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公開番号2025003338
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-09
出願番号2024084571
出願日2024-05-24
発明の名称半導体装置、及び、半導体装置の作製方法
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H10D 30/67 20250101AFI20241226BHJP()
要約【課題】微細化又は高集積化が可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】第1乃至第4の導電層、第1及び第2の絶縁層、半導体層を有し、第1の絶縁層は第1の導電層上に、第2の導電層は第1の絶縁層上に設けられ、第2の導電層及び第1の絶縁層は第1の導電層に達する開口を有し、半導体層は開口内における第1の導電層の上面、開口内における第1の絶縁層の側面、開口内における第2の導電層の側面、及び第2の導電層の上面に接し、第2の絶縁層は開口内における半導体層の上面、開口内における半導体層の側面、及び開口の外側における半導体層の上面に接し、第3の導電層は開口を埋め込むように第2の絶縁層上に設けられ、第1の絶縁層は平面視で開口を取り囲む凹部を有し、第4の導電層は凹部に埋め込まれ、開口内で、半導体層の一方の面は第2の絶縁層を介して第3の導電層と対向し、半導体層の他方の面は第1の絶縁層を介して第4の導電層と対向する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、第４の導電層と、第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、半導体層と、を有し、
前記第１の絶縁層は、前記第１の導電層上に設けられ、
前記第２の導電層は、前記第１の絶縁層上に設けられ、
前記第２の導電層及び前記第１の絶縁層は、前記第１の導電層に達する開口を有し、
前記半導体層は、前記開口の内側における前記第１の導電層の上面、前記開口の内側における前記第１の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第２の導電層の側面、及び、前記第２の導電層の上面に接して設けられ、
前記第２の絶縁層は、前記開口の内側における前記半導体層の上面、前記開口の内側における前記半導体層の側面、及び、前記開口の外側における前記半導体層の上面に接して設けられ、
前記第３の導電層は、前記開口を埋め込むように、前記第２の絶縁層上に設けられ、
前記第１の絶縁層は、平面視にて前記開口を取り囲む凹部を有し、
前記第４の導電層は、前記凹部を埋め込むように設けられ、
前記開口の内側において、前記半導体層の一方の面は、前記第２の絶縁層を介して前記第３の導電層と対向し、前記半導体層の他方の面は、前記第１の絶縁層を介して前記第４の導電層と対向する、
半導体装置。
続きを表示（約 3,100 文字）【請求項２】
請求項１において、
前記半導体層は、金属酸化物を有する、
半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記第１の絶縁層は、第３の絶縁層と、前記第３の絶縁層上の第４の絶縁層と、を有し、
前記第４の絶縁層の上面、及び、前記第４の導電層の上面に接して、第５の絶縁層を有し、
前記第３の絶縁層及び前記第５の絶縁層は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ハフニウム、及び酸化アルミニウムの一又は複数を有し、
前記第４の絶縁層は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンの一又は複数を有する、
半導体装置。
【請求項４】
第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、第４の導電層と、第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第３の絶縁層と、半導体層と、を有し、
前記第１の絶縁層は、前記第１の導電層上に設けられ、
前記第２の導電層は、前記第１の絶縁層上に設けられ、
前記第１の絶縁層は、凹部を有し、
前記第３の導電層は、前記凹部に埋め込まれるように設けられ、
前記第２の導電層、前記第３の導電層、前記第１の絶縁層は、前記凹部と重なる領域に、前記第１の導電層に達する開口を有し、
前記第２の絶縁層は、前記開口の内側における前記第１の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第３の導電層の側面、及び、前記開口の内側における前記第２の導電層の側面に接して設けられ、
前記半導体層は、前記開口の内側における前記第１の導電層の上面、前記開口の内側における前記第２の絶縁層の側面、及び、前記第２の導電層の上面に接して設けられ、
前記第３の絶縁層は、前記開口の内側における前記半導体層の上面、前記開口の内側における前記半導体層の側面、及び、前記開口の外側における前記半導体層の上面に接して設けられ、
前記第４の導電層は、前記開口を埋め込むように、前記第３の絶縁層上に設けられ、
前記半導体層は、前記開口の内側において、前記第３の絶縁層を介して前記第４の導電層と対向する領域と、前記第２の絶縁層を介して前記第３の導電層と対向する領域と、を有する、
半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記半導体層は、金属酸化物を有する、
半導体装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５において、
前記第１の絶縁層は、第４の絶縁層と、前記第４の絶縁層上の第５の絶縁層と、を有し、
前記第５の絶縁層の上面、及び、前記第３の導電層の上面に接して、第６の絶縁層を有し、
前記第４の絶縁層及び前記第６の絶縁層は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ハフニウム、及び酸化アルミニウムの一又は複数を有し、
前記第５の絶縁層は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンの一又は複数を有する、
半導体装置。
【請求項７】
請求項４又は請求項５において、
前記第２の絶縁層は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンの一又は複数を有する、
半導体装置。
【請求項８】
請求項４又は請求項５において、
前記第２の絶縁層は、第７の絶縁層と、第８の絶縁層と、を有し、
前記第７の絶縁層は、前記開口の内側における前記第１の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第３の導電層の側面、及び、前記開口の内側における前記第２の導電層の側面に接して設けられ、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ハフニウム、及び酸化アルミニウムの一又は複数を有し、
前記第８の絶縁層は、前記第７の絶縁層を介して、前記開口の内側における前記第１の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第３の導電層の側面、及び、前記開口の内側における前記第２の導電層の側面と対向するように、前記第７の絶縁層上に設けられ、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンの一又は複数を有する、
半導体装置。
【請求項９】
第１の導電層と、前記第１の導電層上の第１の絶縁膜と、を形成し、
前記第１の絶縁膜を加工して、凹部を有する第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層上に第１の導電膜を形成し、
前記第１の導電膜に対して、前記第１の絶縁層の上面が露出するまで平坦化する処理を行うことで、前記凹部に埋め込まれた第２の導電層を形成し、
前記第２の導電層上及び前記第１の絶縁層上に、第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上の第２の導電膜と、を形成し、
前記第２の導電膜、前記第２の絶縁膜、及び前記第１の絶縁層を加工して、平面視にて前記凹部に囲まれた領域内に、それぞれ前記第１の導電層に達する開口を有する第３の導電層、第２の絶縁層、及び第３の絶縁層を形成し、
前記開口の内側における前記第１の導電層の上面、前記開口の内側における前記第３の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第２の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第３の導電層の側面、及び、前記第３の導電層の上面に接して、金属酸化物膜を形成し、
前記金属酸化物膜を加工して、平面視にて前記開口と重なる領域を有するように、半導体層を形成する、
半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
第１の導電層と、前記第１の導電層上の第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上の第２の絶縁膜と、を形成し、
前記第２の絶縁膜を加工して、凹部を有する第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層上に第１の導電膜を形成し、
前記第１の導電膜に対して、前記第１の絶縁層の上面が露出するまで平坦化する処理を行うことで、前記凹部に埋め込まれた第２の導電層を形成し、
前記第２の導電層上及び前記第１の絶縁層上に、第３の絶縁膜と、前記第３の絶縁膜上の第２の導電膜と、を形成し、
前記第２の導電膜、前記第３の絶縁膜、第２の導電層、及び前記第１の絶縁層を加工して、平面視にて前記凹部と重なる領域に、それぞれ前記第１の絶縁膜に達する開口を有する第３の導電層、第２の絶縁層、第４の導電層、及び第３の絶縁層を形成し、
前記開口の内側における前記第１の絶縁膜の上面、前記開口の内側における前記第３の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第４の導電層の側面、前記開口の内側における前記第２の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第３の導電層の側面、及び、前記第３の導電層の上面に接して、第４の絶縁膜を形成し、
前記第４の絶縁膜の前記第３の導電層の上面に接する領域、前記第４の絶縁膜の前記第１の絶縁膜に接する領域の一部、及び、前記第１の絶縁膜の前記開口と重なる領域の一部を除去して、前記開口の内側における前記第３の絶縁層の側面、前記開口の内側における前記第４の導電層の側面、前記開口の内側における前記第２の絶縁層の側面、及び、前記開口の内側における前記第３の導電層の側面に接する第４の絶縁層を形成するとともに、前記開口と重なる領域において前記第１の導電層を露出させ、
前記開口と重なる領域における前記第１の導電層の上面、前記開口の内側における前記第４の絶縁層の側面、及び、前記第３の導電層の上面に接して、金属酸化物膜を形成し、
前記金属酸化物膜を加工して、平面視にて前記開口と重なる領域を有するように、半導体層を形成する、
半導体装置の作製方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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、上記半導体装置の作製方法に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【０００２】
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、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）、それらを有する電子機器、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。
【０００３】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、集積回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、集積回路、撮像装置、電子機器などは、半導体装置を有するといえる場合がある。
【背景技術】
【０００４】
近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、メモリなどが主に半導体装置に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハを加工し、チップ化された集積回路（少なくとも、トランジスタを含む回路）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
【０００５】
ＬＳＩ、ＣＰＵ、メモリなどの集積回路（ＩＣ）は、回路基板、例えば、プリント配線基板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
【０００６】
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路、画像表示装置（単に表示装置とも表記する。）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００７】
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、特許文献１には、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が小さいという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている。また、例えば、特許文献２には、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が小さいという特性を応用して、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが、開示されている。
【０００８】
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、集積回路のさらなる高密度化への要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。例えば、特許文献３及び非特許文献１では、酸化物半導体膜を用いる第１のトランジスタと、酸化物半導体膜を用いる第２のトランジスタとを積層させることで、メモリセルを複数重畳して設けることにより、集積回路の高密度化を図る技術が開示されている。また、例えば、特許文献４のように、酸化物半導体膜を用いるトランジスタのチャネルを縦方向に配置し、集積回路の高密度化を図る技術も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２０１２－２５７１８７号公報
特開２０１１－１５１３８３号公報
国際公開第２０２１／０５３４７３号
特開２０１３－２１１５３７号公報
【非特許文献】
【００１０】
Ｍ．Ｏｏｔａｅｔａｌ．，“３Ｄ－ＳｔａｃｋｅｄＣＡＡＣ－Ｉｎ－Ｇａ－ＺｎＯｘｉｄｅＦＥＴｓｗｉｔｈＧａｔｅＬｅｎｇｔｈｏｆ７２ｎｍ”，ＩＥＤＭＴｅｃｈ．Ｄｉｇ．，２０１９，ｐｐ．５０－５３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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