current can be realized. For example, by applying an indium oxide film to a vertical transistor, the off-state current per 1 μm of channel width can be 1 fA (1×10 −15 A) or less or 1 aA (1×10 −18 A) or less in an environment of 125° C., and 1 aA (1×10 −18 A) or less or 1 zA (1×10 −21 A) or less in an environment of room temperature (25° C.). Furthermore, as shown in Table 1, indium oxide has a smaller effective mass of electrons and a larger effective mass of holes than silicon, and therefore may be able to realize a transistor with higher field-effect mobility and lower off-state current than a Si transistor.
結晶性を有する酸化インジウム膜の少なくとも一部に接するようにシード層を設けることが好ましい。シード層には、酸化インジウムとの格子定数の差(格子不整合ともいう)が小さい結晶を含む材料を用いることが好ましい。これにより、酸化インジウム膜の結晶性を向上させることができる。なお、結晶性を有する酸化インジウム膜の少なくとも一部に接する層の一つとして、基板(例えば単結晶基板)を用いてもよい。 It is preferable to provide a seed layer so that it is in contact with at least a portion of the crystalline indium oxide film. For the seed layer, it is preferable to use a material containing crystals with a small difference in lattice constant (also called lattice mismatch) with indium oxide. This can improve the crystallinity of the indium oxide film. Note that a substrate (e.g., a single-crystal substrate) may be used as one of the layers in contact with at least a portion of the crystalline indium oxide film.
格子不整合の度合いを評価する方法の一つとして、以下に示す格子不整合度の値を用いる方法がある。シード層が有する結晶に対する、形成膜(ここでは酸化インジウム膜)が有する結晶の格子不整合度Δa[%]は、Δa=((L1−L2)/L2)×100で算出される。ここでL1は形成膜が有する結晶の単位格子ベクトルの長さ又は格子定数であり、L2はシード層が有する結晶の単位格子ベクトルの長さ又は格子定数である。 One method for evaluating the degree of lattice mismatch is to use the lattice mismatch value shown below. The lattice mismatch Δa [%] of the crystals of the formed film (here, an indium oxide film) with respect to the crystals of the seed layer is calculated by Δa = (( L1 - L2 ) / L2 ) × 100, where L1 is the length or lattice constant of the unit lattice vector of the crystals of the formed film, and L2 is the length or lattice constant of the unit lattice vector of the crystals of the seed layer.
シード層と、酸化インジウム膜との格子不整合度Δaは、その絶対値が小さいほど好ましく、0であることが最も好ましい。例えばΔaは、−5%以上5%以下、好ましくは−4%以上4%以下、より好ましくは−3%以上3%以下、さらに好ましくは−2%以上2%以下とすることができる。 The smaller the absolute value of the lattice mismatch Δa between the seed layer and the indium oxide film, the better, with 0 being most preferable. For example, Δa can be set to between -5% and 5%, preferably between -4% and 4%, more preferably between -3% and 3%, and even more preferably between -2% and 2%.
ここで、酸化インジウムの結晶は立方晶構造(ビックスバイト型)である。例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)の結晶は立方晶構造(蛍石型)とすることができる。立方晶構造のYSZの結晶に対する、酸化インジウムの結晶の格子不整合度は、−2%以上2%以下の範囲内であり、YSZ基板上に酸化インジウムの単結晶膜をエピタキシャル成長させることができる。 Here, the indium oxide crystals have a cubic crystal structure (bixbyite type). For example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) crystals can have a cubic crystal structure (fluorite type). The lattice mismatch of the indium oxide crystals with the cubic YSZ crystals is within the range of -2% to 2%, and a single crystal film of indium oxide can be epitaxially grown on a YSZ substrate.
なお、シード層の結晶構造と、酸化インジウム膜の結晶構造とは、晶系又は結晶方位が同一でなくてもよい場合がある。例えば、立方晶構造の結晶を有する酸化インジウム膜の下に、六方晶構造又は三方晶構造の結晶を有する膜を用いることもできる。例えば、シード層の表面の結晶方位を[001]とし、酸化インジウム膜の下面の結晶方位を[111]とすることで、エピタキシャル成長に必要な結晶方位に関わる要件を満たすことができる。六方晶系又は三方晶系の結晶として、例えば、ウルツ鉱型構造、YbFe2O4型構造、Yb2Fe3O7型構造、及びこれらの変形型構造等がある。YbFe2O4型構造又はYb2Fe3O7型構造を有する結晶の一例としては、IGZO等が挙げられる。 Note that the crystal structure of the seed layer and the crystal structure of the indium oxide film may not necessarily have the same crystal system or crystal orientation. For example, a film having crystals of a hexagonal or trigonal structure can be used under an indium oxide film having crystals of a cubic structure. For example, by setting the crystal orientation of the surface of the seed layer to [001] and the crystal orientation of the underside of the indium oxide film to [111], the requirements regarding the crystal orientation necessary for epitaxial growth can be satisfied. Examples of hexagonal or trigonal crystals include a wurtzite structure, a YbFe2O4 structure, a Yb2Fe3O7 structure, and modified structures thereof. An example of a crystal having a YbFe2O4 structure or a Yb2Fe3O7 structure is IGZO.
本実施の形態は、他の実施の形態、及び実施例と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。 This embodiment can be combined with other embodiments and examples as appropriate. Furthermore, in this specification, when multiple configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be combined as appropriate.
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置900について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a semiconductor device 900 according to one embodiment of the present invention will be described.
図27に、半導体装置900の構成例を示すブロック図を示す。図27に示す半導体装置900は、駆動回路910と、メモリアレイ920と、を有する。メモリアレイ920は、1以上のメモリセル950を有する。図27では、メモリアレイ920がマトリクス状に配置された複数のメモリセル950を有する例を示している。 Figure 27 shows a block diagram illustrating an example configuration of a semiconductor device 900. The semiconductor device 900 shown in Figure 27 has a driver circuit 910 and a memory array 920. The memory array 920 has one or more memory cells 950. Figure 27 shows an example in which the memory array 920 has a plurality of memory cells 950 arranged in a matrix.
メモリセル950には、例えば実施の形態1で説明したメモリセル150を適用することができる。 For example, the memory cell 150 described in embodiment 1 can be applied to the memory cell 950.
駆動回路910は、PSW931(パワースイッチ)、PSW932、及び周辺回路915を有する。周辺回路915は、周辺回路911、コントロール回路912、及び電圧生成回路928を有する。 The drive circuit 910 includes a PSW 931 (power switch), a PSW 932, and a peripheral circuit 915. The peripheral circuit 915 includes a peripheral circuit 911, a control circuit 912, and a voltage generation circuit 928.
半導体装置900において、各回路、各信号及び各電圧は、必要に応じて、適宜取捨することができる。又は、他の回路又は他の信号を追加してもよい。信号BW、信号CE、信号GW、信号CLK、信号WAKE、信号ADDR、信号WDA、信号PON1、信号PON2は外部からの入力信号であり、信号RDAは外部への出力信号である。信号CLKはクロック信号である。 In the semiconductor device 900, each circuit, signal, and voltage can be selected or removed as needed. Alternatively, other circuits or signals may be added. Signals BW, CE, GW, CLK, WAKE, ADDR, WDA, PON1, and PON2 are input signals from the outside, and signal RDA is an output signal to the outside. Signal CLK is a clock signal.
また、信号BW、信号CE、及び信号GWは制御信号である。信号CEはチップイネーブル信号であり、信号GWはグローバル書き込みイネーブル信号であり、信号BWはバイト書き込みイネーブル信号である。信号ADDRはアドレス信号である。信号WDAは書き込みデータ信号であり、信号RDAは読み出しデータ信号である。信号PON1、信号PON2は、パワーゲーティング制御用信号である。なお、信号PON1、信号PON2は、コントロール回路912で生成してもよい。 Furthermore, signals BW, CE, and GW are control signals. Signal CE is a chip enable signal, signal GW is a global write enable signal, and signal BW is a byte write enable signal. Signal ADDR is an address signal. Signal WDA is a write data signal, and signal RDA is a read data signal. Signals PON1 and PON2 are power gating control signals. Note that signals PON1 and PON2 may be generated by control circuit 912.
コントロール回路912は、半導体装置900の動作全般を制御する機能を有するロジック回路である。例えば、コントロール回路912は、信号CE、信号GW及び信号BWを論理演算して、半導体装置900の動作モード(例えば、書き込み動作、読み出し動作)を決定する。又は、コントロール回路912は、この動作モードが実行されるように、周辺回路911の制御信号を生成する。 The control circuit 912 is a logic circuit that has the function of controlling the overall operation of the semiconductor device 900. For example, the control circuit 912 performs a logical operation on the signals CE, GW, and BW to determine the operation mode (e.g., write operation, read operation) of the semiconductor device 900. Alternatively, the control circuit 912 generates a control signal for the peripheral circuit 911 so that this operation mode is executed.
電圧生成回路928は負電圧を生成する機能を有する。信号WAKEは、信号CLKの電圧生成回路928への入力を制御する機能を有する。例えば、信号WAKEとしてHレベルの信号が与えられると、信号CLKが電圧生成回路928へ入力され、電圧生成回路928は負電圧を生成する。 The voltage generation circuit 928 has the function of generating a negative voltage. The signal WAKE has the function of controlling the input of the signal CLK to the voltage generation circuit 928. For example, when an H-level signal is given as the signal WAKE, the signal CLK is input to the voltage generation circuit 928, and the voltage generation circuit 928 generates a negative voltage.
周辺回路911は、メモリセル950に対するデータの書き込み及び読み出しをするための回路である。周辺回路911は、行デコーダ941、列デコーダ942、行ドライバ923、列ドライバ924、入力回路925、出力回路926、及びセンスアンプ927を有する。 The peripheral circuit 911 is a circuit for writing and reading data to and from the memory cells 950. The peripheral circuit 911 includes a row decoder 941, a column decoder 942, a row driver 923, a column driver 924, an input circuit 925, an output circuit 926, and a sense amplifier 927.
行デコーダ941及び列デコーダ942は、信号ADDRをデコードする機能を有する。行デコーダ941は、アクセスする行を指定するための回路であり、列デコーダ942は、アクセスする列を指定するための回路である。行ドライバ923は、行デコーダ941が指定する行を選択する機能を有する。列ドライバ924は、データをメモリセル950に書き込む機能、メモリセル950からデータを読み出す機能、読み出したデータを保持する機能等を有する。 The row decoder 941 and column decoder 942 have the function of decoding the signal ADDR. The row decoder 941 is a circuit for specifying the row to be accessed, and the column decoder 942 is a circuit for specifying the column to be accessed. The row driver 923 has the function of selecting the row specified by the row decoder 941. The column driver 924 has the function of writing data to the memory cell 950, reading data from the memory cell 950, and retaining the read data.
入力回路925は、信号WDAを保持する機能を有する。入力回路925が保持するデータは、列ドライバ924に出力される。入力回路925の出力データが、メモリセル950に書き込むデータ(Din)である。列ドライバ924がメモリセル950から読み出したデータ(Dout)は、出力回路926に出力される。出力回路926は、Doutを保持する機能を有する。また、出力回路926は、Doutを半導体装置900の外部に出力する機能を有する。出力回路926から出力されるデータが信号RDAである。 The input circuit 925 has the function of holding the signal WDA. The data held by the input circuit 925 is output to the column driver 924. The output data of the input circuit 925 is the data (Din) to be written to the memory cell 950. The data (Dout) read from the memory cell 950 by the column driver 924 is output to the output circuit 926. The output circuit 926 has the function of holding Dout. The output circuit 926 also has the function of outputting Dout externally from the semiconductor device 900. The data output from the output circuit 926 is the signal RDA.
PSW931は周辺回路915へのVDDの供給を制御する機能を有する。PSW932は、行ドライバ923へのVHMの供給を制御する機能を有する。ここでは、半導体装置900の高電源電位がVDDであり、低電源電位はGND(接地電位)である。また、VHMは、ワード線を高レベルにするために用いられる高電源電位であり、VDDよりも高い。信号PON1によってPSW931のオン・オフが制御され、信号PON2によってPSW932のオン・オフが制御される。図27では、周辺回路915において、VDDが供給される電源ドメインの数を1としているが、複数にすることもできる。この場合、各電源ドメインに対してパワースイッチを設けることができる。 The PSW 931 has a function of controlling the supply of VDD to the peripheral circuit 915. The PSW 932 has a function of controlling the supply of VHM to the row driver 923. In this example, the high power supply potential of the semiconductor device 900 is VDD , and the low power supply potential is GND (ground potential). VHM is a high power supply potential used to set the word line to a high level and is higher than VDD . The on/off of the PSW 931 is controlled by a signal PON1, and the on/off of the PSW 932 is controlled by a signal PON2. In FIG. 27, the number of power domains to which VDD is supplied in the peripheral circuit 915 is one, but multiple domains may also be used. In this case, a power switch can be provided for each power domain.
半導体装置900が有する駆動回路910とメモリアレイ920は同一平面上に設けてもよい。また、図28Aに示すように、駆動回路910とメモリアレイ920を重ねて設けてもよい。駆動回路910とメモリアレイ920を重ねて設けることで、信号伝搬距離を短くすることができる。また、図28Bに示すように、駆動回路910上にメモリアレイ920を複数層重ねて設けてもよい。 The driver circuit 910 and memory array 920 of the semiconductor device 900 may be provided on the same plane. Alternatively, as shown in Figure 28A, the driver circuit 910 and memory array 920 may be provided overlapping each other. By providing the driver circuit 910 and memory array 920 overlapping each other, the signal propagation distance can be shortened. Alternatively, as shown in Figure 28B, the memory array 920 may be provided in multiple layers on top of the driver circuit 910.
続いて、上記半導体装置を備えることができる演算処理装置の一例について説明する。 Next, we will explain an example of a processing device that can be equipped with the above-mentioned semiconductor device.
図29に、演算装置960のブロック図を示す。図29に示す演算装置960は、例えばCPUに適用することができる。また、演算装置960は、CPUよりも並列処理可能なプロセッサコアを多数(数10~数100個)有するGPU(Graphics Processing Unit)、TPU(Tensor Processing Unit)、及びNPU(Neural Processing Unit)等のプロセッサにも適用することができる。 Figure 29 shows a block diagram of the arithmetic unit 960. The arithmetic unit 960 shown in Figure 29 can be applied to a CPU, for example. The arithmetic unit 960 can also be applied to processors such as a GPU (Graphics Processing Unit), TPU (Tensor Processing Unit), and NPU (Neural Processing Unit), which have a larger number (tens to hundreds) of processor cores capable of parallel processing than a CPU.
図29に示す演算装置960は、基板961上に、ALU962(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ962c、インストラクションデコーダ963、インタラプトコントローラ964、タイミングコントローラ965、レジスタ966、レジスタコントローラ967、バスインターフェース968、キャッシュ969、及びキャッシュインターフェース969iを有している。基板961は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板等を用いる。書き換え可能なROM及びROMインターフェースを有してもよい。また、キャッシュ969及びキャッシュインターフェース969iは、別チップに設けてもよい。 The arithmetic device 960 shown in FIG. 29 has an ALU 962 (ALU: Arithmetic logic unit, arithmetic circuit), an ALU controller 962c, an instruction decoder 963, an interrupt controller 964, a timing controller 965, a register 966, a register controller 967, a bus interface 968, a cache 969, and a cache interface 969i on a substrate 961. The substrate 961 may be a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like. It may also have a rewritable ROM and a ROM interface. The cache 969 and the cache interface 969i may also be provided on separate chips.
キャッシュ969は、別チップに設けられたメインメモリとキャッシュインターフェース969iを介して接続される。キャッシュインターフェース969iは、メインメモリに保持されているデータの一部をキャッシュ969に供給する機能を有する。またキャッシュインターフェース969iは、キャッシュ969に保持されているデータの一部を、バスインターフェース968を介してALU962又はレジスタ966等に出力する機能を有する。 Cache 969 is connected to main memory provided on a separate chip via cache interface 969i. Cache interface 969i has the function of supplying part of the data held in main memory to cache 969. Cache interface 969i also has the function of outputting part of the data held in cache 969 to ALU 962, register 966, etc. via bus interface 968.
後述するように、演算装置960上に積層して、メモリアレイ920を設けることができる。メモリアレイ920はキャッシュとして用いることができる。このとき、キャッシュインターフェース969iはメモリアレイ920に保持されているデータをキャッシュ969に供給する機能を有していてよい。またこのとき、キャッシュインターフェース969iの一部に、駆動回路910を有することが好ましい。 As will be described later, a memory array 920 can be provided stacked on the arithmetic unit 960. The memory array 920 can be used as a cache. In this case, the cache interface 969i may have the function of supplying data held in the memory array 920 to the cache 969. In this case, it is also preferable that a drive circuit 910 be included as part of the cache interface 969i.
なお、キャッシュ969を設けず、メモリアレイ920のみをキャッシュとして用いることもできる。 It is also possible to use only the memory array 920 as a cache without providing the cache 969.
図29に示す演算装置960は、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際の演算装置960はその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図29に示す演算装置960を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作する、いわゆるマルチコアの構成とすることが好ましい。コアの数が多いほど、演算性能を高めることができる。コアの数は多いほど好ましいが、例えば2個、好ましくは4個、より好ましくは8個、さらに好ましくは12個、さらに好ましくは16個又はそれ以上とすることが好ましい。また、サーバ用途等非常に高い演算性能が求められる場合には、16個以上、好ましくは32個以上、さらに好ましくは64個以上のコアを有するマルチコアの構成とすることが好ましい。また、演算装置960が内部演算回路、データバス等で扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビット等とすることができる。 The arithmetic device 960 shown in FIG. 29 is merely one example of a simplified configuration, and actual arithmetic devices 960 have a wide variety of configurations depending on their applications. For example, it is preferable to use a configuration including the arithmetic device 960 shown in FIG. 29 as one core, and to include multiple such cores, each of which operates in parallel, in a so-called multi-core configuration. The greater the number of cores, the higher the computational performance. The more cores there are, the more preferable it is, and for example, two, preferably four, more preferably eight, even more preferably twelve, and even more preferably sixteen or more cores are preferable. Furthermore, when extremely high computational performance is required, such as for server applications, a multi-core configuration with 16 or more, preferably 32 or more, and even more preferably 64 or more cores is preferable. Furthermore, the number of bits that the arithmetic device 960 can handle in its internal computation circuit, data bus, etc. can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc.
バスインターフェース968を介して演算装置960に入力された命令は、インストラクションデコーダ963に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ962c、インタラプトコントローラ964、レジスタコントローラ967、タイミングコントローラ965に入力される。 Instructions input to the arithmetic unit 960 via the bus interface 968 are input to the instruction decoder 963, decoded, and then input to the ALU controller 962c, interrupt controller 964, register controller 967, and timing controller 965.
ALUコントローラ962c、インタラプトコントローラ964、レジスタコントローラ967、タイミングコントローラ965は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的にALUコントローラ962cは、ALU962の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ964は、演算装置960のプログラム実行中に、外部の入出力装置、周辺回路等からの割り込み要求を、その優先度、マスク状態等から判断し、処理する。レジスタコントローラ967は、レジスタ966のアドレスを生成し、演算装置960の状態に応じてレジスタ966の読み出し及び書き込みを行う。 The ALU controller 962c, interrupt controller 964, register controller 967, and timing controller 965 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU controller 962c generates signals to control the operation of the ALU 962. Furthermore, while the arithmetic unit 960 is executing a program, the interrupt controller 964 determines and processes interrupt requests from external input/output devices, peripheral circuits, etc. based on their priority, mask status, etc. The register controller 967 generates the address of the register 966 and reads and writes to the register 966 depending on the state of the arithmetic unit 960.
また、タイミングコントローラ965は、ALU962、ALUコントローラ962c、インストラクションデコーダ963、インタラプトコントローラ964、及びレジスタコントローラ967の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ965は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。 The timing controller 965 also generates signals that control the timing of the operations of the ALU 962, ALU controller 962c, instruction decoder 963, interrupt controller 964, and register controller 967. For example, the timing controller 965 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal based on a reference clock signal, and supplies the internal clock signal to the various circuits described above.
図29に示す演算装置960において、レジスタコントローラ967は、ALU962からの指示に従い、レジスタ966における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ966が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ966内のメモリセルへの、電源電位の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ966内のメモリセルへの電源電位の供給を停止することができる。 In the arithmetic unit 960 shown in FIG. 29, the register controller 967 selects the holding operation in the register 966 in accordance with instructions from the ALU 962. That is, it selects whether the memory cells in the register 966 will hold data using flip-flops or capacitors. If holding data using flip-flops is selected, a power supply potential is supplied to the memory cells in the register 966. If holding data in capacitors is selected, the data is rewritten to the capacitors, and the supply of power supply potential to the memory cells in the register 966 can be stopped.
メモリアレイ920と演算装置960は、重ねて設けることができる。図30A及び図30Bに半導体装置970Aの斜視図を示す。半導体装置970Aは、演算装置960上に、メモリアレイが設けられた層930を有する。層930には、メモリアレイ920L1、メモリアレイ920L2、及びメモリアレイ920L3が設けられている。演算装置960と各メモリアレイは、互いに重なる領域を有する。半導体装置970Aの構成を分かりやすくするため、図30Bでは演算装置960及び層930を分離して示している。 The memory array 920 and the computing device 960 can be provided overlapping each other. Figures 30A and 30B show perspective views of a semiconductor device 970A. The semiconductor device 970A has a layer 930 on which a memory array is provided above the computing device 960. The layer 930 is provided with memory arrays 920L1, 920L2, and 920L3. The computing device 960 and each memory array have overlapping areas. To make the configuration of the semiconductor device 970A easier to understand, Figure 30B shows the computing device 960 and layer 930 separated.
メモリアレイを有する層930と演算装置960を重ねて設けることで、両者の接続距離を短くすることができる。よって、両者間の通信速度を高めることができる。また、接続距離が短いため消費電力を低減できる。 By stacking the layer 930 having the memory array and the computing device 960, the connection distance between them can be shortened, thereby increasing the communication speed between them. In addition, the short connection distance reduces power consumption.
メモリアレイを有する層930と演算装置960とを積層する方法としては、演算装置960上に直接メモリアレイを有する層930を積層する方法(モノリシック積層ともいう)を用いてもよいし、演算装置960と層930とをそれぞれ異なる基板上に形成し、2つの基板を貼り合せ、貫通ビア又は導電膜の接合技術(Cu−Cu接合等)を用いて接続する方法を用いてもよい。前者は貼合わせにおける位置ずれを考慮する必要がないため、チップサイズを小さくできるだけでなく、作製コストを削減できる。 As a method for stacking the layer 930 having a memory array and the computing device 960, a method of stacking the layer 930 having a memory array directly on the computing device 960 (also called monolithic stacking) may be used, or a method of forming the computing device 960 and the layer 930 on different substrates, bonding the two substrates together, and connecting them using through-vias or conductive film bonding technology (such as Cu-Cu bonding) may be used. The former method does not require consideration of misalignment during bonding, and therefore not only can it reduce the chip size but also manufacturing costs.
ここで、演算装置960にキャッシュ969を有さず、層930に設けられるメモリアレイ920L1、920L2、及び920L3は、それぞれキャッシュとして用いることができる。このとき、例えばメモリアレイ920L1をL1キャッシュ(レベル1キャッシュともいう)として用い、メモリアレイ920L2をL2キャッシュ(レベル2キャッシュともいう)として用い、メモリアレイ920L3をL3キャッシュ(レベル3キャッシュともいう)として用いることができる。3つのメモリアレイのうち、メモリアレイ920L3が最も容量が大きく、且つ、最もアクセス頻度が低い。また、メモリアレイ920L1が最も容量が小さく、且つ、最もアクセス頻度が高い。 Here, the arithmetic unit 960 does not have a cache 969, and the memory arrays 920L1, 920L2, and 920L3 provided in the layer 930 can each be used as a cache. In this case, for example, memory array 920L1 can be used as an L1 cache (also called a level 1 cache), memory array 920L2 can be used as an L2 cache (also called a level 2 cache), and memory array 920L3 can be used as an L3 cache (also called a level 3 cache). Of the three memory arrays, memory array 920L3 has the largest capacity and is accessed least frequently. Furthermore, memory array 920L1 has the smallest capacity and is accessed most frequently.
なお、演算装置960に設けられるキャッシュ969をL1キャッシュとして用いる場合は、層930に設けられる各メモリアレイを、それぞれ下位のキャッシュ、又はメインメモリとして用いることができる。メインメモリはキャッシュよりも容量が大きく、アクセス頻度の低いメモリである。 Note that when the cache 969 provided in the arithmetic unit 960 is used as an L1 cache, each memory array provided in layer 930 can be used as a lower-level cache or main memory. Main memory has a larger capacity than the cache and is accessed less frequently.
また、図30Bに示すように、駆動回路910L1、駆動回路910L2、及び駆動回路910L3が設けられている。駆動回路910L1は接続電極940L1を介してメモリアレイ920L1と接続されている。同様に駆動回路910L2は接続電極940L2を介してメモリアレイ920L2と、駆動回路910L3は接続電極940L3を介してメモリアレイ920L3と接続されている。 Also, as shown in FIG. 30B, drive circuits 910L1, 910L2, and 910L3 are provided. Drive circuit 910L1 is connected to memory array 920L1 via connection electrode 940L1. Similarly, drive circuit 910L2 is connected to memory array 920L2 via connection electrode 940L2, and drive circuit 910L3 is connected to memory array 920L3 via connection electrode 940L3.
なお、ここではキャッシュとして機能するメモリアレイを3つとした場合を示したが、1つ又は2つとしてもよいし、4つ以上としてもよい。 Note that while three memory arrays functioning as caches are shown here, the number may be one, two, or four or more.
メモリアレイ920L1をキャッシュとして用いる場合、駆動回路910L1はキャッシュインターフェース969iの一部として機能してもよいし、駆動回路910L1がキャッシュインターフェース969iと接続される構成としてもよい。同様に、駆動回路910L2、駆動回路910L3も、キャッシュインターフェース969iの一部として機能する、又はこれと接続される構成としてもよい。 When the memory array 920L1 is used as a cache, the drive circuit 910L1 may function as part of the cache interface 969i, or the drive circuit 910L1 may be configured to be connected to the cache interface 969i. Similarly, the drive circuit 910L2 and the drive circuit 910L3 may also function as part of the cache interface 969i, or may be configured to be connected to it.
メモリアレイ920をキャッシュとして機能させるか、メインメモリとして機能させるかは、各駆動回路910が有するコントロール回路912によって決定される。コントロール回路912は、演算装置960から供給された信号に基づいて、半導体装置900が有する複数のメモリセル950の一部をRAMとして機能させることができる。 Whether the memory array 920 functions as a cache or as main memory is determined by the control circuit 912 of each drive circuit 910. Based on a signal supplied from the arithmetic device 960, the control circuit 912 can cause some of the multiple memory cells 950 in the semiconductor device 900 to function as RAM.
半導体装置900は、複数のメモリセル950の一部をキャッシュとして機能させ、他の一部をメインメモリとして機能させることができる。すなわち半導体装置900はキャッシュとしての機能と、メインメモリとしての機能を併せ持つことができる。本発明の一態様に係る半導体装置900は、例えば、ユニバーサルメモリとして機能できる。 The semiconductor device 900 can cause some of the multiple memory cells 950 to function as cache, and the other part to function as main memory. In other words, the semiconductor device 900 can function as both a cache and a main memory. The semiconductor device 900 according to one aspect of the present invention can function as, for example, a universal memory.
また、一つのメモリアレイ920を有する層930を演算装置960に重ねて設けてもよい。図31Aに半導体装置970Bの斜視図を示す。 Alternatively, a layer 930 having one memory array 920 may be provided over the computing device 960. Figure 31A shows a perspective view of the semiconductor device 970B.
半導体装置970Bでは、一つのメモリアレイ920を複数のエリアに分けて、それぞれ異なる機能で使用することができる。図31Aでは、領域L1をL1キャッシュとして、領域L2をL2キャッシュとして、領域L3をL3キャッシュとして用いる場合の例を示している。 In the semiconductor device 970B, one memory array 920 can be divided into multiple areas, each of which can be used for different functions. Figure 31A shows an example in which area L1 is used as an L1 cache, area L2 as an L2 cache, and area L3 as an L3 cache.
また半導体装置970Bでは、領域L1乃至領域L3のそれぞれの容量を状況に応じて変えることができる。例えばL1キャッシュの容量を増やしたい場合には、領域L1の面積を大きくすることにより実現する。このような構成とすることで、演算処理の効率化を図ることができ、処理速度を向上させることができる。 Furthermore, in semiconductor device 970B, the capacity of each of areas L1 to L3 can be changed depending on the situation. For example, if you want to increase the capacity of the L1 cache, you can achieve this by increasing the area of area L1. With this configuration, it is possible to improve the efficiency of calculation processing and increase processing speed.
また、複数のメモリアレイを積層してもよい。図31Bに半導体装置970Cの斜視図を示している。 Alternatively, multiple memory arrays may be stacked. Figure 31B shows a perspective view of semiconductor device 970C.
半導体装置970Cは、メモリアレイ920L1を有する層930L1と、その上にメモリアレイ920L2を有する層930L2と、その上にメモリアレイ920L3を有する層930L3とが積層されている。最も演算装置960に物理的に近いメモリアレイ920L1を上位のキャッシュに用い、最も遠いメモリアレイ920L3を下位のキャッシュ又はメインメモリに用いることができる。このような構成とすることで、各メモリアレイの容量を増大させることができるため、より処理能力を向上させることができる。 Semiconductor device 970C has a layer 930L1 having memory array 920L1 stacked on top of which is a layer 930L2 having memory array 920L2, and a layer 930L3 having memory array 920L3 stacked on top of that. Memory array 920L1, which is physically closest to the computing device 960, can be used as a higher-level cache, and memory array 920L3, which is farthest, can be used as a lower-level cache or main memory. With this configuration, the capacity of each memory array can be increased, thereby further improving processing power.
本実施の形態は、他の実施の形態、及び実施例と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。 This embodiment can be combined with other embodiments and examples as appropriate. Furthermore, in this specification, when multiple configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be combined as appropriate.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の適用可能な範囲の一例について説明する。
(Fourth embodiment)
In this embodiment, an example of the applicability of a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described.
コンピュータ等の半導体装置では、用途に応じて様々な記憶装置が用いられる。図32に、半導体装置に用いられる記憶装置の階層を説明する概念図を示す。図32において、記憶装置の階層を説明する概念図は、三角形で示しており、三角形の上層に位置する記憶装置ほど速い動作速度が求められ、三角形の下層に位置する記憶装置ほど大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。 Semiconductor devices such as computers use a variety of memory devices depending on the application. Figure 32 shows a conceptual diagram explaining the hierarchy of memory devices used in semiconductor devices. In Figure 32, the conceptual diagram explaining the hierarchy of memory devices is represented by triangles, with memory devices located higher in the triangle requiring faster operating speeds, and memory devices located lower in the triangle requiring larger memory capacities and higher recording densities.
図32では、三角形の最上層から順に、CPU、GPU、NPUの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリ、キャッシュメモリ(単にcacheと表す場合もある。また、代表的には、L1、L2、L3キャッシュ)、DRAMに代表されるメインメモリ、3D NAND及びHard Disk(HDD:Hard Disk Driveともいう)に代表されるストレージメモリを示している。 In Figure 32, from the top layer of the triangle, there are shown memory integrated as registers in the CPU, GPU, and NPU processing units, cache memory (sometimes simply referred to as cache, and typically L1, L2, and L3 caches), main memory such as DRAM, and storage memory such as 3D NAND and hard disks (also known as HDDs: hard disk drives).
CPU、GPU、NPU等の演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリは、演算結果の一時保存等に用いられるため、演算処理装置からのアクセス頻度が高い。よって、大きな記憶容量よりも速い動作速度が求められる。また、レジスタは演算処理装置の設定情報等を保持する機能も有する。 Memory integrated as registers into arithmetic processing units such as CPUs, GPUs, and NPUs is used for temporary storage of calculation results, and is therefore frequently accessed by the arithmetic processing unit. Therefore, fast operating speeds are required rather than large storage capacities. Registers also have the function of storing setting information for the arithmetic processing unit.
キャッシュメモリは、DRAMに保持されているデータの一部を複製して保持する機能を有する。使用頻繁が高いデータを複製してキャッシュメモリに保持しておくことで、データへのアクセス速度を高めることができる。キャッシュメモリに求められる記憶容量はDRAMより少ないが、DRAMよりも速い動作速度が求められる。また、キャッシュメモリで書き換えられたデータは複製されてDRAMに供給される。なお、図32において、キャッシュメモリは、L3キャッシュまでしか図示していないが、これに限定されない。例えば、キャッシュのうち、最も下位に位置するLLC(Last Level cache)、又はFLC(Final Level cache)にも本発明の一態様に係る、酸化物半導体を用いた記憶装置を好適に用いることができる。 Cache memory has the function of duplicating and storing a portion of the data stored in DRAM. By duplicating frequently used data and storing it in cache memory, the speed of accessing the data can be increased. Cache memory requires a smaller storage capacity than DRAM, but a faster operating speed than DRAM. Data rewritten in cache memory is duplicated and supplied to DRAM. Note that although only the L3 cache is shown in Figure 32, the cache memory is not limited to this. For example, a memory device using an oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention can also be suitably used for a last level cache (LLC) or final level cache (FLC), which are located at the lowest level of the cache.
DRAMは、3D NANDから読み出されたプログラム、データ等を保持する機能を有する。 DRAM has the function of storing programs, data, etc. read from 3D NAND.
3D NANDは、長期保存が必要なデータ、演算装置で使用する各種のプログラム(例えば、人工ニューラルネットワークのモデル)等を保持する機能を有する。よって、3D NANDには速い動作速度よりも大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。 3D NAND has the ability to store data that requires long-term storage, various programs used in computing devices (for example, artificial neural network models), etc. Therefore, 3D NAND requires large storage capacity and high recording density rather than fast operating speeds.
Hard Diskは、大容量、且つ不揮発性の機能を有する。また、Hard Diskの代わりとして、SSD(Solid State Drive)等を用いることができる。 Hard disks have large storage capacity and are non-volatile. Alternatively, solid-state drives (SSDs) can be used instead of hard disks.
本発明の一態様に係る、酸化物半導体を用いた記憶装置(OSメモリ(OS memory))は、長期間のデータ保持が可能である。そのため、図32に示すTarget1の領域に好適に用いることができる。なお、図32の斜線のハッチングで示すように、Target1は、cache(L1、L2、L3)の一部、及び3D NANDの一部も含む。別言すると、Target1は、DRAM及び3D NANDの境界領域と、DRAM及びcache(L1、L2、L3)の境界領域と、を含む。また、本発明の一態様に係る、酸化物半導体を用いた記憶装置は、動作速度が速いため、優れた書き込み動作及び読み出し動作を実現することができる。そのため、図32に示すTarget2の領域に好適に用いることができる。 A memory device (OS memory) using an oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention can retain data for a long period of time. Therefore, it can be suitably used in the region of Target 1 shown in FIG. 32 . Note that, as indicated by the diagonal hatching in FIG. 32 , Target 1 also includes part of the cache (L1, L2, L3) and part of the 3D NAND. In other words, Target 1 includes the boundary region between the DRAM and the 3D NAND, and the boundary region between the DRAM and the cache (L1, L2, L3). Furthermore, the memory device using an oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention has high operating speed and can therefore achieve excellent write and read operations. Therefore, it can be suitably used in the region of Target 2 shown in FIG. 32 .
例えば、図32に示すDRAMを、本発明の一態様に係る、酸化物半導体を用いた記憶装置に置き換えると好適である。ここで、DRAMは、リフレッシュ動作が不可欠であり、且つ、破壊読出しの記憶装置であるため、他の記憶装置に比べて消費電力が高い。そのためDRAMを用いない構成とすることで、消費電力の削減を図ることができる。当該構成とすることで、DRAMを用いた構成と比較して、100分の1、又は1000分の1以下まで消費電力を低減することができる。そのため、このような構成が適用されたスーパーコンピュータ(HPC(High Performance Computer)ともいう)、コンピュータ、サーバ等を含む情報処理装置を全世界に展開することにより、地球温暖化の抑制を図ることができる。 For example, it is preferable to replace the DRAM shown in FIG. 32 with a memory device using an oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention. Here, DRAM requires a refresh operation and is a destructive readout memory device, so it consumes more power than other memory devices. Therefore, a configuration without DRAM can reduce power consumption. This configuration can reduce power consumption to one-hundredth or one-thousandth or less of that of a configuration using DRAM. Therefore, by deploying information processing devices including supercomputers (also called high performance computers (HPCs)), computers, servers, and the like that employ such a configuration worldwide, global warming can be mitigated.
このように、本発明の一態様に係る、酸化物半導体を用いた記憶装置は、CPU、GPU、NPU等の演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリから、DRAMと3D NANDとの境界領域のメモリまで、幅広い範囲のメモリに適用することができる。 In this way, a memory device using an oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention can be applied to a wide range of memories, from memories integrated as registers in arithmetic processing units such as CPUs, GPUs, and NPUs, to memories in the boundary area between DRAM and 3D NAND.
本実施の形態は、他の実施の形態、及び実施例と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。 This embodiment can be combined with other embodiments and examples as appropriate. Furthermore, in this specification, when multiple configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be combined as appropriate.
(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の応用例について説明する。
Fifth Embodiment
In this embodiment, application examples of the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described.
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、電子部品、大型計算機、宇宙用機器、データセンター(Data Center:DCとも呼称する)、及び、各種電子機器に用いることができる。本発明の一態様の半導体装置を用いることで、電子部品、大型計算機、宇宙用機器、データセンター、及び、各種電子機器の、低消費電力化及び高性能化が実現できる。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used in, for example, electronic components, mainframe computers, space equipment, data centers (also referred to as DCs), and various electronic devices. By using a semiconductor device of one embodiment of the present invention, low power consumption and high performance can be achieved in electronic components, mainframe computers, space equipment, data centers, and various electronic devices.
本実施の形態の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を検知、検出、又は測定する機能を含むもの)を有していてもよい。 The electronic device of this embodiment may have a sensor (including the function of detecting, detecting, or measuring force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substances, sound, time, hardness, electric field, current, voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor, or infrared rays).
本実施の形態の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、又はテキスト画像等)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付又は時刻等を表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出す機能等を有することができる。 The electronic device of this embodiment can have a variety of functions. For example, it can have a function to display various information (still images, videos, text images, etc.) on a display unit, a touch panel function, a function to display a calendar, date, time, etc., a function to execute various software (programs), a wireless communication function, a function to read programs or data recorded on a recording medium, etc.
[電子部品]
電子部品980が実装された基板(実装基板989)の斜視図を、図33Aに示す。図33Aに示す電子部品980は、モールド984内に半導体装置981を有している。図33Aは、電子部品980の内部を示すために、一部の記載を省略している。電子部品980は、モールド984の外側にランド985を有する。ランド985は電極パッド986と電気的に接続され、電極パッド986は半導体装置981とワイヤ987を介して電気的に接続されている。電子部品980は、例えばプリント基板988に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板988上で電気的に接続されることで実装基板989が完成する。
[Electronic Components]
FIG. 33A shows a perspective view of a substrate (mounting substrate 989) on which an electronic component 980 is mounted. The electronic component 980 shown in FIG. 33A has a semiconductor device 981 inside a mold 984. FIG. 33A omits some details in order to show the interior of the electronic component 980. The electronic component 980 has lands 985 on the outside of the mold 984. The lands 985 are electrically connected to electrode pads 986, and the electrode pads 986 are electrically connected to the semiconductor device 981 via wires 987. The electronic component 980 is mounted on, for example, a printed circuit board 988. A plurality of such electronic components are combined and electrically connected on the printed circuit board 988 to complete the mounting substrate 989.
また、半導体装置981は、駆動回路層982と、記憶層983と、を有する。なお、記憶層983は、複数のメモリセルアレイが積層された構成である。駆動回路層982と、記憶層983と、が積層された構成は、モノリシック積層の構成とすることができる。モノリシック積層の構成では、TSV(Through Silicon Via)等の貫通電極技術、及び、Cu−Cu直接接合等の接合技術、を用いることなく、各層間を接続することができる。駆動回路層982と、記憶層983と、をモノリシックに積層することで、例えば、プロセッサ上にメモリが直接形成される、いわゆるオンチップメモリの構成とすることができる。オンチップメモリの構成とすることで、プロセッサと、メモリとのインターフェース部分の動作を高速にすることが可能となる。 The semiconductor device 981 also has a drive circuit layer 982 and a memory layer 983. The memory layer 983 is configured by stacking multiple memory cell arrays. The stacked configuration of the drive circuit layer 982 and the memory layer 983 can be a monolithic stacked configuration. In a monolithic stacked configuration, the layers can be connected without using through-electrode technology such as TSV (Through Silicon Via) or bonding technology such as Cu-Cu direct bonding. By monolithically stacking the drive circuit layer 982 and the memory layer 983, it is possible to achieve a so-called on-chip memory configuration, in which the memory is formed directly on the processor, for example. The on-chip memory configuration makes it possible to increase the operation speed of the interface between the processor and the memory.
また、オンチップメモリの構成とすることで、TSV等の貫通電極を用いる技術と比較し、接続配線等のサイズを小さくできるため、接続ピン数を増加させることも可能となる。接続ピン数を増加させることで、並列動作が可能となるため、メモリのバンド幅(メモリバンド幅ともいう)を向上させることが可能となる。 Furthermore, by using an on-chip memory configuration, the size of connection wiring can be reduced compared to technologies that use through electrodes such as TSVs, making it possible to increase the number of connection pins. Increasing the number of connection pins enables parallel operation, making it possible to improve the memory bandwidth (also known as memory bandwidth).
また、記憶層983が有する、複数のメモリセルアレイを、OSトランジスタを用いて形成し、当該複数のメモリセルアレイをモノリシックで積層することが好ましい。複数のメモリセルアレイをモノリシック積層の構成とすることで、メモリのバンド幅、及びメモリのアクセスレイテンシの一方又は双方を向上させることができる。なお、バンド幅とは、単位時間あたりのデータ転送量であり、アクセスレイテンシとは、アクセスしてからデータのやり取りが始まるまでの時間である。なお、記憶層983にSiトランジスタを用いる構成の場合、OSトランジスタと比較し、モノリシック積層の構成とすることが困難である。そのため、モノリシック積層の構成において、OSトランジスタは、Siトランジスタよりも優れた構造であるといえる。 Furthermore, it is preferable that the multiple memory cell arrays included in the memory layer 983 are formed using OS transistors and that the multiple memory cell arrays are monolithically stacked. By configuring the multiple memory cell arrays as a monolithic stack, it is possible to improve either or both of the memory bandwidth and the memory access latency. Note that bandwidth refers to the amount of data transferred per unit time, and access latency refers to the time from access to the start of data exchange. Note that when Si transistors are used for the memory layer 983, it is more difficult to achieve a monolithic stack configuration than OS transistors. Therefore, it can be said that OS transistors have a superior structure to Si transistors in a monolithic stack configuration.
半導体装置981を、ダイと呼称してもよい。なお、本明細書等において、ダイとは、半導体チップの製造工程で、例えば円盤状の基板(ウエハともいう)等に回路パターンを形成し、さいの目状に切り分けて得られたチップ片を表す。なお、ダイに用いることのできる半導体材料として、例えば、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、又は窒化ガリウム(GaN)等が挙げられる。例えば、シリコン基板(シリコンウエハともいう)から得られたダイを、シリコンダイという場合がある。 The semiconductor device 981 may also be referred to as a die. In this specification, a die refers to a chip piece obtained during the semiconductor chip manufacturing process by forming a circuit pattern on, for example, a disk-shaped substrate (also called a wafer) and dicing it into cubes. Semiconductor materials that can be used for the die include, for example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), or gallium nitride (GaN). For example, a die obtained from a silicon substrate (also called a silicon wafer) may be called a silicon die.
次に、電子部品990の斜視図を図33Bに示す。電子部品990は、SiP(System in Package)又はMCM(Multi Chip Module)の一例である。電子部品990は、パッケージ基板992(プリント基板)上にインターポーザ991が設けられ、インターポーザ991上に半導体装置994、及び複数の半導体装置981が設けられている。 Next, Figure 33B shows a perspective view of electronic component 990. Electronic component 990 is an example of a SiP (System in Package) or MCM (Multi-Chip Module). Electronic component 990 has an interposer 991 provided on a package substrate 992 (printed circuit board), and a semiconductor device 994 and multiple semiconductor devices 981 provided on interposer 991.
電子部品990では、半導体装置981を広帯域メモリ(HBM:High Bandwidth Memory)として用いる例を示している。また、半導体装置994は、CPU、GPU、又はFPGA(Field Programmable Gate Array)等の集積回路に用いることができる。 Electronic component 990 shows an example in which semiconductor device 981 is used as a high bandwidth memory (HBM). Furthermore, semiconductor device 994 can be used in integrated circuits such as a CPU, GPU, or FPGA (Field Programmable Gate Array).
パッケージ基板992は、例えば、セラミックス基板、プラスチック基板、又は、ガラスエポキシ基板を用いることができる。インターポーザ991は、例えば、シリコンインターポーザ、又は樹脂インターポーザを用いることができる。 The package substrate 992 can be, for example, a ceramic substrate, a plastic substrate, or a glass epoxy substrate. The interposer 991 can be, for example, a silicon interposer or a resin interposer.
インターポーザ991は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を接続する機能を有する。複数の配線は、単層又は多層で設けられる。また、インターポーザ991は、インターポーザ991上に設けられた集積回路をパッケージ基板992に設けられた電極と接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」又は「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ991に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板992を接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、TSVを用いることもできる。 The interposer 991 has multiple wirings and functions to connect multiple integrated circuits with different terminal pitches. The multiple wirings are provided in a single layer or multiple layers. The interposer 991 also functions to connect the integrated circuits provided on the interposer 991 to electrodes provided on the package substrate 992. For these reasons, the interposer is sometimes called a "rewiring substrate" or "intermediate substrate." In some cases, through electrodes are provided in the interposer 991, and the integrated circuits and package substrate 992 are connected using these through electrodes. In addition, with silicon interposers, TSVs can also be used as through electrodes.
HBMでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、HBMを実装するインターポーザには、微細且つ高密度の配線形成が求められる。よって、HBMを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 HBM requires the connection of many wires to achieve a wide memory bandwidth. For this reason, the interposer on which the HBM is mounted must have fine, high-density wiring. Therefore, it is preferable to use a silicon interposer for the interposer on which the HBM is mounted.
また、シリコンインターポーザを用いた、SiP及びMCM等では、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する2.5Dパッケージ(2.5次元実装)では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。 Furthermore, in SiPs and MCMs that use silicon interposers, a decrease in reliability due to differences in the coefficient of expansion between the integrated circuit and the interposer is less likely. Furthermore, because the surface of a silicon interposer is highly flat, poor connections between the integrated circuit mounted on the silicon interposer and the silicon interposer are less likely to occur. It is particularly preferable to use silicon interposers in 2.5D packages (2.5-dimensional packaging), in which multiple integrated circuits are arranged horizontally on an interposer.
一方で、シリコンインターポーザ、及びTSV等を用いて端子ピッチの異なる複数の集積回路を接続する場合、当該端子ピッチの幅等のスペースが必要となる。そのため、電子部品990のサイズを小さくしようとした場合、上記の端子ピッチの幅が問題になり、広いメモリバンド幅を実現するために必要な多くの配線を設けることが、困難になる場合がある。そこで、前述したように、OSトランジスタを用いたモノリシック積層の構成が好適である。TSVを用いて積層したメモリセルアレイと、モノリシック積層したメモリセルアレイと、を組み合わせた複合化構造としてもよい。 On the other hand, when connecting multiple integrated circuits with different terminal pitches using a silicon interposer, TSVs, or the like, space is required to accommodate the width of the terminal pitch. Therefore, when attempting to reduce the size of the electronic component 990, the width of the terminal pitch becomes an issue, and it may become difficult to provide the large number of wirings required to achieve a wide memory bandwidth. Therefore, as mentioned above, a monolithic stacked configuration using OS transistors is preferable. A composite structure may be used that combines a memory cell array stacked using TSVs with a monolithic stacked memory cell array.
また、電子部品990と重ねてヒートシンク(放熱板)を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ991上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品990では、半導体装置981と半導体装置994の高さを揃えることが好ましい。 A heat sink (heat sink) may also be provided on top of the electronic component 990. When a heat sink is provided, it is preferable to align the height of the integrated circuit provided on the interposer 991. For example, in the electronic component 990 shown in this embodiment, it is preferable to align the height of the semiconductor device 981 and the height of the semiconductor device 994.
電子部品990を他の基板に実装するため、パッケージ基板992の底部に電極993を設けてもよい。図33Bでは、電極993を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板992の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、BGA(Ball Grid Array)実装を実現できる。また、電極993を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板992の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、PGA(Pin Grid Array)実装を実現できる。 Electrodes 993 may be provided on the bottom of the package substrate 992 in order to mount the electronic component 990 on another substrate. Figure 33B shows an example in which the electrodes 993 are formed from solder balls. By providing solder balls in a matrix on the bottom of the package substrate 992, BGA (Ball Grid Array) mounting can be achieved. The electrodes 993 may also be formed from conductive pins. By providing conductive pins in a matrix on the bottom of the package substrate 992, PGA (Pin Grid Array) mounting can be achieved.
電子部品990は、BGA及びPGAに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。実装方法としては、例えば、SPGA(Staggered Pin Grid Array)、LGA(Land Grid Array)、QFP(Quad Flat Package)、QFJ(Quad Flat J−leaded package)、及び、QFN(Quad Flat Non−leaded package)が挙げられる。 Electronic component 990 can be mounted on other substrates using various mounting methods, not limited to BGA and PGA. Examples of mounting methods include SPGA (Staggered Pin Grid Array), LGA (Land Grid Array), QFP (Quad Flat Package), QFJ (Quad Flat J-leaded package), and QFN (Quad Flat Non-leaded package).
[大型計算機]
次に、大型計算機5600の斜視図を図34Aに示す。図34Aに示す大型計算機5600には、ラック5610にラックマウント型の計算機5620が複数格納されている。なお、大型計算機5600を、スーパーコンピュータと呼称してもよい。
[Large computer]
Next, Fig. 34A shows a perspective view of a mainframe computer 5600. The mainframe computer 5600 shown in Fig. 34A has a rack 5610 housing a plurality of rack-mounted computers 5620. The mainframe computer 5600 may also be called a supercomputer.
計算機5620は、例えば、図34Bに示す斜視図の構成とすることができる。図34Bにおいて、計算機5620は、マザーボード5630を有し、マザーボード5630は、複数のスロット5631、複数の接続端子を有する。スロット5631には、PCカード5621が挿入されている。加えて、PCカード5621は、接続端子5623、接続端子5624、接続端子5625を有し、それぞれ、マザーボード5630に接続されている。 The computer 5620 can have the configuration shown in the perspective view in Figure 34B, for example. In Figure 34B, the computer 5620 has a motherboard 5630, which has multiple slots 5631 and multiple connection terminals. A PC card 5621 is inserted into the slot 5631. In addition, the PC card 5621 has connection terminals 5623, 5624, and 5625, which are each connected to the motherboard 5630.
図34Cに示すPCカード5621は、CPU、GPU、記憶装置等を備えた処理ボードの一例である。PCカード5621は、ボード5622を有する。また、ボード5622は、接続端子5623と、接続端子5624と、接続端子5625と、半導体装置5626と、半導体装置5627と、半導体装置5628と、接続端子5629と、を有する。なお、図34Cには、半導体装置5626、半導体装置5627、及び半導体装置5628以外の半導体装置を図示しているが、それらの半導体装置については、以下に記載する半導体装置5626、半導体装置5627、及び半導体装置5628の説明を参照できる。 PC card 5621 shown in Figure 34C is an example of a processing board equipped with a CPU, GPU, memory device, etc. PC card 5621 has board 5622. Board 5622 also has connection terminal 5623, connection terminal 5624, connection terminal 5625, semiconductor device 5626, semiconductor device 5627, semiconductor device 5628, and connection terminal 5629. Note that Figure 34C illustrates semiconductor devices other than semiconductor device 5626, semiconductor device 5627, and semiconductor device 5628, but for these semiconductor devices, please refer to the descriptions of semiconductor device 5626, semiconductor device 5627, and semiconductor device 5628 described below.
接続端子5629は、マザーボード5630のスロット5631に挿入することができる形状を有しており、接続端子5629は、PCカード5621とマザーボード5630とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子5629の規格としては、例えば、PCIe等が挙げられる。 The connection terminal 5629 has a shape that allows it to be inserted into the slot 5631 of the motherboard 5630, and functions as an interface for connecting the PC card 5621 and the motherboard 5630. The connection terminal 5629 may conform to, for example, PCIe.
接続端子5623、接続端子5624、接続端子5625は、例えば、PCカード5621に対して電力供給、信号入力等を行うためのインターフェースとすることができる。また、例えば、PCカード5621によって計算された信号の出力等を行うためのインターフェースとすることができる。接続端子5623、接続端子5624、接続端子5625のそれぞれの規格としては、例えば、USB(Universal Serial Bus)、SATA(Serial ATA)、SCSI(Small Computer System Interface)等が挙げられる。また、接続端子5623、接続端子5624、接続端子5625から映像信号を出力する場合、それぞれの規格としては、HDMI(登録商標)等が挙げられる。 Connection terminals 5623, 5624, and 5625 can be, for example, interfaces for supplying power to PC card 5621, inputting signals, etc. They can also be, for example, interfaces for outputting signals calculated by PC card 5621. Examples of standards for connection terminals 5623, 5624, and 5625 include USB (Universal Serial Bus), SATA (Serial ATA), and SCSI (Small Computer System Interface). Also, when outputting video signals from connection terminals 5623, 5624, and 5625, examples of standards for each include HDMI (registered trademark).
半導体装置5626は、信号の入出力を行う端子(図示しない)を有しており、当該端子をボード5622が備えるソケット(図示しない)に対して差し込むことで、半導体装置5626とボード5622を接続することができる。 The semiconductor device 5626 has terminals (not shown) for inputting and outputting signals, and the semiconductor device 5626 can be connected to the board 5622 by inserting these terminals into sockets (not shown) provided on the board 5622.
半導体装置5627は、複数の端子を有しており、当該端子をボード5622が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、半導体装置5627とボード5622を接続することができる。半導体装置5627としては、例えば、FPGA、GPU、CPU等が挙げられる。半導体装置5627として、例えば、電子部品990を用いることができる。 The semiconductor device 5627 has multiple terminals, and the semiconductor device 5627 can be connected to the board 5622 by soldering the terminals to wiring on the board 5622, for example, using a reflow soldering method. Examples of the semiconductor device 5627 include an FPGA, a GPU, and a CPU. For example, the electronic component 990 can be used as the semiconductor device 5627.
半導体装置5628は、複数の端子を有しており、当該端子をボード5622が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、半導体装置5628とボード5622を接続することができる。半導体装置5628としては、例えば、記憶装置等が挙げられる。半導体装置5628として、例えば、電子部品990を用いることができる。 The semiconductor device 5628 has multiple terminals, and the semiconductor device 5628 can be connected to the board 5622 by, for example, reflow soldering the terminals to wiring on the board 5622. Examples of the semiconductor device 5628 include a memory device. For example, the electronic component 990 can be used as the semiconductor device 5628.
大型計算機5600は並列計算機としても機能できる。大型計算機5600を並列計算機として用いることで、例えば、人工知能の学習、及び推論に必要な大規模の計算を行うことができる。 The mainframe computer 5600 can also function as a parallel computer. By using the mainframe computer 5600 as a parallel computer, it is possible to perform large-scale calculations required for, for example, artificial intelligence learning and inference.
[宇宙用機器]
本発明の一態様の半導体装置は、宇宙用機器に好適に用いることができる。
[Space equipment]
The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be suitably used in space equipment.
本発明の一態様の半導体装置は、OSトランジスタを含む。OSトランジスタは、Siトランジスタと比較し、放射線照射による電気特性の変動が小さい。つまり放射線に対する耐性が高いため、放射線が入射しうる環境において信頼性が高く、好適に用いることができる。例えば、OSトランジスタは、宇宙空間にて使用する場合に好適に用いることができる。具体的には、OSトランジスタを、スペースシャトル、人工衛星、又は、宇宙探査機に設けられる半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。放射線として、例えば、X線、及び中性子線が挙げられる。なお、宇宙空間とは、例えば、高度100km以上を指すが、本明細書に記載の宇宙空間は、熱圏、中間圏、及び成層圏のうち一つ又は複数を含むことができる。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes an OS transistor. Compared to a Si transistor, an OS transistor exhibits smaller variations in electrical characteristics due to radiation exposure. In other words, the OS transistor has high radiation resistance and is therefore highly reliable and suitable for use in environments where radiation may be incident. For example, an OS transistor can be suitably used in outer space. Specifically, an OS transistor can be used as a transistor for a semiconductor device provided in a space shuttle, an artificial satellite, or a space probe. Examples of radiation include X-rays and neutron rays. Note that outer space refers to an altitude of 100 km or higher, and the outer space described in this specification can include one or more of the thermosphere, mesosphere, and stratosphere.
図34Dには、宇宙用機器の一例として、人工衛星6800を示している。人工衛星6800は、機体6801と、ソーラーパネル6802と、アンテナ6803と、二次電池6805と、制御装置6807と、を有する。なお、図34Dにおいては、宇宙空間に惑星6804を例示している。 Figure 34D shows an artificial satellite 6800 as an example of space equipment. The artificial satellite 6800 has a body 6801, a solar panel 6802, an antenna 6803, a secondary battery 6805, and a control device 6807. Note that Figure 34D also shows a planet 6804 in space.
また、図34Dには示していないが、二次電池6805に、バッテリマネジメントシステム(BMSともいう)、又はバッテリ制御回路を設けてもよい。前述のバッテリマネジメントシステム、又はバッテリ制御回路に、OSトランジスタを用いると、消費電力が低く、且つ、宇宙空間においても高い信頼性を有するため好適である。 Although not shown in Figure 34D, the secondary battery 6805 may be provided with a battery management system (also referred to as BMS) or a battery control circuit. Using an OS transistor in the battery management system or battery control circuit described above is preferable because it consumes low power and has high reliability even in space.
また、宇宙空間は、地上に比べて100倍以上、放射線量の高い環境である。なお、放射線として、例えば、X線、及びガンマ線に代表される電磁波(電磁放射線)、並びにアルファ線、ベータ線、中性子線、陽子線、重イオン線、中間子線等に代表される粒子放射線が挙げられる。 In addition, outer space is an environment with radiation levels more than 100 times higher than on Earth. Examples of radiation include electromagnetic waves (electromagnetic radiation) such as X-rays and gamma rays, as well as particle radiation such as alpha rays, beta rays, neutron rays, proton rays, heavy ion rays, and meson rays.
ソーラーパネル6802に太陽光が照射されることにより、人工衛星6800が動作するために必要な電力が生成される。しかしながら、例えばソーラーパネルに太陽光が照射されない状況、又はソーラーパネルに照射される太陽光の光量が少ない状況では、生成される電力が少なくなる。よって、人工衛星6800が動作するために必要な電力が生成されない可能性がある。生成される電力が少ない状況下であっても人工衛星6800を動作させるために、人工衛星6800に二次電池6805を設けるとよい。なお、ソーラーパネルは、太陽電池モジュールと呼ばれる場合がある。 When sunlight is irradiated onto the solar panel 6802, the power required for the satellite 6800 to operate is generated. However, for example, in situations where sunlight is not irradiated onto the solar panel, or where the amount of sunlight irradiating the solar panel is low, the amount of power generated is small. Therefore, there is a possibility that the power required for the satellite 6800 to operate will not be generated. In order to operate the satellite 6800 even in situations where the amount of power generated is low, it is recommended to provide a secondary battery 6805 on the satellite 6800. Note that the solar panel is sometimes called a solar cell module.
人工衛星6800は、信号を生成することができる。当該信号は、アンテナ6803を介して送信され、例えば地上に設けられた受信機、又は他の人工衛星が当該信号を受信することができる。人工衛星6800が送信した信号を受信することにより、当該信号を受信した受信機の位置を測定することができる。以上より、人工衛星6800は、衛星測位システムを構成することができる。 Satellite 6800 can generate a signal. The signal is transmitted via antenna 6803, and can be received, for example, by a receiver located on the ground or by another satellite. By receiving the signal transmitted by satellite 6800, the position of the receiver that received the signal can be determined. As described above, satellite 6800 can constitute a satellite positioning system.
また、制御装置6807は、人工衛星6800を制御する機能を有する。制御装置6807としては、例えば、CPU、GPU、及び記憶装置の中から選ばれるいずれか一又は複数を用いて構成される。なお、制御装置6807には、本発明の一態様であるOSトランジスタを含む半導体装置を用いると好適である。 The control device 6807 also has a function of controlling the satellite 6800. The control device 6807 is configured using, for example, one or more selected from a CPU, a GPU, and a storage device. Note that the control device 6807 is preferably a semiconductor device including an OS transistor which is one embodiment of the present invention.
また、人工衛星6800は、センサを有する構成とすることができる。例えば、可視光センサを有する構成とすることにより、人工衛星6800は、地上に設けられている物体に当たって反射された太陽光を検出する機能を有することができる。又は、熱赤外センサを有する構成とすることにより、人工衛星6800は、地表から放出される熱赤外線を検出する機能を有することができる。以上より、人工衛星6800は、例えば地球観測衛星としての機能を有することができる。 Furthermore, the artificial satellite 6800 can be configured to include a sensor. For example, by configuring the artificial satellite 6800 with a visible light sensor, the artificial satellite 6800 can have the function of detecting sunlight reflected off an object on the ground. Or, by configuring the artificial satellite 6800 with a thermal infrared sensor, the artificial satellite 6800 can have the function of detecting thermal infrared rays emitted from the earth's surface. As described above, the artificial satellite 6800 can function as, for example, an Earth observation satellite.
なお、本実施の形態においては、宇宙用機器の一例として、人工衛星について例示したがこれに限定されない。例えば、本発明の一態様の半導体装置は、宇宙船、宇宙カプセル、宇宙探査機等の宇宙用機器に好適に用いることができる。 Note that although an artificial satellite is used as an example of space equipment in this embodiment, the present invention is not limited thereto. For example, a semiconductor device of one embodiment of the present invention can be suitably used in space equipment such as a spaceship, a space capsule, or a space probe.
以上の説明の通り、OSトランジスタは、Siトランジスタと比較し、広いメモリバンド幅の実現が可能なこと、放射線耐性が高いこと、といった優れた効果を有する。 As explained above, OS transistors have the advantages of being able to achieve a wider memory bandwidth and having higher radiation resistance compared to Si transistors.
[データセンター]
本発明の一態様の半導体装置は、例えば、データセンター等に適用されるストレージシステムに好適に用いることができる。データセンターは、データの不変性を保障する等、データの長期的な管理を行うことが求められる。長期的なデータを管理する場合、膨大なデータを記憶するためのストレージ及びサーバの設置、データを保持するための安定した電源の確保、又はデータの保持に要する冷却設備の確保、等建屋の大型化が必要となる。
[Data Center]
The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be suitably used in a storage system applied to, for example, a data center. The data center is required to perform long-term management of data, such as ensuring data immutability. To manage long-term data, the building must be large enough to accommodate the installation of storage devices and servers for storing a huge amount of data, a stable power source for storing the data, or cooling equipment required for storing the data.
データセンターに適用されるストレージシステムに本発明の一態様の半導体装置を用いることにより、データの保持に要する電力の低減、データを保持する半導体装置の小型化を図ることができる。そのため、ストレージシステムの小型化、データを保持するための電源の小型化、冷却設備の小規模化、等を図ることができる。そのため、データセンターの省スペース化を図ることができる。 By using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention in a storage system applied to a data center, the power required to store data can be reduced and the semiconductor device that stores data can be made smaller. This allows for the storage system to be made smaller, the power supply for storing data to be made smaller, and the cooling equipment to be made smaller. This allows for space savings in the data center.
また、本発明の一態様の半導体装置は、消費電力が低いため、回路からの発熱を低減することができる。よって、当該発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの悪影響を低減できる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより、高温環境下においても動作が安定したデータセンターを実現できる。よってデータセンターの信頼性を高めることができる。 Furthermore, the semiconductor device of one embodiment of the present invention has low power consumption, which allows for reduced heat generation from the circuit. Therefore, adverse effects of the heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules can be reduced. Furthermore, by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention, a data center that operates stably even in a high-temperature environment can be realized. Therefore, the reliability of the data center can be improved.
図34Eにデータセンターに適用可能なストレージシステムを示す。図34Eに示すストレージシステム7010は、ホスト7001として複数のサーバ7001sbを有する。また、ストレージ7003として複数の記憶装置7003mdを有する。ホスト7001とストレージ7003とは、ストレージエリアネットワーク7004及びストレージ制御回路7002を介して接続されている形態を図示している。 Figure 34E shows a storage system that can be used in a data center. The storage system 7010 shown in Figure 34E has multiple servers 7001sb as hosts 7001. It also has multiple storage devices 7003md as storage 7003. The host 7001 and storage 7003 are shown connected via a storage area network 7004 and a storage control circuit 7002.
ホスト7001は、ストレージ7003に記憶されたデータにアクセスするコンピュータに相当する。ホスト7001同士は、ネットワークで互いに接続されていてもよい。 The host 7001 corresponds to a computer that accesses data stored in the storage 7003. The hosts 7001 may be connected to each other via a network.
ストレージ7003は、フラッシュメモリを用いることで、データのアクセススピード、つまりデータの記憶及び出力に要する時間を短くしているものの、当該時間は、ストレージ内のキャッシュメモリとして用いることのできるDRAMが要する時間に比べて格段に長い。ストレージシステムでは、ストレージ7003のアクセススピードの長さの問題を解決するために、通常ストレージ内にキャッシュメモリを設けてデータの記憶及び出力に要する時間を短くしている。 Storage 7003 uses flash memory to reduce data access speed, i.e., the time required to store and output data, but this time is significantly longer than the time required for DRAM, which can be used as cache memory within the storage. In order to solve the problem of the slow access speed of storage 7003, storage systems typically provide cache memory within the storage to reduce the time required to store and output data.
前述のキャッシュメモリは、ストレージ制御回路7002及びストレージ7003内に用いられる。ホスト7001とストレージ7003との間でやり取りされるデータは、ストレージ制御回路7002及びストレージ7003内の当該キャッシュメモリに記憶されたのち、ホスト7001又はストレージ7003に出力される。 The aforementioned cache memory is used within the storage control circuit 7002 and storage 7003. Data exchanged between the host 7001 and storage 7003 is stored in the cache memory within the storage control circuit 7002 and storage 7003, and then output to the host 7001 or storage 7003.
前述のキャッシュメモリのデータを記憶するためのトランジスタとして、OSトランジスタを用いてデータに応じた電位を保持する構成とすることで、リフレッシュする頻度を減らし、消費電力を低くすることができる。またメモリセルアレイを積層する構成とすることで小型化が可能である。 By using OS transistors as transistors for storing data in the cache memory and maintaining a potential corresponding to the data, the frequency of refreshes can be reduced, and power consumption can be lowered. Furthermore, by stacking the memory cell array, miniaturization is possible.
なお、本発明の一態様の半導体装置を、電子部品、大型計算機、宇宙用機器、データセンター、及び電子機器の中から選ばれるいずれか一又は複数に適用することで、消費電力を低減することができる。そのため、半導体装置の高性能化、又は高集積化に伴うエネルギー需要の増加が見込まれる中、本発明の一態様の半導体装置を用いることで、二酸化炭素(CO2)に代表される、温室効果ガスの排出量を低減させることも可能となる。また、本発明の一態様の半導体装置は、低消費電力であるため地球温暖化対策としても有効である。 Note that power consumption can be reduced by applying the semiconductor device of one embodiment of the present invention to one or more selected from electronic components, mainframe computers, space equipment, data centers, and electronic devices. Therefore, while energy demand is expected to increase with the improvement in performance or integration of semiconductor devices, the use of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can also reduce emissions of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO 2 ). Furthermore, the semiconductor device of one embodiment of the present invention is effective as a countermeasure against global warming due to its low power consumption.
本実施の形態は、他の実施の形態、及び実施例と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。 This embodiment can be combined with other embodiments and examples as appropriate. Furthermore, in this specification, when multiple configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be combined as appropriate.
本実施例では、強誘電体キャパシタである容量100を含む試料A、及び試料Bを作製し、断面観察を行った結果について説明する。また、試料A、及び試料Bに対する書き換え耐性(Endurance)試験の結果、及びI−V特性の評価結果について説明する。 In this example, Sample A and Sample B, each including a ferroelectric capacitor, Capacitor 100, were fabricated, and the results of cross-sectional observation are described. The results of endurance tests and evaluation of I-V characteristics for Sample A and Sample B are also described.
試料Aは、実施の形態1の図13A乃至図20Cに示す方法で作製した。まず、図13A乃至図13Cに示すように、シリコン基板(図示せず)上に、導電層110として、膜厚が20nmのタングステン膜をスパッタリング法で成膜した。基板温度は130℃とした。 Sample A was fabricated by the method shown in Figures 13A to 20C of embodiment 1. First, as shown in Figures 13A to 13C, a tungsten film with a thickness of 20 nm was formed as the conductive layer 110 on a silicon substrate (not shown) by sputtering. The substrate temperature was set to 130°C.
続いて、絶縁層180aとして、膜厚が5nmの窒化シリコン膜をALD法で成膜した。基板温度は400℃とした。 Next, a 5 nm thick silicon nitride film was deposited as the insulating layer 180a using the ALD method. The substrate temperature was set to 400°C.
続いて、絶縁層180bとして、膜厚が370nmの酸化シリコン膜をスパッタリング法で成膜した。基板温度は170℃とした。また、成膜ガスとして酸素ガスとアルゴンガスを用い、成膜ガスにおける酸素流量比を50%とした。続いて、絶縁層180bに対してCMP法により平坦化処理を行い、絶縁層180bの膜厚を350nmとした。 Next, a silicon oxide film with a thickness of 370 nm was deposited as insulating layer 180b by sputtering. The substrate temperature was set to 170°C. Oxygen gas and argon gas were used as the deposition gas, and the oxygen flow rate ratio in the deposition gas was set to 50%. Next, a planarization process was performed on insulating layer 180b by CMP, resulting in a thickness of 350 nm for insulating layer 180b.
その後、絶縁層180cとして、膜厚が60nmの窒化シリコン膜をスパッタリング法で成膜した。基板温度は200℃とした。また、成膜ガスとして窒素ガスとアルゴンガスを用い、成膜ガスにおける窒素流量比を74%とした。 Then, a 60 nm thick silicon nitride film was deposited as insulating layer 180c by sputtering. The substrate temperature was set to 200°C. Nitrogen gas and argon gas were used as the deposition gas, with the nitrogen flow rate ratio in the deposition gas set to 74%.
続いて、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を順に塗布法により形成した。その後、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてSOG膜及びSOC膜を加工した。 Next, an SOC film, an SOG film, and a resist film were formed in that order using a coating method. A resist pattern was then formed using photolithography, and the SOG film and SOC film were processed using the resist pattern.
続いて、レジストパターンに基づき、絶縁層180c、絶縁層180b、及び絶縁層180aに対してドライエッチング処理を行った。これにより、絶縁層180c、絶縁層180b、及び絶縁層180aに、幅が設計値で60nmの開口部190を形成した。その後、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を除去した。 Next, based on the resist pattern, dry etching was performed on insulating layer 180c, insulating layer 180b, and insulating layer 180a. This resulted in openings 190 with a design width of 60 nm being formed in insulating layer 180c, insulating layer 180b, and insulating layer 180a. The SOC film, SOG film, and resist film were then removed.
続いて、導電膜115fとして、膜厚が5nmの窒化チタン膜をCVD法で成膜した。TiCl4ガス50sccm、及びNH3ガス2700sccmを成膜ガスとして用いた。基板温度は400℃、成膜ガスの圧力は667Paとした。その後、フォトレジスト131pとして、膜厚が300nmのレジスト膜を塗布した。 Next, a 5 nm-thick titanium nitride film was formed as the conductive film 115f by CVD. TiCl4 gas at 50 sccm and NH3 gas at 2700 sccm were used as the film formation gas. The substrate temperature was 400°C, and the film formation gas pressure was 667 Pa. After that, a 300 nm-thick resist film was applied as the photoresist 131p.
続いて、図14A乃至図14Cに示すように、フォトレジスト131pの全面に対して、ドライエッチング処理を用いた異方性エッチングを行った。これにより、レジストマスク131を形成した。ドライエッチング処理は、酸素ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。基板温度は40℃、エッチングガスの圧力は3.00Pa、バイアス電力は150Wとした。ドライエッチング処理は、導電膜115fの上面が露出するまで行い、露出後さらに5秒行った。すなわち、導電膜115fを終点として、5秒間オーバーエッチングを行った。 Next, as shown in Figures 14A to 14C, anisotropic etching was performed on the entire surface of the photoresist 131p using a dry etching process. This formed a resist mask 131. The dry etching process was performed using 200 sccm of oxygen gas as the etching gas. The substrate temperature was 40°C, the etching gas pressure was 3.00 Pa, and the bias power was 150 W. The dry etching process was performed until the top surface of the conductive film 115f was exposed, and was continued for an additional 5 seconds after exposure. In other words, over-etching was performed for 5 seconds, with the conductive film 115f as the end point.
続いて、図15A乃至図15Cに示すように、レジストマスク131を用いて、導電膜115fに対してドライエッチング処理を行った。これにより、導電層115を形成した。ドライエッチング処理は、塩素ガス45sccm、CF4ガス55sccm、及び酸素ガス55sccmをエッチングガスとして用いて行った。基板温度は40℃、エッチングガスの圧力は0.67Pa、バイアス電力は50Wとした。また、処理時間は15秒とした。 15A to 15C, the conductive film 115f was subjected to dry etching using the resist mask 131. As a result, the conductive layer 115 was formed. The dry etching was performed using chlorine gas at 45 sccm, CF4 gas at 55 sccm, and oxygen gas at 55 sccm as etching gas. The substrate temperature was 40° C., the etching gas pressure was 0.67 Pa, and the bias power was 50 W. The processing time was 15 seconds.
続いて、図16A乃至図16Cに示すように、アッシング処理を行うことにより、レジストマスク131を除去した。続いて、図17A乃至図17Cに示すように、絶縁層133として、膜厚が300nmの酸化シリコン膜をCVD法で成膜した。酸化シリコン膜は、TEOSを成膜ガスとして用いて成膜した。具体的には、オゾンガスとTEOSの流量比が8:1であるガスを、成膜ガスとして用いた。基板温度は450℃とした。その後、図18A乃至図18Cに示すように、ウェットエッチング処理を行い、絶縁層133を除去した。 Next, as shown in FIGS. 16A to 16C, an ashing process was performed to remove the resist mask 131. Next, as shown in FIGS. 17A to 17C, a 300 nm-thick silicon oxide film was deposited by CVD as the insulating layer 133. The silicon oxide film was deposited using TEOS as the deposition gas. Specifically, a gas with a flow ratio of ozone gas to TEOS of 8:1 was used as the deposition gas. The substrate temperature was set to 450°C. Thereafter, as shown in FIGS. 18A to 18C, a wet etching process was performed to remove the insulating layer 133.
続いて、図19A乃至図19Cに示すように、強誘電体層130として、膜厚が10nmのハフニウムジルコニウム酸化物膜を、ALD法で成膜した。基板温度は300℃とした。 Next, as shown in Figures 19A to 19C, a hafnium zirconium oxide film with a thickness of 10 nm was deposited by the ALD method as the ferroelectric layer 130. The substrate temperature was set to 300°C.
続いて、導電膜120f_1として、膜厚が30nmの窒化チタン膜を、CVD法で成膜した。TiCl4ガス50sccm、及びNH3ガス2700sccmを成膜ガスとして用いた。基板温度は400℃、成膜ガスの圧力は667Paとした。 Subsequently, a titanium nitride film having a thickness of 30 nm was formed as the conductive film 120f_1 by a CVD method. TiCl4 gas (50 sccm) and NH3 gas (2700 sccm) were used as the film formation gas. The substrate temperature was 400° C., and the film formation gas pressure was 667 Pa.
続いて、導電膜120f_2として、膜厚が50nmのタングステン膜を、CVD法で成膜した。WF6ガス250sccm、水素ガス2200sccm、アルゴンガス2000sccm、及び窒素ガス200sccmを成膜ガスとして用いた。基板温度は400℃、成膜ガスの圧力は10666Paとした。 Subsequently, a tungsten film having a thickness of 50 nm was deposited as the conductive film 120f_2 by a CVD method. The deposition gases used were WF6 gas (250 sccm), hydrogen gas (2200 sccm), argon gas (2000 sccm), and nitrogen gas (200 sccm). The substrate temperature was 400° C., and the deposition gas pressure was 10666 Pa.
続いて、導電膜120f_2上に、膜厚が50nmの窒化チタン膜を、CVD法で成膜した。その後、導電膜120f_2上の窒化チタン膜、及び導電膜120f_2に対して、CMP法により平坦化処理を行った。これにより、導電膜120f_2上の窒化チタン膜を除去し、導電膜120f_2の膜厚を40nmとした。 Subsequently, a titanium nitride film with a thickness of 50 nm was formed on the conductive film 120f_2 by CVD. Then, the titanium nitride film on the conductive film 120f_2 and the conductive film 120f_2 were subjected to planarization treatment by CMP. As a result, the titanium nitride film on the conductive film 120f_2 was removed, and the thickness of the conductive film 120f_2 was reduced to 40 nm.
続いて、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を順に塗布法により形成した。その後、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてSOG膜及びSOC膜を加工した。 Next, an SOC film, an SOG film, and a resist film were formed in that order using a coating method. A resist pattern was then formed using photolithography, and the SOG film and SOC film were processed using the resist pattern.
続いて、レジストパターンに基づき、導電膜120f_2、導電膜120f_1、及び強誘電体層130に対してドライエッチング処理を行った。これにより、図20A乃至図20Cに示すように、導電層120_2、及び導電層120_1を形成した。以上により、導電層120_1と、導電層120_1上の導電層120_2と、から構成される導電層120を形成した。 Subsequently, based on the resist pattern, dry etching was performed on the conductive film 120f_2, the conductive film 120f_1, and the ferroelectric layer 130. As a result, as shown in FIGS. 20A to 20C, the conductive layer 120_2 and the conductive layer 120_1 were formed. As a result, the conductive layer 120 composed of the conductive layer 120_1 and the conductive layer 120_2 on the conductive layer 120_1 was formed.
導電膜120f_2に対するドライエッチング処理は、BCl3ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。処理時間は33秒とした。また、エッチングガスの圧力は0.67Pa、バイアス電力は50Wとした。導電膜120f_1に対するドライエッチング処理は、酸素ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。処理時間は60秒とした。また、エッチングガスの圧力は0.67Pa、バイアス電力は50Wとした。強誘電体層130に対するドライエッチング処理は、酸素ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。処理時間は15秒とした。また、エッチングガスの圧力は12.0Pa、バイアス電力は0Wとした。ここで、導電膜120f_2、導電膜120f_1、及び強誘電体層130に対するドライエッチング処理において、基板温度は40℃とした。 The dry etching treatment for the conductive film 120f_2 was performed using 200 sccm of BCl3 gas as the etching gas. The treatment time was 33 seconds. The etching gas pressure was 0.67 Pa, and the bias power was 50 W. The dry etching treatment for the conductive film 120f_1 was performed using 200 sccm of oxygen gas as the etching gas. The treatment time was 60 seconds. The etching gas pressure was 0.67 Pa, and the bias power was 50 W. The dry etching treatment for the ferroelectric layer 130 was performed using 200 sccm of oxygen gas as the etching gas. The treatment time was 15 seconds. The etching gas pressure was 12.0 Pa, and the bias power was 0 W. Here, in the dry etching treatment for the conductive film 120f_2, the conductive film 120f_1, and the ferroelectric layer 130, the substrate temperature was 40° C.
導電層120_2、及び導電層120_1を形成した後、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を除去した。以上により、容量100を形成した。 After forming conductive layer 120_2 and conductive layer 120_1, the SOC film, SOG film, and resist film were removed. In this way, capacitor 100 was formed.
以上により、試料Aを作製した。 Sample A was prepared in this way.
試料Bの作製では、まず、図13A乃至図16Cに示す工程を行った後、図19A乃至図20Cに示す工程を行った。各工程の条件は、試料Aと同様とした。すなわち、試料Bは、試料Aの作製工程から、絶縁層133の形成及び除去の工程を省略した試料である。 In the fabrication of sample B, the steps shown in Figures 13A to 16C were first performed, followed by the steps shown in Figures 19A to 20C. The conditions for each step were the same as for sample A. In other words, sample B is a sample obtained by omitting the steps of forming and removing insulating layer 133 from the fabrication process of sample A.
図35Aは、試料Aにおける断面走査透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)像である。図35では、シリコン基板としてシリコン基板111を示している。図35Bは、図35Aに示す領域Rの総合倍率を高くした像である。断面STEM像の撮影は、株式会社日立ハイテク製走査透過電子顕微鏡HD−2700を用い、加速電圧を200kVとして行った。 Figure 35A is a cross-sectional scanning transmission electron microscope (STEM) image of sample A. In Figure 35, silicon substrate 111 is shown as the silicon substrate. Figure 35B is an image of region R shown in Figure 35A at a higher overall magnification. The cross-sectional STEM image was taken using a Hitachi High-Technologies Corporation HD-2700 scanning transmission electron microscope at an acceleration voltage of 200 kV.
図35A、及び図35Bに示すように、試料Aにおいて、導電層115と、強誘電体層130と、導電層120と、を有する容量100が形成されていることが確認された。また、導電層115の上端面103のシリコン基板111上面からの高さが、絶縁層180cの上面105のシリコン基板111上面からの高さより低くなるように、容量100が形成されていることが確認された。さらに、開口部190を埋めるように導電層120_1が形成されていることが確認された。 As shown in Figures 35A and 35B, it was confirmed that in sample A, a capacitor 100 having a conductive layer 115, a ferroelectric layer 130, and a conductive layer 120 was formed. It was also confirmed that the capacitor 100 was formed so that the height of the upper end surface 103 of the conductive layer 115 from the upper surface of the silicon substrate 111 was lower than the height of the upper surface 105 of the insulating layer 180c from the upper surface of the silicon substrate 111. It was also confirmed that a conductive layer 120_1 was formed to fill the opening 190.
図36A、及び図36Bは、書き換え耐性試験における入力電圧波形を示す。図36A、及び図36Bにおいて、縦軸は電圧Vを示し、横軸は時間tを示す。電圧Vは、導電層115と導電層120の間の電位差を示す。 Figures 36A and 36B show input voltage waveforms in a rewrite endurance test. In Figures 36A and 36B, the vertical axis represents voltage V, and the horizontal axis represents time t. Voltage V represents the potential difference between conductive layer 115 and conductive layer 120.
書き換え耐性試験では、まず、図36Aに示す台形波を1周期印加することを1サイクルとし、規程サイクル数に達するまで当該台形波を繰り返し印加した。続いて、規定サイクル数毎に図36Bに示す三角波ダブルパルス手法を用いてP−V特性を評価した。これにより、残留分極2Prを取得した。印加する台形波において、周波数は100kHzとし、電圧は±2.5Vとした。なお、図36Aでは、正の台形波を“P”で示し、負の台形波を“N”で示している。 In the rewrite endurance test, first, one cycle was defined as the application of one period of the trapezoidal wave shown in Figure 36A, and this trapezoidal wave was repeatedly applied until the specified number of cycles was reached. Next, the P-V characteristics were evaluated every specified number of cycles using the triangular wave double pulse method shown in Figure 36B. This resulted in obtaining the remanent polarization 2Pr. The frequency of the applied trapezoidal wave was 100 kHz, and the voltage was ±2.5 V. Note that in Figure 36A, a positive trapezoidal wave is indicated by "P" and a negative trapezoidal wave is indicated by "N".
図36Bに示す三角波ダブルパルス手法では、2つの正の三角波パルスを印加し、続いて2つの負の三角波パルスを印加し、その応答電荷を測定する。印加する三角波において、周波数は1kHzとし、電圧は−2.5Vから+2.5Vまでの範囲とした。図36Bに示すように、上述の正の三角波パルスを印加する前に、負の三角波パルス(Poling)を印加している。本明細書等では、三角波ダブルパルス手法をTriangle−PUND(Positive−up−negative−down)手法と呼ぶことがある。なお、図36Bでは、2つの正の三角波パルスをそれぞれ、“P”及び“U”で示している。また、図36Bでは、2つの負の三角波パルスをそれぞれ、“N”及び“D”で示している。 In the triangular wave double pulse technique shown in Figure 36B, two positive triangular wave pulses are applied, followed by two negative triangular wave pulses, and the response charge is measured. The applied triangular wave has a frequency of 1 kHz and a voltage ranging from -2.5 V to +2.5 V. As shown in Figure 36B, a negative triangular wave pulse (poling) is applied before the above-mentioned positive triangular wave pulse is applied. In this specification, the triangular wave double pulse technique is sometimes referred to as the Triangle-PUND (Positive-up-negative-down) technique. Note that in Figure 36B, the two positive triangular wave pulses are indicated by "P" and "U", respectively. Also, in Figure 36B, the two negative triangular wave pulses are indicated by "N" and "D", respectively.
図37Aは、試料A、及び試料Bのそれぞれにおける、書き換え耐性試験の結果を示す図である。図37Aにおいて、縦軸は残留分極2Pr[μC/cm2]を示し、横軸はサイクル数[回]を示す。 37A is a diagram showing the results of the rewrite endurance test for each of Sample A and Sample B. In Fig. 37A, the vertical axis represents the remanent polarization 2Pr [μC/cm 2 ], and the horizontal axis represents the number of cycles [times].
図37Aに示すように、試料Aでは、サイクル数が1×1010回であっても絶縁破壊が生じなかった。一方、試料Bでは、サイクル数が1×108回になると絶縁破壊が生じた。これは、絶縁層133の形成により導電層115が酸化したため、強誘電体層130に含まれる酸素が導電層115に吸収されることを、試料Bより抑制できたためであると示唆される。 37A , in sample A, no dielectric breakdown occurred even when the number of cycles reached 1×10 10. On the other hand, in sample B, dielectric breakdown occurred when the number of cycles reached 1×10 8. This suggests that the formation of insulating layer 133 oxidized conductive layer 115, and therefore absorption of oxygen contained in ferroelectric layer 130 by conductive layer 115 was more suppressed than in sample B.
図37Bは、試料A、及び試料Bのそれぞれにおける、I−V特性の評価結果を示す図である。図37Bにおいて、縦軸は電流I[A]を示し、横軸は電圧V[V]を示す。ここで、電流Iは、強誘電体層130を貫通して、導電層115と導電層120の間の流れる電流を示す。また、電圧Vは、前述のように、導電層115と導電層120の間の電位差を示す。 Figure 37B shows the evaluation results of the I-V characteristics of Sample A and Sample B. In Figure 37B, the vertical axis represents current I [A], and the horizontal axis represents voltage V [V]. Here, current I represents the current that passes through ferroelectric layer 130 and flows between conductive layer 115 and conductive layer 120. Furthermore, voltage V represents the potential difference between conductive layer 115 and conductive layer 120, as described above.
図37Bに示すように、試料Aでは、電圧Vが1.4V以上、且つ、5.5V以下である場合において、電圧Vが同一の場合における電流Iの大きさが、試料Bより小さかった。よって、試料Aは、試料Bより、高耐圧であることが確認された。これは、試料Aでは、前述のように強誘電体層130に含まれる酸素が導電層115に吸収されることを、試料Bより抑制できたためであると示唆される。 As shown in Figure 37B, in sample A, when the voltage V was 1.4 V or more and 5.5 V or less, the magnitude of the current I was smaller than that of sample B when the voltage V was the same. Therefore, it was confirmed that sample A had a higher withstand voltage than sample B. This suggests that, as mentioned above, sample A was able to suppress the absorption of oxygen contained in the ferroelectric layer 130 into the conductive layer 115 more effectively than sample B.
本実施例では、強誘電体キャパシタである容量100を含む試料C1、試料C2、試料C3、試料C4、及び試料C5を作製し、書き換え耐性試験を行った結果について説明する。 In this example, samples C1, C2, C3, C4, and C5 were fabricated, each including a capacitor 100 that is a ferroelectric capacitor, and the results of a rewrite endurance test will be described.
試料C1乃至試料C5は、実施の形態1の図13A乃至図20Cに示す方法で作製した。まず、図13A乃至図13Cに示すように、シリコン基板(図示せず)上に、導電層110として、膜厚が20nmのタングステン膜をスパッタリング法で成膜した。基板温度は130℃とした。 Samples C1 to C5 were fabricated by the method shown in Figures 13A to 20C of embodiment 1. First, as shown in Figures 13A to 13C, a 20-nm-thick tungsten film was formed as the conductive layer 110 on a silicon substrate (not shown) by sputtering. The substrate temperature was set to 130°C.
続いて、絶縁層180aとして、膜厚が5nmの窒化シリコン膜をALD法で成膜した。基板温度は400℃とした。 Next, a 5 nm thick silicon nitride film was deposited as the insulating layer 180a using the ALD method. The substrate temperature was set to 400°C.
続いて、絶縁層180bとして、膜厚が370nmの酸化シリコン膜をスパッタリング法で成膜した。基板温度は170℃とした。また、成膜ガスとして酸素ガスとアルゴンガスを用い、成膜ガスにおける酸素流量比を50%とした。続いて、絶縁層180bに対してCMP法により平坦化処理を行い、絶縁層180bの膜厚を350nmとした。 Next, a silicon oxide film with a thickness of 370 nm was deposited as insulating layer 180b by sputtering. The substrate temperature was set to 170°C. Oxygen gas and argon gas were used as the deposition gas, and the oxygen flow rate ratio in the deposition gas was set to 50%. Next, a planarization process was performed on insulating layer 180b by CMP, resulting in a thickness of 350 nm for insulating layer 180b.
その後、絶縁層180cとして、膜厚が60nmの窒化シリコン膜をスパッタリング法で成膜した。基板温度は200℃とした。また、成膜ガスとして窒素ガスとアルゴンガスを用い、成膜ガスにおける窒素流量比を74%とした。 Then, a 60 nm thick silicon nitride film was deposited as insulating layer 180c by sputtering. The substrate temperature was set to 200°C. Nitrogen gas and argon gas were used as the deposition gas, with the nitrogen flow rate ratio in the deposition gas set to 74%.
続いて、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を順に塗布法により形成した。その後、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてSOG膜及びSOC膜を加工した。 Next, an SOC film, an SOG film, and a resist film were formed in that order using a coating method. A resist pattern was then formed using photolithography, and the SOG film and SOC film were processed using the resist pattern.
続いて、レジストパターンに基づき、絶縁層180c、絶縁層180b、及び絶縁層180aに対してドライエッチング処理を行った。これにより、絶縁層180c、絶縁層180b、及び絶縁層180aに、幅が設計値で60nmの開口部190を形成した。その後、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を除去した。 Next, based on the resist pattern, dry etching was performed on insulating layer 180c, insulating layer 180b, and insulating layer 180a. This resulted in openings 190 with a design width of 60 nm being formed in insulating layer 180c, insulating layer 180b, and insulating layer 180a. The SOC film, SOG film, and resist film were then removed.
続いて、導電膜115fとして、膜厚が5nmの窒化チタン膜をCVD法で成膜した。TiCl4ガス50sccm、及びNH3ガス2700sccmを成膜ガスとして用いた。基板温度は400℃、成膜ガスの圧力は667Paとした。その後、フォトレジスト131pとして、膜厚が300nmのレジスト膜を塗布した。 Next, a 5 nm-thick titanium nitride film was formed as the conductive film 115f by CVD. TiCl4 gas at 50 sccm and NH3 gas at 2700 sccm were used as the film formation gas. The substrate temperature was 400°C, and the film formation gas pressure was 667 Pa. After that, a 300 nm-thick resist film was applied as the photoresist 131p.
続いて、図14A乃至図14Cに示すように、フォトレジスト131pの全面に対して、ドライエッチング処理を用いた異方性エッチングを行った。これにより、レジストマスク131を形成した。ドライエッチング処理は、酸素ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。基板温度は40℃、エッチングガスの圧力は3.00Pa、バイアス電力は0Wとした。ドライエッチング処理は、導電膜115fの上面が露出するまで行い、露出後さらに5秒行った。すなわち、導電膜115fを終点として、5秒間オーバーエッチングを行った。 Next, as shown in Figures 14A to 14C, anisotropic etching was performed on the entire surface of the photoresist 131p using a dry etching process. This formed a resist mask 131. The dry etching process was performed using 200 sccm of oxygen gas as the etching gas. The substrate temperature was 40°C, the etching gas pressure was 3.00 Pa, and the bias power was 0 W. The dry etching process was performed until the top surface of the conductive film 115f was exposed, and was continued for an additional 5 seconds after exposure. In other words, over-etching was performed for 5 seconds, with the conductive film 115f as the end point.
続いて、図15A乃至図15Cに示すように、レジストマスク131を用いて、導電膜115fに対してドライエッチング処理を行った。これにより、導電層115を形成した。ドライエッチング処理は、塩素ガス45sccm、CF4ガス55sccm、及び酸素ガス55sccmをエッチングガスとして用いて行った。基板温度は40℃、エッチングガスの圧力は0.67Pa、バイアス電力は50Wとした。また、処理時間は15秒とした。 15A to 15C, the conductive film 115f was subjected to dry etching using the resist mask 131. As a result, the conductive layer 115 was formed. The dry etching was performed using chlorine gas at 45 sccm, CF4 gas at 55 sccm, and oxygen gas at 55 sccm as etching gas. The substrate temperature was 40° C., the etching gas pressure was 0.67 Pa, and the bias power was 50 W. The processing time was 15 seconds.
続いて、図16A乃至図16Cに示すように、レジストマスク131を除去した。続いて、図17A乃至図17Cに示すように、絶縁層133として、膜厚が300nmの酸化シリコン膜をCVD法で成膜した。酸化シリコン膜は、TEOSを成膜ガスとして用いて成膜した。具体的には、オゾンガスとTEOSの流量比が8:1であるガスを、成膜ガスとして用いた。基板温度は350℃とした。その後、図18A乃至図18Cに示すように、ウェットエッチング処理を行い、絶縁層133を除去した。 Next, as shown in Figures 16A to 16C, the resist mask 131 was removed. Next, as shown in Figures 17A to 17C, a 300 nm thick silicon oxide film was deposited by CVD as the insulating layer 133. The silicon oxide film was deposited using TEOS as the deposition gas. Specifically, a gas with a flow ratio of ozone gas to TEOS of 8:1 was used as the deposition gas. The substrate temperature was set to 350°C. After that, as shown in Figures 18A to 18C, a wet etching process was performed to remove the insulating layer 133.
続いて、図19A乃至図19Cに示すように、強誘電体層130として、膜厚が10nmのハフニウムジルコニウム酸化物膜を、ALD法で成膜した。プリカーサとして、HfCl4、及びZrCl4を用いた。酸化剤として、水を用いた。基板温度は300℃とした。 19A to 19C, a hafnium zirconium oxide film having a thickness of 10 nm was formed as the ferroelectric layer 130 by the ALD method. HfCl4 and ZrCl4 were used as precursors. Water was used as an oxidizing agent. The substrate temperature was set to 300°C.
続いて、導電膜120f_1として、膜厚が30nmの窒化チタン膜を、CVD法で成膜した。TiCl4ガス50sccm、及びNH3ガス2700sccmを成膜ガスとして用いた。基板温度は400℃、成膜ガスの圧力は667Paとした。 Subsequently, a titanium nitride film having a thickness of 30 nm was formed as the conductive film 120f_1 by a CVD method. TiCl4 gas (50 sccm) and NH3 gas (2700 sccm) were used as the film formation gas. The substrate temperature was 400° C., and the film formation gas pressure was 667 Pa.
続いて、導電膜120f_2として、膜厚が50nmのタングステン膜を、CVD法で成膜した。WF6ガス250sccm、水素ガス2200sccm、アルゴンガス2000sccm、及び窒素ガス200sccmを成膜ガスとして用いた。基板温度は400℃、成膜ガスの圧力は10666Paとした。 Subsequently, a tungsten film having a thickness of 50 nm was deposited as the conductive film 120f_2 by a CVD method. The deposition gases used were WF6 gas (250 sccm), hydrogen gas (2200 sccm), argon gas (2000 sccm), and nitrogen gas (200 sccm). The substrate temperature was 400° C., and the deposition gas pressure was 10666 Pa.
続いて、導電膜120f_2上に、膜厚が50nmの窒化チタン膜を、CVD法で成膜した。その後、導電膜120f_2上の窒化チタン膜、及び導電膜120f_2に対して、CMP法により平坦化処理を行った。これにより、導電膜120f_2上の窒化チタン膜を除去し、導電膜120f_2の膜厚を40nmとした。 Subsequently, a titanium nitride film with a thickness of 50 nm was formed on the conductive film 120f_2 by CVD. Then, the titanium nitride film on the conductive film 120f_2 and the conductive film 120f_2 were subjected to planarization treatment by CMP. As a result, the titanium nitride film on the conductive film 120f_2 was removed, and the thickness of the conductive film 120f_2 was reduced to 40 nm.
続いて、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を順に塗布法により形成した。その後、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてSOG膜及びSOC膜を加工した。 Next, an SOC film, an SOG film, and a resist film were formed in that order using a coating method. A resist pattern was then formed using photolithography, and the SOG film and SOC film were processed using the resist pattern.
続いて、レジストパターンに基づき、導電膜120f_2、導電膜120f_1、及び強誘電体層130に対してドライエッチング処理を行った。これにより、図20A乃至図20Cに示すように、導電層120_2、及び導電層120_1を形成した。以上により、導電層120_1と、導電層120_1上の導電層120_2と、から構成される導電層120を形成した。 Subsequently, based on the resist pattern, dry etching was performed on the conductive film 120f_2, the conductive film 120f_1, and the ferroelectric layer 130. As a result, as shown in FIGS. 20A to 20C, the conductive layer 120_2 and the conductive layer 120_1 were formed. As a result, the conductive layer 120 composed of the conductive layer 120_1 and the conductive layer 120_2 on the conductive layer 120_1 was formed.
導電膜120f_2に対するドライエッチング処理は、BCl3ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。処理時間は33秒とした。また、エッチングガスの圧力は0.67Pa、バイアス電力は50Wとした。導電膜120f_1に対するドライエッチング処理は、酸素ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。処理時間は60秒とした。また、エッチングガスの圧力は0.67Pa、バイアス電力は50Wとした。強誘電体層130に対するドライエッチング処理は、酸素ガス200sccmをエッチングガスとして用いて行った。処理時間は15秒とした。また、エッチングガスの圧力は12.0Pa、バイアス電力は0Wとした。ここで、導電膜120f_2、導電膜120f_1、及び強誘電体層130に対するドライエッチング処理において、基板温度は40℃とした。 The dry etching treatment for the conductive film 120f_2 was performed using 200 sccm of BCl3 gas as the etching gas. The treatment time was 33 seconds. The etching gas pressure was 0.67 Pa, and the bias power was 50 W. The dry etching treatment for the conductive film 120f_1 was performed using 200 sccm of oxygen gas as the etching gas. The treatment time was 60 seconds. The etching gas pressure was 0.67 Pa, and the bias power was 50 W. The dry etching treatment for the ferroelectric layer 130 was performed using 200 sccm of oxygen gas as the etching gas. The treatment time was 15 seconds. The etching gas pressure was 12.0 Pa, and the bias power was 0 W. Here, in the dry etching treatment for the conductive film 120f_2, the conductive film 120f_1, and the ferroelectric layer 130, the substrate temperature was 40° C.
導電層120_2、及び導電層120_1を形成した後、SOC膜、SOG膜、及びレジスト膜を除去した。以上により、容量100を形成した。 After forming conductive layer 120_2 and conductive layer 120_1, the SOC film, SOG film, and resist film were removed. In this way, capacitor 100 was formed.
続いて、1.5×10−5Pa程度まで内部が減圧された真空下にて400℃で加熱処理を行った。加熱処理の時間は、試料C1、試料C2、試料C3、試料C4、及び試料C5において、それぞれ2分、5分、10分、30分、及び60分とした。 Subsequently, heat treatment was performed at 400° C. under a vacuum in which the internal pressure was reduced to approximately 1.5×10 −5 Pa. The heat treatment times were 2 minutes, 5 minutes, 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes for Samples C1, C2, C3, C4, and C5, respectively.
以上により、試料C1乃至試料C5を作製した。 Samples C1 to C5 were prepared in this manner.
図38は、試料C1乃至試料C5における、書き換え耐性試験の結果を示す図である。図38において、縦軸は残留分極2Pr[μC/cm2]を示し、横軸はサイクル数[回]を示す。 38 is a diagram showing the results of the rewrite endurance test for samples C1 to C5, in which the vertical axis represents the remanent polarization 2Pr [μC/cm 2 ] and the horizontal axis represents the number of cycles [times].
図38に示すように、試料C1乃至試料C5のいずれにおいても、サイクル数が1×108回であっても絶縁破壊が生じなかった。また、少なくともサイクル数が1×105回以下では、残留分極2Prは大きい方から順に試料C5、試料C4、試料C3、試料C2、及び試料C1となった。よって、容量100形成後の加熱処理の時間が長いほど、残留分極2Prが大きくなった。特に、加熱処理の時間を60分とすることにより、残留分極2Prが大幅に上昇した。以上により、容量100形成後の加熱処理の時間は、30分より長くすることが好ましいことが確認された。 As shown in Figure 38, no dielectric breakdown occurred in any of Samples C1 to C5, even when the number of cycles was 1 x 108. Furthermore, at least when the number of cycles was 1 x 105 or less, the remanent polarization 2Pr was largest in Samples C5, C4, C3, C2, and C1. Therefore, the longer the heat treatment time after forming the capacitor 100, the larger the remanent polarization 2Pr. In particular, by setting the heat treatment time to 60 minutes, the remanent polarization 2Pr increased significantly. From the above, it was confirmed that the heat treatment time after forming the capacitor 100 is preferably longer than 30 minutes.
以上は、強誘電体層130の成膜の際に、酸化剤として用いる水に起因する水素が強誘電体層130に混入するが、加熱処理により当該水素が脱離したためであると考えられる。 This is thought to be because hydrogen originating from water used as an oxidizing agent is mixed into the ferroelectric layer 130 during deposition of the ferroelectric layer 130, and this hydrogen is then released by the heat treatment.
100:容量、101:領域、102:領域、103:端面、105:上面、110:導電層、115:導電層、115f:導電膜、115ox:酸化物領域、116:絶縁層、120:導電層、120_1:導電層、120_2:導電層、120_3:導電層、120f:導電膜、120f_1:導電膜、120f_2:導電膜、130:強誘電体層、131:レジストマスク、131p:フォトレジスト、133:絶縁層、140:絶縁層、150[1,1]:メモリセル、150[1,2]:メモリセル、150[2,1]:メモリセル、150[2,2]:メモリセル、150:メモリセル、160[1]:メモリ層、160[2]:メモリ層、160[n]:メモリ層、160:メモリ層、180:絶縁層、180a:絶縁層、180b:絶縁層、180c:絶縁層、190:開口部、200:トランジスタ、230:半導体層、240:導電層、240_1:導電層、240_2:導電層、240a:導電層、240a_1:導電層、240a_2:導電層、240b:導電層、240b_1:導電層、240b_2:導電層、244:導電層、244a:導電層、244b:導電層、245[1]:導電層、245[2]:導電層、245:導電層、247:導電層、250:絶縁層、251:開口部、260[1]:導電層、260[2]:導電層、260:導電層、260_1:導電層、260_2:導電層、270:開口部、270a:開口部、270b:開口部、280:絶縁層、280a:絶縁層、280b:絶縁層、280c:絶縁層、283:絶縁層、285:絶縁層、290:溝部、300:トランジスタ、311:基板、313:半導体領域、314a:低抵抗領域、314b:低抵抗領域、315:絶縁層、316:導電層、320:絶縁層、322:絶縁層、324:絶縁層、326:絶縁層、328:導電層、330:導電層、350:絶縁層、352:絶縁層、354:絶縁層、356:導電層、401:曲線、402:曲線、643:導電層、645:導電層、646:導電層、649:絶縁層、900:半導体装置、910:駆動回路、911:周辺回路、912:コントロール回路、915:周辺回路、920:メモリアレイ、923:行ドライバ、924:列ドライバ、925:入力回路、926:出力回路、927:センスアンプ、928:電圧生成回路、930:層、931:PSW、932:PSW、941:行デコーダ、942:列デコーダ、950:メモリセル、960:演算装置、961:基板、962:ALU、962c:ALUコントローラ、963:インストラクションデコーダ、964:インタラプトコントローラ、965:タイミングコントローラ、966:レジスタ、967:レジスタコントローラ、968:バスインターフェース、969:キャッシュ、969i:キャッシュインターフェース、970A:半導体装置、970B:半導体装置、970C:半導体装置、980:電子部品、981:半導体装置、982:駆動回路層、983:記憶層、984:モールド、985:ランド、986:電極パッド、987:ワイヤ、988:プリント基板、989:実装基板、990:電子部品、991:インターポーザ、992:パッケージ基板、993:電極、994:半導体装置、5600:大型計算機、5610:ラック、5620:計算機、5621:PCカード、5622:ボード、5623:接続端子、5624:接続端子、5625:接続端子、5626:半導体装置、5627:半導体装置、5628:半導体装置、5629:接続端子、5630:マザーボード、5631:スロット、6800:人工衛星、6801:機体、6802:ソーラーパネル、6803:アンテナ、6804:惑星、6805:二次電池、6807:制御装置、7001:ホスト、7001sb:サーバ、7002:ストレージ制御回路、7003:ストレージ、7003md:記憶装置、7004:ストレージエリアネットワーク、7010:ストレージシステム 100: Capacitor, 101: Region, 102: Region, 103: End surface, 105: Top surface, 110: Conductive layer, 115: Conductive layer, 115f: Conductive film, 115ox: Oxide region, 116: Insulating layer, 120: Conductive layer, 120_1: Conductive layer, 120_2: Conductive layer, 120_3: Conductive layer, 120f: Conductive film, 120f_1: Conductive film, 120f_2: Conductive film, 130: Ferroelectric layer, 131: Resist mask, 131p: Photoresist, 133: Insulating layer, 140: Insulating layer, 150[1,1]: Metal memory cell, 150[1,2]: memory cell, 150[2,1]: memory cell, 150[2,2]: memory cell, 150: memory cell, 160[1]: memory layer, 160[2]: memory layer, 160[n]: memory layer, 160: memory layer, 180: insulating layer, 180a: insulating layer, 180b: insulating layer, 180c: insulating layer, 190: opening, 200: transistor, 230: semiconductor layer, 240: conductive layer, 240_1: conductive layer, 240_2: conductive layer, 240a: conductive layer, 240a_1 : Conductive layer, 240a_2: Conductive layer, 240b: Conductive layer, 240b_1: Conductive layer, 240b_2: Conductive layer, 244: Conductive layer, 244a: Conductive layer, 244b: Conductive layer, 245[1]: Conductive layer, 245[2]: Conductive layer, 245: Conductive layer, 247: Conductive layer, 250: Insulating layer, 251: Opening, 260[1]: Conductive layer, 260[2]: Conductive layer, 260: Conductive layer, 260_1: Conductive layer, 260_2: Conductive layer, 270: Opening, 270a: Opening, 270b: Opening, 280: Insulating layer, 280a: insulating layer, 280b: insulating layer, 280c: insulating layer, 283: insulating layer, 285: insulating layer, 290: groove portion, 300: transistor, 311: substrate, 313: semiconductor region, 314a: low resistance region, 314b: low resistance region, 315: insulating layer, 316: conductive layer, 320: insulating layer, 322: insulating layer, 324: insulating layer, 326: insulating layer, 328: conductive layer, 330: conductive layer, 350: insulating layer, 352: insulating layer, 354: insulating layer, 356: conductive layer, 401: curve, 402: curve, 6 43: conductive layer, 645: conductive layer, 646: conductive layer, 649: insulating layer, 900: semiconductor device, 910: driver circuit, 911: peripheral circuit, 912: control circuit, 915: peripheral circuit, 920: memory array, 923: row driver, 924: column driver, 925: input circuit, 926: output circuit, 927: sense amplifier, 928: voltage generation circuit, 930: layer, 931: PSW, 932: PSW, 941: row decoder, 942: column decoder, 950: memory cell, 960: operation Device, 961: substrate, 962: ALU, 962c: ALU controller, 963: instruction decoder, 964: interrupt controller, 965: timing controller, 966: register, 967: register controller, 968: bus interface, 969: cache, 969i: cache interface, 970A: semiconductor device, 970B: semiconductor device, 970C: semiconductor device, 980: electronic component, 981: semiconductor device, 982: drive circuit path layer, 983: memory layer, 984: mold, 985: land, 986: electrode pad, 987: wire, 988: printed circuit board, 989: mounting board, 990: electronic component, 991: interposer, 992: package board, 993: electrode, 994: semiconductor device, 5600: mainframe computer, 5610: rack, 5620: computer, 5621: PC card, 5622: board, 5623: connection terminal, 5624: connection terminal, 5625: connection terminal, 5626: semiconductor device, 5627: Semiconductor device, 5628: semiconductor device, 5629: connection terminal, 5630: motherboard, 5631: slot, 6800: artificial satellite, 6801: aircraft, 6802: solar panel, 6803: antenna, 6804: planet, 6805: secondary battery, 6807: control device, 7001: host, 7001sb: server, 7002: storage control circuit, 7003: storage, 7003md: storage device, 7004: storage area network, 7010: storage system
Claims (13)
前記第1の絶縁層、前記第1の導電層、前記第2の導電層、及び前記強誘電体層は、前記基板上に設けられ、
前記第1の絶縁層は、開口部を有し、
前記第1の導電層は、前記第1の絶縁層の前記開口部における側面に沿う領域を有し、
前記第1の導電層の上端面は、前記第1の絶縁層の上面より、前記基板からの高さが低く、
前記強誘電体層は、前記開口部において前記第1の導電層と接する領域を有し、
前記第2の導電層は、前記開口部において、前記強誘電体層を挟んで前記第1の導電層と対向する領域を有し、
前記第1の導電層は、酸化物領域を有し、
前記酸化物領域は、前記強誘電体層と接する領域を含み、
前記強誘電体層は、酸素を含む半導体装置。 a substrate, a first insulating layer, a first conductive layer, a second conductive layer, and a ferroelectric layer;
the first insulating layer, the first conductive layer, the second conductive layer, and the ferroelectric layer are provided on the substrate;
the first insulating layer has an opening;
the first conductive layer has a region along a side surface of the opening of the first insulating layer,
an upper end surface of the first conductive layer is lower in height from the substrate than an upper surface of the first insulating layer;
the ferroelectric layer has a region in contact with the first conductive layer in the opening,
the second conductive layer has a region facing the first conductive layer with the ferroelectric layer interposed therebetween in the opening;
the first conductive layer has an oxide region;
the oxide region includes a region in contact with the ferroelectric layer,
The ferroelectric layer contains oxygen.
前記酸化物領域は、前記第1の導電層に含まれる元素の酸化物を含む半導体装置。 In claim 1,
The oxide region includes an oxide of an element contained in the first conductive layer.
前記第1の導電層の上端面における、前記基板の上面に対する角度は、0°より大きい半導体装置。 In claim 1,
A semiconductor device in which the angle of the top surface of the first conductive layer with respect to the top surface of the substrate is greater than 0°.
前記第2の導電層は、第1の層と、前記第1の層上の第2の層と、を有し、
前記第1の層は、前記開口部を埋めるように設けられ、
前記第1の層の熱膨張係数は、前記第2の層の熱膨張係数より大きい半導体装置。 In claim 1,
the second conductive layer includes a first layer and a second layer on the first layer;
the first layer is provided to fill the opening,
A semiconductor device in which the thermal expansion coefficient of the first layer is greater than the thermal expansion coefficient of the second layer.
前記第1の層は、窒化チタンを含み、
前記第2の層は、タングステンを含む半導体装置。 In claim 4,
the first layer comprises titanium nitride;
The semiconductor device wherein the second layer comprises tungsten.
第2の絶縁層、第3の絶縁層、半導体層、第3の導電層、第4の導電層、及び第5の導電層を有し、
前記第2の絶縁層は、前記第2の導電層上、及び前記第1の絶縁層上に位置し、
前記第3の導電層、及び前記第4の導電層は、前記第2の絶縁層上に位置し、
前記第2の絶縁層は、前記第3の導電層と前記第4の導電層の間の領域と重なり、且つ、前記第2の導電層に達する領域を有する溝部を有し、
前記半導体層は、前記第2の導電層に接する領域と、前記第3の導電層に接する領域と、前記第4の導電層に接する領域と、前記溝部における前記第2の絶縁層の側面の一部に沿う領域と、を有し、
前記第3の絶縁層は、前記溝部の内部に位置する領域を有するように、前記半導体層上に設けられ、
前記第5の導電層は、前記溝部の内部において、前記第3の絶縁層を間に挟んで前記半導体層と対向する領域を有する半導体装置。 In any one of claims 1 to 5,
a second insulating layer, a third insulating layer, a semiconductor layer, a third conductive layer, a fourth conductive layer, and a fifth conductive layer;
the second insulating layer is located on the second conductive layer and on the first insulating layer;
the third conductive layer and the fourth conductive layer are located on the second insulating layer;
the second insulating layer has a groove portion that overlaps a region between the third conductive layer and the fourth conductive layer and has a region that reaches the second conductive layer;
the semiconductor layer has a region in contact with the second conductive layer, a region in contact with the third conductive layer, a region in contact with the fourth conductive layer, and a region along a part of a side surface of the second insulating layer in the groove portion;
the third insulating layer is provided on the semiconductor layer so as to have a region located inside the groove;
The fifth conductive layer has a region inside the groove that faces the semiconductor layer with the third insulating layer sandwiched therebetween.
第4の絶縁層、及び第6の導電層を有し、
前記第4の絶縁層は、前記第3乃至第5の導電層上に位置し、
前記第6の導電層は、前記第4の絶縁層上に位置し、
前記第6の導電層は、前記第3の導電層、及び前記第4の導電層と電気的に接続されている半導体装置。 In claim 6,
a fourth insulating layer and a sixth conductive layer;
the fourth insulating layer is located on the third to fifth conductive layers;
the sixth conductive layer is located on the fourth insulating layer;
The sixth conductive layer is electrically connected to the third conductive layer and the fourth conductive layer.
前記溝部、及び前記第5の導電層は、第1の方向に延在し、
前記第6の導電層は、第2の方向に延在し、
前記第2の方向は、前記第1の方向と垂直である半導体装置。 In claim 7,
the groove and the fifth conductive layer extend in a first direction;
the sixth conductive layer extends in a second direction;
The second direction is perpendicular to the first direction.
前記半導体層は、インジウムを含む半導体装置。 In claim 6,
The semiconductor device, wherein the semiconductor layer contains indium.
前記第1の絶縁層に、開口部を形成し、
前記開口部を覆うように、導電膜を形成し、
前記導電膜上に、フォトレジストを塗布し、
前記フォトレジストに対して異方性エッチングを行うことにより、前記開口部にレジストマスクを形成し、
前記導電膜を加工することにより、前記第1の絶縁層の前記開口部における側面に沿うように、第1の導電層を形成し、
前記レジストマスクを除去し、
前記第1の導電層に対して酸化処理を行うことにより、前記第1の導電層に酸化物領域を形成し、
前記酸化物領域と接する領域を有するように、酸素を含む強誘電体層を形成し、
前記強誘電体層上に、前記開口部に位置する領域を有するように第2の導電層を形成し、
前記第1の導電層は、前記第1の導電層の上端面の前記基板からの高さが、前記第1の絶縁層の上面の前記基板からの高さより低くなるように形成される半導体装置の作製方法。 forming a first insulating layer on a substrate;
forming an opening in the first insulating layer;
forming a conductive film so as to cover the opening;
A photoresist is applied onto the conductive film;
anisotropically etching the photoresist to form a resist mask in the opening;
forming a first conductive layer along a side surface of the opening of the first insulating layer by processing the conductive film;
removing the resist mask;
performing an oxidation treatment on the first conductive layer to form an oxide region in the first conductive layer;
forming a ferroelectric layer containing oxygen so as to have a region in contact with the oxide region;
forming a second conductive layer on the ferroelectric layer so as to have a region located in the opening;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first conductive layer is formed so that a height of an upper surface of the first conductive layer from the substrate is lower than a height of an upper surface of the first insulating layer from the substrate.
前記酸化処理では、前記第1の導電層と接する領域を有するように、酸素を含む第2の絶縁層を形成した後、前記第2の絶縁層を除去する半導体装置の作製方法。 In claim 10,
In the oxidation treatment, a second insulating layer containing oxygen is formed so as to have a region in contact with the first conductive layer, and then the second insulating layer is removed.
前記第2の導電層として、前記開口部を埋める第1の層と、前記第1の層上の第2の層と、を形成し、
前記第1の層の熱膨張係数は、前記第2の層の熱膨張係数より大きい半導体装置の作製方法。 In claim 10,
forming a first layer filling the opening and a second layer on the first layer as the second conductive layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first layer has a larger thermal expansion coefficient than the second layer.
前記第1の層は、窒化チタンを含むように形成し、
前記第2の層は、タングステンを含むように形成する半導体装置の作製方法。 In claim 12,
The first layer is formed to include titanium nitride;
The second layer is formed to contain tungsten.
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07245237A (en) * | 1994-01-13 | 1995-09-19 | Rohm Co Ltd | Dielectric capacitor and manufacturing method thereof |
| JPH0922829A (en) * | 1995-07-07 | 1997-01-21 | Rohm Co Ltd | Dielectric capacitor and method of manufacturing the same |
| JP2001156270A (en) * | 1999-11-29 | 2001-06-08 | Hitachi Ltd | Semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same |
| JP2002057299A (en) * | 2000-08-14 | 2002-02-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2008060343A (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2010040905A (en) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | Panasonic Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
| JP2011233939A (en) * | 2004-06-24 | 2011-11-17 | Toyoda Gosei Co Ltd | Method of manufacturing light-emitting device |
| JP2012513361A (en) * | 2008-12-19 | 2012-06-14 | エレメント シックス (プロダクション)(プロプライエタリィ) リミテッド | Super hard / hard composite material |
| WO2024057166A1 (en) * | 2022-09-16 | 2024-03-21 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device |
| JP2024052604A (en) * | 2022-09-30 | 2024-04-11 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device, method for manufacturing semiconductor device, and electronic device |
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Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07245237A (en) * | 1994-01-13 | 1995-09-19 | Rohm Co Ltd | Dielectric capacitor and manufacturing method thereof |
| JPH0922829A (en) * | 1995-07-07 | 1997-01-21 | Rohm Co Ltd | Dielectric capacitor and method of manufacturing the same |
| JP2001156270A (en) * | 1999-11-29 | 2001-06-08 | Hitachi Ltd | Semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same |
| JP2002057299A (en) * | 2000-08-14 | 2002-02-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2011233939A (en) * | 2004-06-24 | 2011-11-17 | Toyoda Gosei Co Ltd | Method of manufacturing light-emitting device |
| JP2008060343A (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2010040905A (en) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | Panasonic Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
| JP2012513361A (en) * | 2008-12-19 | 2012-06-14 | エレメント シックス (プロダクション)(プロプライエタリィ) リミテッド | Super hard / hard composite material |
| WO2024057166A1 (en) * | 2022-09-16 | 2024-03-21 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device |
| JP2024052604A (en) * | 2022-09-30 | 2024-04-11 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device, method for manufacturing semiconductor device, and electronic device |
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