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公開番号2025128213
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-02
出願番号2025090458,2024124436
出願日2025-05-30,2012-06-14
発明の名称半導体装置
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 86/60 20250101AFI20250826BHJP()
要約【課題】用途に合わせて要求される電気的特性を備えた酸化物半導体層を用いたトランジスタ及び該トランジスタを有する半導体装置を提供する。
【解決手段】酸化物絶縁膜436上に、半導体層、ソース電極層又はドレイン電極層405a、405b、ゲート絶縁膜402及びゲート電極層が401順に積層されたトランジスタ440aであって、半導体層としてバンドギャップの異なる少なくとも2層の酸化物半導体層101、102を含む酸化物半導体積層を用いる。酸化物半導体積層には、酸素又はドーパントを導入してもよい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
チャネル形成領域にシリコンを有する第１のトランジスタと、
チャネル形成領域に酸化物半導体を有する第２のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのゲート電極と、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と、前記容量素子の一方の電極と、が電気的に接続された半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に位置する領域を有し、且つ前記第１のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層の側面と接する領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に位置する領域を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、前記第１の導電層の上面と接する領域と、を有し、且つ前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方としての機能を有する第２の導電層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層を介して前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記第３の導電層の上面と接する領域を有する第４の絶縁層と、
前記第４の絶縁層及び前記第３の絶縁層を介して前記第２の導電層と重なる領域を有し、且つ前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第４の導電層と、を有し、
平面視において、前記第１のトランジスタのチャネル形成領域と、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域とは、重なりを有さない、半導体装置。
続きを表示（約 2,700 文字）【請求項２】
チャネル形成領域にシリコンを有する第１のトランジスタと、
チャネル形成領域に酸化物半導体を有する第２のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのゲート電極と、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と、前記容量素子の一方の電極と、が電気的に接続された半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に位置する領域を有し、且つ前記第１のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層の側面と接する領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に位置する領域を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、前記第１の導電層の上面と接する領域と、を有し、且つ前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方としての機能を有する第２の導電層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層を介して前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記第３の導電層の上面と接する領域を有する第４の絶縁層と、
前記第４の絶縁層及び前記第３の絶縁層を介して前記第２の導電層と重なる領域を有し、且つ前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第４の導電層と、を有し、
前記第１の絶縁層は、窒素とシリコンと、を有し、
前記第２の絶縁層は、酸素とシリコンと、を有し、
前記第３の絶縁層は、酸素とシリコンと、を有し、
平面視において、前記第１のトランジスタのチャネル形成領域と、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域とは、重なりを有さない、半導体装置。
【請求項３】
チャネル形成領域にシリコンを有する第１のトランジスタと、
チャネル形成領域に酸化物半導体を有する第２のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのゲート電極と、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と、前記容量素子の一方の電極と、が電気的に接続された半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に位置する領域を有し、且つ前記第１のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層の側面と接する領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に位置する領域を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、前記第１の導電層の上面と接する領域と、を有し、且つ前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方としての機能を有する第２の導電層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層を介して前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記第３の導電層の上面と接する領域を有する第４の絶縁層と、
前記第４の絶縁層の上面と接する領域を有する第５の絶縁層と、
前記第４の絶縁層及び前記第３の絶縁層を介して前記第２の導電層と重なる領域を有し、且つ前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第４の導電層と、を有し、
平面視において、前記第１のトランジスタのチャネル形成領域と、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域とは、重なりを有さず、
前記第５の絶縁層は、有機材料を有する、半導体装置。
【請求項４】
チャネル形成領域にシリコンを有する第１のトランジスタと、
チャネル形成領域に酸化物半導体を有する第２のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのゲート電極と、前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方と、前記容量素子の一方の電極と、が電気的に接続された半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に位置する領域を有し、且つ前記第１のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層の側面と接する領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に位置する領域を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域と、前記第１の導電層の上面と接する領域と、を有し、且つ前記第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極の一方としての機能を有する第２の導電層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層を介して前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、且つ前記第２のトランジスタのゲート電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記第３の導電層の上面と接する領域を有する第４の絶縁層と、
前記第４の絶縁層の上面と接する領域を有する第５の絶縁層と、
前記第４の絶縁層及び前記第３の絶縁層を介して前記第２の導電層と重なる領域を有し、且つ前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第４の導電層と、を有し、
前記第１の絶縁層は、窒素とシリコンと、を有し、
前記第２の絶縁層は、酸素とシリコンと、を有し、
前記第３の絶縁層は、酸素とシリコンと、を有し、
平面視において、前記第１のトランジスタのチャネル形成領域と、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域とは、重なりを有さず、
前記第５の絶縁層は、有機材料を有する、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
前記第１の導電層、前記第２の導電層、前記第３の導電層、前記第４の導電層の少なくとも一は、積層構造を有する、半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
半導体装置及び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、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技
術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）の
ような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜として
シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目さ
れている。
【０００４】
酸化物半導体を用いたトランジスタとしては、より高機能な半導体装置への応用のために
、より高い電気特性が求められている。酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、高
い電気特性を目的として、アルミニウム反応法を用いて低抵抗なソース領域及びドレイン
領域を形成する技術などが報告がされている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
例えば、トランジスタの活性層として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜
鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照
）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２００６－１６５５２８号公報
【非特許文献】
【０００７】
Ｎ．Ｍｏｒｏｓａｗａ，ＹｏｓｈｉｈｉｒｏＯｈｓｈｉｍａ，ＭｉｔｓｕｏＭｏｒｏｏｋａ，ＴｏｓｈｉａｋｉＡｒａｉ，ＴａｔｓｕｙａＳａｓａｏｋａ，「ＡＮｏｖｅｌＳｅｌｆ－ＡｌｉｇｎｅｄＴｏｐ－ＧａｔｅＯｘｉｄｅＴＦＴｆｏｒＡＭ－ＯＬＥＤＤｉｓｐｌａｙｓ」、ＳＩＤ１１ＤＩＧＥＳＴｐｐ４７９－４８２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
トランジスタのオン特性（例えば、オン電流や電界効果移動度）が向上すると、半導体装
置において入力信号に対する高速応答、高速駆動が可能になり、より高性能な半導体装置
が実現できる。一方、半導体装置の低消費電力化には、トランジスタのオフ電流が十分低
いことが求められる。このように、トランジスタに求められる電気特性は用途や目的に合
わせて様々であり、該電気特性をより精度よく制御することは有益である。
【０００９】
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラ
スにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現するトランジスタ構
造およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。
【００１０】
トランジスタは、ゲート電圧が０Ｖにできるだけ近い正のしきい値電圧でチャネルが形成
されることが望ましい。トランジスタのしきい値電圧がマイナスであると、ゲート電圧が
０Ｖでもソース電極とドレイン電極の間に電流が流れる、所謂ノーマリーオンとなりやす
い。ＬＳＩやＣＰＵやメモリにおいては、回路を構成するトランジスタの電気特性が重要
であり、この電気特性が半導体装置の消費電力を左右する。特に、トランジスタの電気特
性のうち、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が重要である。電界効果移動度が高くとも、しきい値
電圧がマイナスであると、回路として制御することが困難である。負の電圧状態でもチャ
ネルが形成されてドレイン電流が流れるトランジスタは、半導体装置の集積回路に用いる
トランジスタとしては不向きである。
（【００１１】以降は省略されています）

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