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JP2012060091A - Semiconductor element, semiconductor device, and manufacturing method of semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element, semiconductor device, and manufacturing method of semiconductor element Download PDF

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JP2012060091A JP2010204926A JP2010204926A JP2012060091A JP 2012060091 A JP2012060091 A JP 2012060091A JP 2010204926 A JP2010204926 A JP 2010204926A JP 2010204926 A JP2010204926 A JP 2010204926A JP 2012060091 A JP2012060091 A JP 2012060091A
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Abstract

【課題】半導体領域に酸化物半導体を用いた、高耐圧で、大電流の制御が可能であり、かつ量産性に優れた半導体素子を提供することを課題の一とする。また、該半導体素子を用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。また、該半導体素子の作製方法を提供することを課題の一とする。
【解決手段】半導体領域に酸化物半導体を用いたトランジスタと、トランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層の各々と電気的に接続した貫通電極を備えた半導体チップを積層し、トランジスタを電気的に並列接続することによって、実質的にW長の長い半導体素子を提供する。
【選択図】図1
An object is to provide a semiconductor element that uses an oxide semiconductor in a semiconductor region, can control a large current with high breakdown voltage, and is excellent in mass productivity. Another object is to provide a semiconductor device using the semiconductor element. Another object is to provide a method for manufacturing the semiconductor element.
A transistor including an oxide semiconductor in a semiconductor region and a semiconductor chip including a through electrode electrically connected to each of a gate electrode layer, a source electrode layer, and a drain electrode layer of the transistor are stacked, and the transistor is formed. By electrically connecting in parallel, a semiconductor element having a substantially long W length is provided.
[Selection] Figure 1

Description

半導体素子、該半導体素子を用いた半導体装置、及び半導体素子の作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor element, a semiconductor device using the semiconductor element, and a method for manufacturing the semiconductor element.

なお、本明細書中において、半導体素子は半導体特性を利用することで機能する素子を指し、複数のトランジスタが集積された構成も含む。また、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、電子部品、及び電子機器はすべて半導体装置である。 Note that in this specification, a semiconductor element refers to an element that functions by utilizing semiconductor characteristics, and includes a structure in which a plurality of transistors are integrated. In this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, an electronic component, and an electronic device are all semiconductor devices.

電力変換装置に使用される半導体装置、いわゆるパワーデバイスは、高耐圧、かつ低損失であることが望ましい。従来から、シリコン半導体を用いたパワーデバイスが開示されている。しかし、シリコンを用いた半導体素子では、その物理的な特性が理論値の限界に来ていると言われており、さらなる高耐圧と大電流の制御が可能なパワーデバイスを実現するためには、特性の向上が可能な新たな半導体材料や、半導体装置の新しい構造を提供することが求められている。 It is desirable that a semiconductor device used for a power converter, a so-called power device, has a high breakdown voltage and low loss. Conventionally, power devices using silicon semiconductors have been disclosed. However, in semiconductor elements using silicon, it is said that the physical characteristics have reached the limit of the theoretical value, and in order to realize a power device capable of controlling a higher withstand voltage and a larger current, There is a need to provide new semiconductor materials capable of improving characteristics and new structures of semiconductor devices.

シリコン半導体と代わる、高耐圧、高変換効率、高速スイッチングなどの諸特性を向上させる可能性がある半導体材料として、例えば、炭化ケイ素や窒化ガリウムなどが開示されている(特許文献1及び特許文献2)。 As semiconductor materials that can improve various characteristics such as high breakdown voltage, high conversion efficiency, and high-speed switching instead of silicon semiconductors, for example, silicon carbide and gallium nitride are disclosed (Patent Document 1 and Patent Document 2). ).

特開2010−129628号公報JP 2010-129628 A 特開2010―171416号公報JP 2010-171416 A

ところが、炭化ケイ素の成膜温度は約1500℃、窒化ガリウムの成膜温度は約1100℃と、これらの化合物半導体は、成膜温度が極めて高く、基板の大型化が困難であるため、量産性が低いといった問題がある。 However, the film formation temperature of silicon carbide is about 1500 ° C. and the film formation temperature of gallium nitride is about 1100 ° C. These compound semiconductors are extremely high in film formation temperature, and it is difficult to increase the size of the substrate. There is a problem that is low.

本発明はこのような技術的背景のもとでなされたものである。したがって、その目的は、高耐圧で、大電流の制御が可能であり、かつ量産性に優れた半導体素子を提供することを課題の一とする。また、該半導体素子を用いた半導体装置を提供することを課題の一とする、また、該半導体素子の作製方法を提供することを課題の一とする。 The present invention has been made under such a technical background. Therefore, it is an object of the present invention to provide a semiconductor element that has a high breakdown voltage, can control a large current, and is excellent in mass productivity. Another object is to provide a semiconductor device using the semiconductor element, and to provide a method for manufacturing the semiconductor element.

上記目的を達成するために、本発明者は、酸化物半導体に着目した。 In order to achieve the above object, the present inventor has focused on an oxide semiconductor.

酸化物半導体は、広いバンドギャップを示すため、シリコン等に比べ高い耐圧を示し、パワーデバイス用の半導体材料に求められる高い絶縁破壊耐性を備えている。 Since an oxide semiconductor exhibits a wide band gap, it has a higher breakdown voltage than silicon or the like, and has a high breakdown resistance required for a semiconductor material for power devices.

また、酸化物半導体膜の成膜温度は700℃程度であるため、基板の大型化にも対応できる。さらに、酸化物半導体膜は、スパッタリング法や湿式法(例えば、印刷法)などにより作製可能であり、ドープ工程が不要であることなどからも、量産性に優れている。 In addition, since the deposition temperature of the oxide semiconductor film is approximately 700 ° C., the substrate can be increased in size. Further, the oxide semiconductor film can be manufactured by a sputtering method, a wet method (for example, a printing method) or the like, and is excellent in mass productivity because a doping step is unnecessary.

一方、酸化物半導体の移動度は、大電流を流すパワーデバイス用の半導体材料としては、必ずしも十分ではない場合がある。移動度の低い半導体材料を用いてパワーデバイス用トランジスタを作製すると、大電流を速やかに流すことができず、また、大電流を流そうとするとトランジスタが発熱するといった問題が生じる場合がある。 On the other hand, the mobility of an oxide semiconductor may not always be sufficient as a semiconductor material for a power device that allows a large current to flow. When a power device transistor is manufactured using a semiconductor material with low mobility, a large current cannot be flowed quickly, and there is a problem that the transistor generates heat when a large current is flowed.

こうした問題を解決する手段としては、トランジスタのW長(チャネル幅)を長くする方法がある。 As a means for solving such a problem, there is a method of increasing the W length (channel width) of a transistor.

しかし、トランジスタのW長を長くすると、トランジスタの面積が大きくなり、該トランジスタが回路に占める面積が大きくなってしまう問題がある。さらに、トランジスタ1つあたりの面積が大きくなると、1基板あたりで作製できるトランジスタの数が減ってしまう。また、パーティクル等による欠陥を1箇所でも含むと、トランジスタは信頼性が損なわれてしまう。従ってパーティクル等による欠陥が1基板あたりに同数生じる場合においては、トランジスタの面積が大きいほど、不良となる確率が高まってしまう。 However, when the W length of the transistor is increased, there is a problem that the area of the transistor increases and the area occupied by the transistor in the circuit increases. Further, when the area per transistor is increased, the number of transistors that can be manufactured per substrate is reduced. In addition, if a defect due to particles or the like is included even at one location, the reliability of the transistor is impaired. Therefore, in the case where the same number of defects due to particles or the like occurs per substrate, the larger the transistor area, the higher the probability of being defective.

したがって、上記課題を解決するためには、広いバンドギャップを有する酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた1以上のトランジスタと、該トランジスタを電気的に接続する貫通電極とを含む半導体チップを積層し、該貫通電極を介してトランジスタを電気的に並列接続することによって、素子の面積を巨大化することなく、実質的にW長の長いトランジスタを作製すればよい。 Therefore, in order to solve the above problems, a semiconductor chip including one or more transistors using an oxide semiconductor having a wide band gap in a channel formation region and a through electrode that electrically connects the transistors is stacked. A transistor having a substantially long W length can be manufactured without enlarging the area of the element by electrically connecting the transistors through the through electrode in parallel.

すなわち、本発明の一態様は、半導体層に酸化物半導体を用いる第1のトランジスタと、第1のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極と、を有する第1の基板と、半導体層に酸化物半導体を用いる第2のトランジスタと、第2のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極と、を有する第2の基板と、を積層して備え、第1のトランジスタと第2のトランジスタは、それぞれの貫通電極を介して電気的に並列接続された半導体素子である。 That is, according to one embodiment of the present invention, a first transistor using an oxide semiconductor for a semiconductor layer and three through electrodes that are electrically connected to a gate electrode layer, a source electrode layer, and a drain electrode layer of the first transistor, respectively. A first substrate having an oxide semiconductor as a semiconductor layer, and three through holes electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the second transistor, respectively. The first transistor and the second transistor are semiconductor elements that are electrically connected in parallel via respective through electrodes.

上記本発明の一態様によれば、半導体材料に酸化物半導体を用いることによって、高耐圧で、低損失である、パワーデバイスに適した性質を兼ね備えたトランジスタを作製できる。また、酸化物半導体膜は成膜温度が他のパワーデバイス用半導体材料と比較して低いため、基板の大型化にも対応でき、量産性のよいトランジスタを作製できる。 According to one embodiment of the present invention, by using an oxide semiconductor as a semiconductor material, a transistor having high breakdown voltage and low loss and characteristics suitable for a power device can be manufactured. In addition, since the oxide semiconductor film has a lower deposition temperature than other semiconductor materials for power devices, the substrate can be increased in size and a transistor with high productivity can be manufactured.

また、本発明の一態様は、基板を積層して、トランジスタを電気的に並列接続することにより、素子の面積を巨大化させることなく、実質的なW長を長くすることが可能であり、パワーデバイスに必要な大電流を速やかに流すことのできる半導体素子を提供できる。 Further, according to one embodiment of the present invention, it is possible to increase the substantial W length without enlarging the area of the element by stacking the substrates and electrically connecting the transistors in parallel. It is possible to provide a semiconductor element capable of promptly flowing a large current necessary for a power device.

また、本発明の一態様は、基板を貫通する貫通電極を用いる半導体素子である。貫通電極による積層方法では、電極層から引き出す配線の長さが自由に設定できるため、基板が巨大化しても配線の長さを自由に設定することができ、配線からの熱の発生や、配線抵抗を低減できる。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor element using a through electrode that penetrates a substrate. In the stacking method using the through electrode, the length of the wiring drawn out from the electrode layer can be set freely, so that the length of the wiring can be set freely even if the substrate becomes large, generating heat from the wiring, Resistance can be reduced.

また、上記半導体素子において、酸化物半導体は、3eV以上のバンドギャップ有する酸化物半導体からなることが好ましい。その結果、耐圧性に優れたトランジスタを提供することができる。 In the above semiconductor element, the oxide semiconductor is preferably formed of an oxide semiconductor having a band gap of 3 eV or more. As a result, a transistor with excellent withstand voltage can be provided.

また、上記半導体素子において、第1の基板及び第2の基板にシリコン基板を用いることが好ましい。シリコン基板を用いることで、半導体チップを積層しても、シリコンの優れた放熱性により、熱による半導体素子の劣化を防止できる。また、シリコンは加工性がよいため、貫通電極作製時の孔あけ加工を容易に行うことができる。 In the semiconductor element, a silicon substrate is preferably used for the first substrate and the second substrate. By using a silicon substrate, even when semiconductor chips are stacked, deterioration of the semiconductor element due to heat can be prevented due to the excellent heat dissipation of silicon. In addition, since silicon has good workability, it is possible to easily perform drilling when forming the through electrode.

また、上記半導体素子において、第1の基板及び第2の基板に絶縁性基板を用いてもよい。絶縁性基板を用いることで、貫通電極と基板の導通を防ぐ絶縁膜の形成が不要となり、工程が簡略化されるため好ましい。 In the semiconductor element, an insulating substrate may be used for the first substrate and the second substrate. The use of an insulating substrate is preferable because it is not necessary to form an insulating film that prevents conduction between the through electrode and the substrate, and the process is simplified.

また、本発明の一態様は、上記半導体素子を用いた半導体装置である。その結果、高耐圧で、大電流の制御が可能である、高性能な半導体装置を提供することができる。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device using the above semiconductor element. As a result, a high-performance semiconductor device that can control a large current with a high breakdown voltage can be provided.

また、本発明の一態様は、基板の第1の領域に第1のトランジスタと、基板の第2の領域に第2のトランジスタとを作製し、第1のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層、並びに第2のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層と、それぞれ電気的に接続する6つの貫通電極を作製し、第1の領域を備える第1の半導体チップと、第2の領域を備える第2の半導体チップとを、基板を分断して形成する第1のステップと、第1の半導体チップ及び第2の半導体チップを積層し、第1のトランジスタと第2のトランジスタを、貫通電極を介して電気的に並列接続させる第2のステップを有する半導体素子の作製方法である。その結果、W長の長い半導体素子を、素子の面積を巨大化させることなく作製することができるため、基板の不良等の影響を受けにくく、効率よく半導体素子を作製することができる。 According to one embodiment of the present invention, a first transistor in a first region of a substrate and a second transistor in a second region of the substrate are manufactured, and a gate electrode layer and a source electrode layer of the first transistor are manufactured. A first semiconductor chip including a first region, and six through electrodes electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the second transistor and the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the second transistor; The first step of forming the second semiconductor chip having the second region by dividing the substrate, the first semiconductor chip and the second semiconductor chip are stacked, and the first transistor and the second semiconductor chip are stacked. This is a method for manufacturing a semiconductor device having a second step of electrically connecting the transistors in parallel through a through electrode. As a result, since a semiconductor element having a long W length can be manufactured without enlarging the area of the element, the semiconductor element can be efficiently manufactured without being affected by a substrate defect or the like.

なお、本明細書中において、半導体チップとは半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタと、トランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極、を有する基板を有する。 Note that in this specification, a semiconductor chip includes a transistor that uses an oxide semiconductor for a semiconductor layer, and three through electrodes that are electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the transistor, respectively. Having a substrate.

また、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」又は「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極層」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極層との間に他の構成要素を含むものを除外しない。また、「上」「下」の用語は説明の便宜のために用いる表現に過ぎず、特に言及する場合を除き、その上下を入れ替えたものも含む。 Further, in this specification and the like, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the constituent elements is “directly above” or “directly below”. For example, the expression “a gate electrode layer over a gate insulating layer” does not exclude the case where another component is included between the gate insulating layer and the gate electrode layer. In addition, the terms “upper” and “lower” are merely expressions used for convenience of explanation, and include terms in which the top and bottom are interchanged unless otherwise specified.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

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

本発明の一態様によれば、高耐圧で、大電流の制御が可能であり、かつ量産性に優れた半導体素子を提供できる。
また、該半導体素子を用いた半導体装置を提供できる。また、該半導体素子の作製方法を提供できる。
According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor element that has high breakdown voltage, can control a large current, and is excellent in mass productivity.
In addition, a semiconductor device using the semiconductor element can be provided. In addition, a method for manufacturing the semiconductor element can be provided.

実施の態様に係る半導体素子を説明する図。10A and 10B illustrate a semiconductor element according to an embodiment. 実施の態様に係る半導体素子の作製方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment. 実施の態様に係る半導体素子の作製方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment. 実施の態様に係る半導体素子の作製方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment. 実施の態様に係るトランジスタの作製方法を説明する図。10A to 10D illustrate a method for manufacturing a transistor according to an embodiment. 実施の態様に係るコンバータ回路を説明する図。FIG. 9 illustrates a converter circuit according to an embodiment.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。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。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

(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素子の構造及び作製方法について図1〜図4を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structure and a manufacturing method of a semiconductor element of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1(A)(B)に、本発明の一態様の半導体素子の構造の一例を示す。図1(B)は本発明の一態様の半導体素子の上面図を示す。図1(A)は、図1(B)におけるP1−P2間の断面図である。 1A and 1B illustrate an example of a structure of a semiconductor element of one embodiment of the present invention. FIG. 1B is a top view of a semiconductor element of one embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the line P1-P2 in FIG.

本発明の一態様は図4(C)に示すように、半導体チップを複数積層して作製する半導体素子である。積層する半導体チップの枚数は2枚以上であれば何枚でもよく、要求される性能に合わせて適宜決定することができる。本実施の形態では、半導体チップが導電体を介して2つ積層されている構成について説明する。図1(A)に示すように、半導体素子は、半導体チップ100aと半導体チップ100bとが導電体207を介して接続する構成となっている。 One embodiment of the present invention is a semiconductor element manufactured by stacking a plurality of semiconductor chips as illustrated in FIG. The number of semiconductor chips to be stacked may be any number as long as it is two or more, and can be appropriately determined according to required performance. In this embodiment, a structure in which two semiconductor chips are stacked with a conductor interposed therebetween will be described. As shown in FIG. 1A, the semiconductor element has a structure in which a semiconductor chip 100a and a semiconductor chip 100b are connected to each other through a conductor 207.

<半導体チップの構成>
続いて、半導体チップについて図1を用いて説明する。図1(A)(B)に示す半導体チップ100aは、1つのトランジスタ130aと、該トランジスタ130aのゲート電極層111aと電気的に接続する貫通電極120a、ソース電極層106aと電気的に接続する貫通電極121a、ドレイン電極層107aと電気的に接続する貫通電極122aの3つの貫通電極を備えている。また、図1(A)に示すように、半導体チップ100bはトランジスタ130b及び3つの貫通電極を備える。本実施の形態において、半導体チップが備えるトランジスタはすべて同一の構成とする。なお、本発明の一態様の半導体チップの構成はこれに限らず、1つの半導体チップが複数のトランジスタを備えていてもよい。
<Configuration of semiconductor chip>
Next, the semiconductor chip will be described with reference to FIG. A semiconductor chip 100a illustrated in FIGS. 1A and 1B includes one transistor 130a, a through electrode 120a electrically connected to the gate electrode layer 111a of the transistor 130a, and a through electrode electrically connected to the source electrode layer 106a. Three through electrodes of a through electrode 122a electrically connected to the electrode 121a and the drain electrode layer 107a are provided. Further, as shown in FIG. 1A, the semiconductor chip 100b includes a transistor 130b and three through electrodes. In this embodiment mode, all transistors included in the semiconductor chip have the same configuration. Note that the structure of the semiconductor chip of one embodiment of the present invention is not limited to this, and one semiconductor chip may include a plurality of transistors.

<トランジスタの構成>
本実施の形態の半導体チップが備えるトランジスタは半導体層に酸化物半導体を用いる。
<Structure of transistor>
In the transistor included in the semiconductor chip of this embodiment, an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer.

以下にトランジスタ130aの構成を説明する。トランジスタ130bは、トランジスタ130aと同様の構成を有する。重複する説明を避けるため、トランジスタ130aの構成の説明をもってトランジスタ130bの説明に援用する。 The structure of the transistor 130a is described below. The transistor 130b has a structure similar to that of the transistor 130a. In order to avoid overlapping description, the description of the structure of the transistor 130a is used for the description of the transistor 130b.

本実施の形態では、トップゲート・トップコンタクト構造のトランジスタを半導体チップが有する構成を例に用いて説明するが、本発明の一態様の半導体素子に用いることができるトランジスタの構成はこの構成に特に限定されず、ボトムゲート型構造を用いてもトップゲート型構造を用いても良い。さらに、ボトムコンタクト構造を用いても、トップコンタクト構造を用いても良い。 In this embodiment, a structure in which a semiconductor chip includes a top-gate / top-contact transistor is described as an example; however, a structure of a transistor that can be used for a semiconductor element of one embodiment of the present invention is There is no limitation, and a bottom gate type structure or a top gate type structure may be used. Furthermore, a bottom contact structure or a top contact structure may be used.

図1(A)において、トランジスタ130aはシリコン基板101a上に、シリコン基板101aを覆う下地膜103aと、下地膜103a上の島状の酸化物半導体層105aと、酸化物半導体層105aと接する一対のソース電極層106a及びドレイン電極層107aと、酸化物半導体層105a、ソース電極層106a及びドレイン電極層107aを覆うように形成されたゲート絶縁層109aと、ゲート絶縁層109a上において、酸化物半導体層105aのチャネル形成領域と重なるゲート電極層111aと、ゲート電極層111a、及びゲート絶縁層109aを覆う保護絶縁層113aを有する。また、ソース配線116aはゲート絶縁層109aに形成した開口部を介してソース電極層106aと電気的に接続しており、ドレイン配線117aはゲート絶縁層109aに形成した開口部を介してドレイン電極層107aと電気的に接続する。 In FIG. 1A, a transistor 130a includes a base film 103a covering the silicon substrate 101a, an island-shaped oxide semiconductor layer 105a over the base film 103a, and a pair of electrodes in contact with the oxide semiconductor layer 105a. The source electrode layer 106a and the drain electrode layer 107a, the oxide semiconductor layer 105a, the gate insulating layer 109a formed so as to cover the source electrode layer 106a and the drain electrode layer 107a, and the oxide semiconductor layer over the gate insulating layer 109a The gate electrode layer 111a overlaps with the channel formation region 105a, and the protective insulating layer 113a covers the gate electrode layer 111a and the gate insulating layer 109a. The source wiring 116a is electrically connected to the source electrode layer 106a through an opening formed in the gate insulating layer 109a, and the drain wiring 117a is connected to the drain electrode layer through an opening formed in the gate insulating layer 109a. It is electrically connected to 107a.

なお、本実施の形態では基板にシリコン基板を用いたが、半導体チップを作製する基板には特に制限はない。シリコン基板は加工性に優れ、貫通電極作製時の孔あけが容易であることから、好適に用いることができる。さらに、シリコンの優れた放熱性により、トランジスタを積層しても、熱による半導体素子の劣化を防止できる。なお、絶縁体よりなる絶縁性基板を用いると、貫通電極と基板の導通を防ぐ絶縁膜201の形成工程が不要となる。絶縁性基板としては、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板や、BCB(ベンゾシクロブタン)、エポキシ等の絶縁性樹脂基板(有機絶縁性基板)や、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。 Note that although a silicon substrate is used as the substrate in this embodiment, there is no particular limitation on a substrate on which a semiconductor chip is manufactured. A silicon substrate is excellent in workability, and can be suitably used because it is easy to make a hole when forming a through electrode. Furthermore, due to the excellent heat dissipation of silicon, deterioration of a semiconductor element due to heat can be prevented even when transistors are stacked. Note that when an insulating substrate made of an insulator is used, a step of forming the insulating film 201 for preventing conduction between the through electrode and the substrate becomes unnecessary. Insulating substrates include glass substrates such as barium borosilicate glass and alumino borosilicate glass, insulating resin substrates (organic insulating substrates) such as BCB (benzocyclobutane) and epoxy, ceramic substrates, quartz substrates, and sapphire substrates. Etc. can be used.

<貫通電極の構成>
半導体チップには、トランジスタとは重畳しない領域において、貫通電極が設けられている。ゲート電極層111aは貫通電極120aと電気的に接続し、ソース電極層106aは貫通電極121aと電気的に接続し、ドレイン電極層107aは貫通電極122aと電気的に接続している(図1(B)参照)
<Configuration of through electrode>
The semiconductor chip is provided with a through electrode in a region that does not overlap with the transistor. The gate electrode layer 111a is electrically connected to the through electrode 120a, the source electrode layer 106a is electrically connected to the through electrode 121a, and the drain electrode layer 107a is electrically connected to the through electrode 122a (FIG. 1 ( (See B)

それぞれの貫通電極は半導体チップの上面及び半導体チップの下面に露出している。 Each through electrode is exposed on the upper surface of the semiconductor chip and the lower surface of the semiconductor chip.

<電気的な接続関係>
すでに説明したように、半導体素子は半導体チップ100aと半導体チップ100bとを接続した素子である。具体的には、ゲート電極層と接続した貫通電極同士、ソース電極層と接続した貫通電極同士、ならびにドレイン電極層と接続した貫通電極同士が、それぞれ導電体207によって電気的に接続している。すなわち、トランジスタ130aと、トランジスタ130bは電気的に並列接続している。
<Electrical connection>
As already described, the semiconductor element is an element in which the semiconductor chip 100a and the semiconductor chip 100b are connected. Specifically, the through electrodes connected to the gate electrode layer, the through electrodes connected to the source electrode layer, and the through electrodes connected to the drain electrode layer are electrically connected by the conductor 207, respectively. That is, the transistor 130a and the transistor 130b are electrically connected in parallel.

以上のように、本実施の形態の半導体素子は半導体層に酸化物半導体を用いる第1のトランジスタと、第1のトランジスタのゲート電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極と、を有する第1の基板と、半導体層に酸化物半導体を用いる第2のトランジスタと、第2のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極と、を有する第2の基板とが積層された構成となっている。さらに、第1のトランジスタと第2のトランジスタは、それぞれの貫通電極を介して電気的に並列接続されている。 As described above, the semiconductor element of this embodiment is electrically connected to the first transistor using an oxide semiconductor for the semiconductor layer, the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the first transistor. A first substrate having three through electrodes, a second transistor using an oxide semiconductor as a semiconductor layer, and a gate electrode layer, a source electrode layer, and a drain electrode layer of the second transistor, respectively, The second substrate having three through electrodes to be connected is laminated. Further, the first transistor and the second transistor are electrically connected in parallel through the respective through electrodes.

本実施の形態の半導体素子は、貫通電極によってトランジスタが並列接続されているため、トランジスタの面積を大きくすることなく、実質的なW長を長くすることが可能であり、高移動度の半導体素子を提供することができる。 In the semiconductor element of this embodiment, since transistors are connected in parallel by through electrodes, the substantial W length can be increased without increasing the area of the transistor, and the semiconductor element having high mobility Can be provided.

また、本実施の形態の半導体素子は、半導体層に酸化物半導体を用いているため、高耐圧で、大電流の制御が可能であるという特性を有する。そのため、大電流を扱うパワーデバイス等の半導体素子に適している。 In addition, since the semiconductor element of this embodiment uses an oxide semiconductor for a semiconductor layer, it has a characteristic that a high current can be controlled with a high breakdown voltage. Therefore, it is suitable for a semiconductor device such as a power device that handles a large current.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1に例示した半導体素子の作製方法について図2〜図4を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a method for manufacturing the semiconductor element exemplified in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.

半導体素子の作製方法は2つのステップからなる。具体的には、複数のトランジスタと、トランジスタのゲート電極層、ソース電極層、並びにドレイン電極層の各々に電気的に接続する貫通電極とをシリコン基板101上に作製し(図4(A)参照)、シリコン基板101を分断して半導体チップ100を作製する第1のステップ(図4(B)参照)と、複数の半導体チップ100を積層して(図4(C)参照)、互いの貫通電極を接続する第2のステップ(図4(D)参照)からなる。 The manufacturing method of a semiconductor element consists of two steps. Specifically, a plurality of transistors and through electrodes that are electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the transistors are formed over the silicon substrate 101 (see FIG. 4A). ), A first step (see FIG. 4B) for dividing the silicon substrate 101 to fabricate the semiconductor chip 100, and a plurality of semiconductor chips 100 are stacked (see FIG. 4C) to penetrate each other. It consists of the 2nd step (refer FIG.4 (D)) which connects an electrode.

つまり、基板の第1の領域に第1のトランジスタと、基板の第2の領域に第2のトランジスタとを作製し、第1のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極を第1の領域に、第2のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極を第2の領域に作製し、第1の領域を備える第1の半導体チップと、第2の領域を備える第2の半導体チップとを、基板を分断して形成する第1のステップと、第1の半導体チップ及び第2の半導体チップを積層し、第1のトランジスタと第2のトランジスタを、貫通電極を介して電気的に並列接続させる第2のステップを有する半導体素子の作製方法である。 That is, the first transistor in the first region of the substrate and the second transistor in the second region of the substrate are manufactured, and the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the first transistor are electrically connected to each other. Three through electrodes that are electrically connected to each other are formed in the first region, and three through electrodes that are electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the second transistor are respectively formed in the second region. , A first step of forming a first semiconductor chip having a first region and a second semiconductor chip having a second region by dividing a substrate, a first semiconductor chip and a second semiconductor chip This is a method for manufacturing a semiconductor element having a second step of stacking semiconductor chips and electrically connecting a first transistor and a second transistor in parallel via a through electrode.

<第1のステップ>
シリコン基板101上に半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタを複数作製する。なお、トランジスタの作製方法の詳細は実施の形態3で説明する。
<First step>
A plurality of transistors using an oxide semiconductor for a semiconductor layer are formed over a silicon substrate 101. Note that details of a manufacturing method of the transistor will be described in Embodiment 3.

続いて、トランジスタ同士を接続する貫通電極を作製する。 Subsequently, a through electrode for connecting the transistors is manufactured.

貫通電極の作製プロセスを、図2及び図3を用いて説明する。なお、図2及び図3にはトランジスタのドレイン電極層107と導通する貫通電極122の作製プロセスのみについて図示し、ソース電極層または、ゲート電極層111と導通する貫通電極については、ドレイン電極層107と導通する貫通電極122と同様の工程で作製するものとし、説明及び図示を省略する。 A process for manufacturing the through electrode will be described with reference to FIGS. Note that FIGS. 2 and 3 illustrate only a manufacturing process of the through electrode 122 that is electrically connected to the drain electrode layer 107 of the transistor. For the through electrode that is electrically connected to the source electrode layer or the gate electrode layer 111, the drain electrode layer 107 is illustrated. It is manufactured in the same process as the through electrode 122 that is electrically connected to the electrode, and the description and illustration are omitted.

図2(B)に示すように、貫通電極122を埋め込むためのビア200を形成する。ビア200は、保護絶縁層113にドレイン配線117の上面に達する開口と、トランジスタとは重畳しない領域に保護絶縁層113、ゲート絶縁層109、下地膜103を貫き、シリコン基板101に凹部を形成する開口とからなる(図2(B)参照)。なお、ビア200は基板にシリコンウェハを用いた場合にはエッチングやレーザを用いて形成し、ガラスを用いた場合には異方性エッチングが困難であることから、サンドブラストやレーザ等を用いて形成する。 As shown in FIG. 2B, a via 200 for embedding the through electrode 122 is formed. The via 200 penetrates the protective insulating layer 113, the gate insulating layer 109, and the base film 103 in an opening that reaches the upper surface of the drain wiring 117 in the protective insulating layer 113 and a region that does not overlap with the transistor, and forms a recess in the silicon substrate 101. It consists of an opening (see FIG. 2B). The via 200 is formed using etching or laser when a silicon wafer is used as the substrate, and is formed using sand blasting or laser because it is difficult to perform anisotropic etching when glass is used. To do.

次いで、図2(C)に示すように、基板を熱処理することによって絶縁膜201(酸化膜もしくは窒化膜)をシリコン基板101に形成する。本実施の形態では、シリコン基板101に熱酸化処理を行うことにより、酸化膜を形成する。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行うことが好ましい。例えば、塩素(Cl)が添加された酸化性雰囲気中で単結晶シリコン基板に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された酸化膜を形成することができる。なお、基板に絶縁体からなる絶縁性基板を用いる場合、熱処理は不要である。 Next, as shown in FIG. 2C, an insulating film 201 (oxide film or nitride film) is formed on the silicon substrate 101 by heat-treating the substrate. In this embodiment, an oxide film is formed by performing thermal oxidation treatment on the silicon substrate 101. The thermal oxidation treatment is preferably performed by adding halogen in an oxidizing atmosphere. For example, by performing thermal oxidation treatment on a single crystal silicon substrate in an oxidizing atmosphere to which chlorine (Cl) is added, a chlorine-oxidized oxide film can be formed. Note that when an insulating substrate made of an insulator is used as the substrate, heat treatment is unnecessary.

なお、基板の熱処理によって、ゲート電極層111、ソース配線及びドレイン配線117上に絶縁膜が形成された場合は、該絶縁膜をエッチングして、導電層を露出する必要がある。 Note that in the case where an insulating film is formed over the gate electrode layer 111, the source wiring, and the drain wiring 117 by heat treatment of the substrate, the insulating film needs to be etched to expose the conductive layer.

次いで、図2(D)に示すように、ビア200に導電性バリア膜203を形成する。導電性バリア膜203は配線205からの金属の拡散を防ぐ保護膜としての機能を有している。導電性バリア膜203には、窒化タンタル、窒化チタン,又は窒化タングステン、炭化タンタル(TaC)、炭化チタン(TiC)から選ばれた一種或いは複数種の材料を用いればよい。また、シリコンを有する3次元系アモルファスバリア膜を用いてもよい。 Next, as illustrated in FIG. 2D, a conductive barrier film 203 is formed in the via 200. The conductive barrier film 203 functions as a protective film that prevents diffusion of metal from the wiring 205. The conductive barrier film 203 may be formed using one or more materials selected from tantalum nitride, titanium nitride, tungsten nitride, tantalum carbide (TaC), and titanium carbide (TiC). Further, a three-dimensional amorphous barrier film having silicon may be used.

導電性バリア膜203の形成はPVD法やCVD法等の成膜法、スパッタリング法を用いて行うことができる。例えば窒化チタン膜の場合、窒素とアルゴンとをスパッタリングガスとし、出力150Wで成膜すればよい。多結晶構造を有し、粒界の存在により拡散防止機能が向上される。なお、このとき、スパッタの出力をあげること、アルゴンガスの流量比を大きくすること、基板の温度を高くして成膜すること等により、緻密な膜を形成し、バリア性を高めることができる。本実施の形態では、窒化タンタル膜を用いる。窒化タンタル膜は、バリア性が高い導電膜であること、また、後の工程で、研磨することを考えた場合、CMP法(Chemical−Mechanical−Polishing:化学的・機械的研磨法)を用いて容易に加工が可能であることから、本実施の形態に用いる導電性バリア膜に適している。 The conductive barrier film 203 can be formed using a film formation method such as a PVD method or a CVD method, or a sputtering method. For example, in the case of a titanium nitride film, nitrogen and argon may be used as a sputtering gas and formed at an output of 150 W. It has a polycrystalline structure, and the diffusion preventing function is improved by the presence of grain boundaries. At this time, a dense film can be formed and the barrier property can be improved by increasing the sputtering output, increasing the flow rate ratio of argon gas, or increasing the temperature of the substrate. . In this embodiment, a tantalum nitride film is used. The tantalum nitride film is a conductive film having a high barrier property, and when polishing in a later step is considered, a CMP method (Chemical-Mechanical-Polishing) is used. Since it can be easily processed, it is suitable for the conductive barrier film used in this embodiment.

次いで、図2(E)に示すように、ビア200に配線205を埋め込む。配線には、Cu、Ag、Ni等の金属を用いる。配線方法としてはCVD法、スパッタリング法、リモートプラズマ法、メッキ法等を用いて形成される。マルチチャンバーを用いることで、導電性バリア膜と配線とを大気にさらすことなく連続成膜することが可能となる。このように連続成膜を行うことにより、界面への不純物の付着を防止することができ、良好な成膜を行うことが可能になる。 Next, as illustrated in FIG. 2E, the wiring 205 is embedded in the via 200. A metal such as Cu, Ag, or Ni is used for the wiring. As a wiring method, a CVD method, a sputtering method, a remote plasma method, a plating method, or the like is used. By using the multi-chamber, the conductive barrier film and the wiring can be continuously formed without being exposed to the atmosphere. By performing continuous film formation in this manner, adhesion of impurities to the interface can be prevented and good film formation can be performed.

エッチングにより、導電性バリア膜203及び配線205を所望の形状にエッチングする。なお、メッキによる配線の埋め込みでは、最初から選択的に配線205を形成することも可能である。 By etching, the conductive barrier film 203 and the wiring 205 are etched into a desired shape. Note that in the wiring embedding by plating, the wiring 205 can be selectively formed from the beginning.

次いで、図3(A)に示すように、配線205上に保護層115を形成する。保護層115は、プラズマCVD法またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、保護層115は、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、酸化窒化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、または酸化タンタル膜などから選ばれた一又は複数の膜により単層で、又は積層させて形成することができる。 Next, as illustrated in FIG. 3A, the protective layer 115 is formed over the wiring 205. The protective layer 115 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. The protective layer 115 includes a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum oxynitride film, an aluminum nitride oxide film, a hafnium oxide film, or a tantalum oxide. One or a plurality of films selected from a film and the like can be formed as a single layer or stacked.

次いで、図3(B)に示すように、配線205を上面及び下面に露出させる。上面において、保護層115及び配線205を研磨することによって、配線205を上面に露出させるとともに、該上面を平坦化する。下面においては、基板101、絶縁膜201、及び導電性バリア膜203を研磨して、配線205を露出させるとともに、該下面を平坦化する。平坦化処理としては、研磨処理やレーザの照射処理を行うことができる。研磨処理や、レーザ光の照射処理は複数回行ってもよいし、組み合わせて行ってもよい。また、処理の順序も限定されず、適宜選択することができる。レーザ光の照射処理に代えてランプ光の照射処理を行ってもよい。 Next, as illustrated in FIG. 3B, the wiring 205 is exposed on the upper surface and the lower surface. By polishing the protective layer 115 and the wiring 205 on the upper surface, the wiring 205 is exposed to the upper surface and the upper surface is planarized. On the lower surface, the substrate 101, the insulating film 201, and the conductive barrier film 203 are polished to expose the wiring 205 and planarize the lower surface. As the planarization treatment, polishing treatment or laser irradiation treatment can be performed. The polishing process and the laser beam irradiation process may be performed a plurality of times or in combination. Further, the order of processing is not limited and can be selected as appropriate. A lamp light irradiation process may be performed instead of the laser light irradiation process.

配線205が上面及び下面に露出したことによって、ドレイン電極層107が半導体チップの上面及び下面に導通した。図3(B)に示すとおり、トランジスタの上面及び下面と各電極層をつなぐ、配線205及び導電性バリア膜203のことを貫通電極122と呼ぶ。 Since the wiring 205 was exposed on the upper and lower surfaces, the drain electrode layer 107 was conducted to the upper and lower surfaces of the semiconductor chip. As shown in FIG. 3B, the wiring 205 and the conductive barrier film 203 that connect the upper and lower surfaces of the transistor and each electrode layer are referred to as a through electrode 122.

次いで、図3(C)に示すように、導電体207を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 3C, a conductor 207 is formed.

導電体207は、導電性微粒子、導電性粉末を含む導電性ペースト、または、導電性微粒子、導電性粉末を含む導電性液体のような流動性を有する導電性材料で形成することが好ましい。このような導電性材料を用いることで、液滴吐出法(インクジェット法、ディスペンサ法などの方法が含まれる)、スクリーン印刷法などの印刷法などにより、導電体207を形成することが可能である。これらの方法は、CVD装置、スパッタ装置のような複雑な成膜装置での成膜工程、およびフォトマスクを形成するための露光工程を行うことなく、必要な箇所に凸状の導電体207を形成することが可能である。 The conductor 207 is preferably formed using a conductive material having fluidity, such as a conductive paste containing conductive fine particles or conductive powder, or a conductive liquid containing conductive fine particles or conductive powder. By using such a conductive material, the conductor 207 can be formed by a droplet discharge method (including methods such as an inkjet method and a dispenser method), a printing method such as a screen printing method, and the like. . In these methods, the convex conductor 207 is formed at a necessary place without performing a film formation process in a complicated film formation apparatus such as a CVD apparatus or a sputtering apparatus, and an exposure process for forming a photomask. It is possible to form.

導電性ペースト及び導電性液体は、導電性微粒子、導電性粉末が分散された材料、またはこれらが溶解している導電性材料である。例えば、導電性液体に含まれる導電性粉体または導電性微粒子の材料としては、例えばAg、Au、Cu、Ni、Pt、Pd、Ndなどの金属、これらの金属材料の合金(例えばAg−Pd)、酸化インジウム、酸化亜鉛などの導電性酸化物材料などがあげられる。また、導電性粉体、または導電性微粒子を溶解させるまたは分散させるための媒質(溶媒、分散剤)としては、例えば、紫外線硬化樹脂などの光硬化性樹脂や、熱硬化性樹脂の前駆体材料があげられる。紫外線硬化樹脂としてはアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂があげられる。また、熱硬化樹脂としてはポリイミド系樹脂があげられる。 The conductive paste and the conductive liquid are conductive fine particles, a material in which conductive powder is dispersed, or a conductive material in which these are dissolved. For example, as the material of the conductive powder or conductive fine particles contained in the conductive liquid, for example, metals such as Ag, Au, Cu, Ni, Pt, Pd, Nd, and alloys of these metal materials (for example, Ag-Pd) ), Conductive oxide materials such as indium oxide and zinc oxide. Moreover, as a medium (solvent, dispersing agent) for dissolving or dispersing conductive powder or conductive fine particles, for example, a photocurable resin such as an ultraviolet curable resin, or a precursor material of a thermosetting resin Can be given. Examples of the ultraviolet curable resin include acrylic resins and epoxy resins. An example of the thermosetting resin is a polyimide resin.

続いて、基板101を切断し、個々の半導体チップ100に分断する(図4(B)参照)。切り分けには、ダイシング、スクライビング、又はレーザーカット法等を用いて、選択的に分断することができる。 Subsequently, the substrate 101 is cut and divided into individual semiconductor chips 100 (see FIG. 4B). For cutting, dicing, scribing, laser cutting, or the like can be used to selectively divide.

上記のように、基板上に複数のトランジスタを作製してから切り分けることによって、良品のトランジスタと、パーティクル等の影響を受けた不良品のトランジスタとに選別することが可能であり、良品のみを選択的に積層することができるため、半導体素子を効率的に作製することが可能である。 As described above, by fabricating a plurality of transistors on a substrate and then separating them, it is possible to sort them into non-defective transistors and defective transistors affected by particles, etc. Therefore, the semiconductor element can be efficiently manufactured.

以上の工程で半導体チップ100を形成できる。 The semiconductor chip 100 can be formed through the above steps.

<第2のステップ>
次いで、図3(D)に示すように、切り分けた半導体チップ100を上下に積層させ、貫通電極122及び導電体207を介して並列接続する。
<Second step>
Next, as shown in FIG. 3D, the cut semiconductor chips 100 are stacked one above the other and connected in parallel through the through electrode 122 and the conductor 207.

導電体207と基板下面に露出した貫通電極が重なるように接触させて、半導体チップ同士を電気的に接続する。半導体チップ同士の固定方法としては、貫通電極同士をはんだ等で固定し、さらに、接続信頼性を向上させるため、封止樹脂によって固定することも可能である。使用する樹脂としては光硬化性の樹脂や熱硬化性のもの或いは自然硬化性の樹脂等を用いることができる。 The semiconductor chip is electrically connected by bringing the conductor 207 and the through electrode exposed on the lower surface of the substrate into contact with each other so as to overlap each other. As a method for fixing the semiconductor chips, it is possible to fix the through electrodes to each other with solder or the like, and to fix them with a sealing resin in order to improve connection reliability. As the resin to be used, a photocurable resin, a thermosetting resin, a naturally curable resin, or the like can be used.

上下に積層する半導体チップの個数は自由に決めることができ、要求される性能に応じて積層する個数を変えればよい。 The number of semiconductor chips stacked above and below can be freely determined, and the number stacked may be changed according to the required performance.

以上のように、本実施の形態の半導体素子を作製することができる。 As described above, the semiconductor element of this embodiment can be manufactured.

本実施の形態の半導体素子は、半導体層に、酸化物半導体を用いているため、高耐圧で、大電流の制御が可能であるという特性を有する。そのため、大電流を扱うパワーデバイス等の半導体素子に適している。 Since the semiconductor element of this embodiment uses an oxide semiconductor for a semiconductor layer, it has a characteristic that a high current can be controlled with a high breakdown voltage. Therefore, it is suitable for a semiconductor device such as a power device that handles a large current.

本実施の形態の半導体素子は、貫通電極によって、トランジスタを並列接続させているため、トランジスタの実質的なW長を長くすることができ、パワーデバイスに適した高移動度を実現する。 In the semiconductor element of this embodiment, transistors are connected in parallel by through electrodes, so that the substantial W length of the transistors can be increased and high mobility suitable for a power device is realized.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1乃至2で示した半導体素子に適用可能なトランジスタの作製方法について図5を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a method for manufacturing a transistor that can be applied to the semiconductor elements described in Embodiments 1 and 2 will be described with reference to FIGS.

本実施の形態のトランジスタは半導体層に酸化物半導体を用いる。本実施の形態の半導体層に用いる酸化物半導体は、n型不純物である水素を酸化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することによりI型(真性)の酸化物半導体、またはI型(真性)に限りなく近い酸化物半導体としたものである。 In the transistor of this embodiment, an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer. The oxide semiconductor used for the semiconductor layer in this embodiment is purified by removing hydrogen that is an n-type impurity from the oxide semiconductor so that impurities other than the main components of the oxide semiconductor are included as much as possible. The oxide semiconductor is an I-type (intrinsic) oxide semiconductor or an oxide semiconductor close to I-type (intrinsic).

なお、高純度化された酸化物半導体中ではキャリアが極めて少なく、キャリア濃度は1×1014/cm未満、好ましくは1×1012/cm未満、さらに好ましくは1×1011/am未満となる。また、このようにキャリアが少ないことで、オフ状態における電流(オフ電流)は十分に小さくなる。 Note that the number of carriers in the highly purified oxide semiconductor is extremely small, and the carrier concentration is less than 1 × 10 14 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 12 / cm 3 , and more preferably 1 × 10 11 / am 3. Less than. In addition, since the number of carriers is small in this manner, the current in the off state (off current) is sufficiently small.

具体的には、上述の酸化物半導体層を具備するトランジスタでは、オフ状態でのソースとドレイン間のチャネル幅1μmあたりのリーク電流密度(オフ電流密度)は、ソースとドレイン間の電圧が3.5V、使用時の温度条件下(例えば、25℃)において、100zA/μm(1×10−19A/μm)以下、もしくは10zA/μm(1×10−20A/μm)以下、さらには、1zA/μm(1×10−21A/μm)以下とすることができる。 Specifically, in the transistor including the above-described oxide semiconductor layer, the leakage current density (off-current density) per channel width of 1 μm between the source and the drain in the off state is 3. 5 V, under temperature conditions during use (for example, 25 ° C.), 100 zA / μm (1 × 10 −19 A / μm) or less, or 10 zA / μm (1 × 10 −20 A / μm) or less, 1 zA / μm (1 × 10 −21 A / μm) or less.

また、高純度化された酸化物半導体層を具備するトランジスタは、オン電流の温度依存性がほとんど見られず、高温状態においてもオフ電流は非常に小さいままである。 In addition, in a transistor including a highly purified oxide semiconductor layer, the temperature dependence of on-state current is hardly observed, and the off-state current remains very small even in a high temperature state.

まず、基板101上に下地膜103を形成する。 First, the base film 103 is formed on the substrate 101.

下地膜としては、例えば、酸化ケイ素膜、酸化窒化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、窒化アルミニウム膜、または、窒化酸化アルミニウム膜のいずれか一つを単層で、あるいは複数を積層させて用いることができる。 As the base film, for example, any one of a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, and an aluminum nitride oxide film is formed as a single layer or a plurality of layers are stacked. Can be used.

本実施の形態では、シリコン基板に熱酸化処理を行うことにより、下地膜103として熱酸化膜(ここでは酸化ケイ素膜)を形成する。 In this embodiment, a thermal oxidation treatment (here, a silicon oxide film) is formed as the base film 103 by performing thermal oxidation treatment on the silicon substrate.

基板101の裏面(トランジスタが形成されない面)に形成された熱酸化膜が不要であれば、エッチングや研磨によって除去してもよい。 If the thermal oxide film formed on the back surface (the surface on which the transistor is not formed) of the substrate 101 is unnecessary, it may be removed by etching or polishing.

なお、本明細書中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物質であり、また、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物質をいう。例えば、酸化窒化ケイ素とは、酸素が50原子%以上70原子%以下、窒素が0.5原子%以上15原子%以上、ケイ素が25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の範囲で含まれる物質とすることができる。また、窒化酸化ケイ素とは、酸素が5原子%以上35原子%以下、窒素が20原子%以上55原子%以下、ケイ素が25原子%以上35原子%以下、水素が10原子%以上30原子%以下の範囲で含まれる物質とすることができる。ただし、上記組成の範囲は、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)や、水素前方散乱法(HFS:Hydrogen Forward Scattering)を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が100原子%を超えない値をとる。 Note that in this specification, an oxynitride is a substance having a higher oxygen content than nitrogen as a composition, and a nitrided oxide is a nitrogen content higher than oxygen as a composition. A substance. For example, silicon oxynitride refers to oxygen of 50 atomic% to 70 atomic%, nitrogen of 0.5 atomic% to 15 atomic%, silicon of 25 atomic% to 35 atomic%, and hydrogen of 0.1 atomic% The substance can be contained in the range of 10 atomic% or less. In addition, silicon nitride oxide refers to oxygen of 5 atomic% to 35 atomic%, nitrogen of 20 atomic% to 55 atomic%, silicon of 25 atomic% to 35 atomic%, and hydrogen of 10 atomic% to 30 atomic%. The substance can be included in the following ranges. However, the range of the said composition is a thing when it measures using Rutherford backscattering method (RBS: Rutherford Backscattering Spectrometry) and the hydrogen forward scattering method (HFS: Hydrogen Forward Scattering). Further, the content ratio of the constituent elements takes a value that the total does not exceed 100 atomic%.

特に、下地膜103に、バリア性の高い絶縁膜、例えば窒化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜窒化アルミニウム膜、または、窒化酸化アルミニウム膜などを用いることで、水分、または、水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板101内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体層105内に入り込むのを防ぐことができる。 In particular, by using an insulating film with high barrier properties such as a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, or an aluminum nitride oxide film as the base film 103, impurities in an atmosphere such as moisture or hydrogen Alternatively, impurities such as alkali metal and heavy metal contained in the substrate 101 can be prevented from entering the oxide semiconductor layer 105.

なお、酸化物半導体中に含まれる、Li、Na等のアルカリ金属、及びCa等のアルカリ土類金属等の不純物は低減されていることが好ましい。具体的にはSIMSに検出されるNaが5×1016/cm以下、好ましくは1×1016/cm以下、さらに好ましくは1×1015/cm以下であり、Liが5×1015/cm以下、好ましくは1×1015/cm以下であり、Kは5×1015/cm以下、好ましくは1×1015/cm以下であることが好ましい。 Note that impurities such as alkali metals such as Li and Na and alkaline earth metals such as Ca contained in the oxide semiconductor are preferably reduced. Specifically, Na detected by SIMS is 5 × 10 16 / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 15 / cm 3 or less, and Li is 5 × 10 5 or less. It is 15 / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 / cm 3 or less, and K is 5 × 10 15 / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 / cm 3 or less.

アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少ない方がよい。特にアルカリ金属のうち、Naは酸化物半導体と接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Naとなる。また、酸化物半導体内において、金属と酸素の結合を分析し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化(例えば、ノーマリオン化、閾値の負へのシフト)をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は特に酸化物半導体中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体中の水素の濃度が5×1019/cm以下、特に5×1018/cm以下である場合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。 Alkali metals and alkaline earth metals are malignant impurities for oxide semiconductors, and fewer are better. In particular, among alkali metals, Na diffuses into an Na + when the insulating film in contact with the oxide semiconductor is an oxide. In addition, in the oxide semiconductor, a bond between a metal and oxygen is analyzed or interrupted during the bond. As a result, the transistor characteristics are deteriorated (for example, normally-on, threshold shift to negative). In addition, it causes variation in characteristics. Such a problem becomes significant particularly when the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor is sufficiently low. Therefore, when the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor is 5 × 10 19 / cm 3 or less, particularly 5 × 10 18 / cm 3 or less, the alkali metal concentration is strongly required to be the above value. .

次に、下地膜103上に、酸化物半導体成膜用ターゲットを用い、スパッタ法により酸化物半導体膜を成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(代表的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス(代表的にはアルゴン)及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。 Next, an oxide semiconductor film is formed over the base film 103 by a sputtering method using a target for forming an oxide semiconductor. The oxide semiconductor film can be formed by a sputtering method in a rare gas (typically argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a rare gas (typically argon) and oxygen mixed atmosphere.

なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、下地膜103に付着している粉状物質(パーティクル、ごみともいう)を除去することが好ましい。逆スパッタとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素等を用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、及び亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、及び四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。 Note that before the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, reverse sputtering that generates plasma by introducing argon gas is performed, so that a powdery substance (also referred to as particles or dust) attached to the base film 103 is removed. It is preferable to remove. Reverse sputtering is a method for modifying the surface by forming a plasma near the substrate by applying a voltage to the substrate side using an RF power source in an argon atmosphere. Note that nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used instead of the argon atmosphere. Alternatively, an argon atmosphere may be used in which oxygen, nitrous oxide, or the like is added. Alternatively, an argon atmosphere may be used in which chlorine, carbon tetrafluoride, or the like is added.

酸化物半導体膜に用いられる酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn―O系酸化物半導体、In−Sn−Zn−O系酸化物半導体、In−Al−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Al−Ga−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Al−Zn−O系や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系酸化物半導体、Sn−Zn−O系酸化物半導体、Al−Zn−O系酸化物半導体、Zn−Mg−O系酸化物半導体、Sn−Mg−O系酸化物半導体、In−Mg−O系酸化物半導体、In−Ga−O系酸化物半導体や、一元系金属酸化物であるIn−O系酸化物半導体、Sn−O系酸化物半導体、Zn−O系酸化物半導体などの酸化物半導体を用いることができる。また、上記酸化物半導体膜に酸化ケイ素を含ませてもよい。酸化物半導体膜に結晶化を阻害する酸化ケイ素(SiOx(X>0))を含ませることで、製造プロセス中において酸化物半導体層の形成後に加熱処理した場合に、結晶化してしまうのを抑制することができる。なお、酸化物半導体層は非晶質な状態であることが好ましく、一部結晶化していてもよい。ここで、例えば、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体とは、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する酸化物膜という意味であり、その組成比は特に問わない。また、InとGaとZn以外の元素を含んでもよい。 Examples of the oxide semiconductor used for the oxide semiconductor film include an In—Sn—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor that is a quaternary metal oxide and an In—Ga—Zn— that is a ternary metal oxide. O-based oxide semiconductor, In-Sn-Zn-O-based oxide semiconductor, In-Al-Zn-O-based oxide semiconductor, Sn-Ga-Zn-O-based oxide semiconductor, Al-Ga-Zn-O-based Oxide semiconductors, Sn-Al-Zn-O-based and In-Zn-O-based oxide semiconductors that are binary metal oxides, Sn-Zn-O-based oxide semiconductors, Al-Zn-O-based oxides It is a semiconductor, a Zn-Mg-O-based oxide semiconductor, a Sn-Mg-O-based oxide semiconductor, an In-Mg-O-based oxide semiconductor, an In-Ga-O-based oxide semiconductor, or a unitary metal oxide. In-O oxide semiconductor, Sn-O oxide semiconductor, Zn-O oxide semiconductor It can be used an oxide semiconductor such. Further, silicon oxide may be included in the oxide semiconductor film. By including silicon oxide (SiOx (X> 0)) that inhibits crystallization in the oxide semiconductor film, crystallization is suppressed when heat treatment is performed after the formation of the oxide semiconductor layer in the manufacturing process. can do. Note that the oxide semiconductor layer is preferably in an amorphous state and may be partially crystallized. Here, for example, an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor means an oxide film containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn), and there is no particular limitation on the composition ratio. . Moreover, elements other than In, Ga, and Zn may be included.

また、酸化物半導体膜は、InMO(ZnO)(m>0)で表記される薄膜を用いることができる。ここで、MはGa、Al、Mn、Coから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばMとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、又はGa及びCoなどがある。 As the oxide semiconductor film, a thin film represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0) can be used. Here, M represents one or more metal elements selected from Ga, Al, Mn, and Co. For example, M includes Ga, Ga and Al, Ga and Mn, or Ga and Co.

本実施の形態の酸化物半導体は、好ましくはInを含有する酸化物半導体、さらに好ましくは、In及びGaを含有する酸化物半導体である。酸化物半導体層をI型(真性)とするため、脱水化または脱水素化は有効である。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてIn―Ga―Zn−O系酸化物半導体成膜用ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。 The oxide semiconductor of this embodiment is preferably an oxide semiconductor containing In, and more preferably an oxide semiconductor containing In and Ga. Since the oxide semiconductor layer is i-type (intrinsic), dehydration or dehydrogenation is effective. In this embodiment, the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method using an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor target for film formation.

In−Ga−Zn−O系酸化物半導体成膜用ターゲットの例としては、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体成膜用ターゲット(組成比として、In:Ga:ZnO=1:1:1[mol数比])などを用いることもできる。また、In、Ga、およびZnを含む酸化物半導体成膜用ターゲットとして、In:Ga:ZnO=1:1:2[mol数比]、又はIn:Ga:ZnO=1:1:4[mol数比]の組成比を有するターゲットを用いることもできる。酸化物半導体成膜用ターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下である。充填率の高い酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。 As an example of an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor film formation target, an oxide semiconductor film formation target containing In, Ga, and Zn (composition ratio: In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 1 [molar ratio]) or the like can also be used. As a target for forming an oxide semiconductor film containing In, Ga, and Zn, In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio], or In 2 O 3 : Ga 2 A target having a composition ratio of O 3 : ZnO = 1: 1: 4 [molar ratio] can also be used. The filling rate of the oxide semiconductor target for film formation is 90% to 100%, preferably 95% to 99.9%. By using an oxide semiconductor target for film formation with a high filling rate, the formed oxide semiconductor film becomes a dense film.

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

次いで、酸化物半導体膜を第1のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層105に加工する。(図5(A)参照)。また、島状の酸化物半導体層105を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 Next, the oxide semiconductor film is processed into an island-shaped oxide semiconductor layer 105 through a first photolithography step. (See FIG. 5A). Further, a resist mask for forming the island-shaped oxide semiconductor layer 105 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.

なお、ここでの酸化物半導体膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。 Note that the etching of the oxide semiconductor film here may be either dry etching or wet etching, or both.

ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl)、塩化硼素(BCl)、塩化ケイ素(SiCl)、四塩化炭素(CCl)など)が好ましい。 As an etching gas used for dry etching, a gas containing chlorine (chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ), boron chloride (BCl 3 ), silicon chloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like) is preferable. .

また、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四フッ化炭素(CF)、フッ化硫黄(SF)、フッ化窒素(NF)、トリフルオロメタン(CHF)など)、臭化水素(HBr)、酸素(O)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加したガス、等を用いることが出来る。 In addition, a gas containing fluorine (fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur fluoride (SF 6 ), nitrogen fluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), etc.), hydrogen bromide ( HBr), oxygen (O 2 ), a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases, or the like can be used.

ドライエッチング法としては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。 As the dry etching method, a parallel plate RIE (Reactive Ion Etching) method or an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used.

ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。 As an etchant used for wet etching, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, or the like can be used. In addition, ITO07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) may be used.

また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によって除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体層に含まれるインジウム等の材料を回収して再利用することにより、資源を有効に活用し低コスト化することができる。 In addition, the etchant after the wet etching is removed by cleaning together with the etched material. The waste solution of the etching solution containing the removed material may be purified and the contained material may be reused. By recovering and reusing materials such as indium contained in the oxide semiconductor layer from the waste liquid after the etching, resources can be effectively used and costs can be reduced.

所望の加工形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件(エッチング液、エッチング時間、温度等)を適宜調節する。 Etching conditions (such as an etchant, etching time, and temperature) are adjusted as appropriate depending on the material so that the material can be etched into a desired shape.

本実施の形態では、エッチング液として燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液を用いたウェットエッチング法により、酸化物半導体膜を島状の酸化物半導体層105に加工する。 In this embodiment, the oxide semiconductor film is processed into the island-shaped oxide semiconductor layer 105 by a wet etching method using a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid as an etchant.

次いで、酸化物半導体層105に第1の加熱処理を施す。酸素、窒素、超乾燥空気(水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)雰囲気下において酸化物半導体層105に加熱処理を施すことで、水分、水素が脱離した酸化物半導体層105が形成される。第1の加熱処理の温度は、250℃以上750℃以下、または、400℃以上基板の歪み点未満とする。例えば、500℃、3分間以上6分間以下程度で行ってもよい。加熱処理にRTA法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、基板の歪み点を超える温度でも処理することができる。 Next, first heat treatment is performed on the oxide semiconductor layer 105. The oxide semiconductor layer 105 is subjected to heat treatment in an atmosphere of oxygen, nitrogen, ultra-dry air (air with a water content of 20 ppm or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less), or a rare gas (such as argon or helium). By applying, the oxide semiconductor layer 105 from which moisture and hydrogen are released is formed. The temperature of the first heat treatment is 250 ° C. or higher and 750 ° C. or lower, or 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the substrate. For example, it may be performed at 500 ° C. for about 3 minutes to 6 minutes. When the RTA method is used for the heat treatment, dehydration or dehydrogenation can be performed in a short time, and thus the treatment can be performed at a temperature exceeding the strain point of the substrate.

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA装置(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。 Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and may include a device for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element. For example, a rapid thermal annealing (RTA) apparatus such as a GRTA apparatus (Gas Rapid Thermal Anneal) apparatus or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) apparatus can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

例えば、第1の加熱処理として、650℃〜700℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処理が可能となる。 For example, as the first heat treatment, the substrate is moved into an inert gas heated to a high temperature of 650 ° C. to 700 ° C., heated for several minutes, and then moved to a high temperature by moving the substrate to a high temperature. GRTA may be performed from When GRTA is used, high-temperature heat treatment can be performed in a short time.

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

また、第1の加熱処理で酸化物半導体層を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のNOガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガスまたはNOガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスまたはNOガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガスまたはNOガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又はNOガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及び電気的にI型(真性)化する。 In addition, after the oxide semiconductor layer is heated by the first heat treatment, high purity oxygen gas, high purity N 2 O gas, or ultra dry air (CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) method) is used in the same furnace. The amount of water measured using a dew point meter may be 20 ppm (air at dew point conversion of −55 ° C.) or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less. It is preferable that water, hydrogen, and the like are not contained in the oxygen gas or N 2 O gas. Alternatively, the purity of the oxygen gas or N 2 O gas introduced into the heat treatment apparatus is 6 N or more, preferably 7 N or more (that is, the impurity concentration in the oxygen gas or N 2 O gas is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less). It is preferable that By supplying oxygen, which is a main component material of the oxide semiconductor, which is simultaneously reduced by the impurity removal step by dehydration or dehydrogenation treatment by the action of oxygen gas or N 2 O gas, the oxide The semiconductor layer is highly purified and electrically made I-type (intrinsic).

また、酸化物半導体層の第1の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化物半導体膜に行うこともできる。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。 The first heat treatment of the oxide semiconductor layer can be performed on the oxide semiconductor film before being processed into the island-shaped oxide semiconductor layer. In that case, after the first heat treatment, the substrate is taken out of the heating apparatus and a photolithography process is performed.

酸化物半導体層105に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層成膜後、酸化物半導体層105上にソース電極層106及びドレイン電極層107を積層させた後、ソース電極層及び、ドレイン電極層上にゲート絶縁層109を形成した後、などのいずれで行ってもよい。 The heat treatment that exerts the effects of dehydration and dehydrogenation on the oxide semiconductor layer 105 is performed by stacking the source electrode layer 106 and the drain electrode layer 107 over the oxide semiconductor layer 105 after forming the oxide semiconductor layer. After the gate insulating layer 109 is formed over the source electrode layer and the drain electrode layer, this may be performed.

以上の工程により、島状の酸化物半導体層中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それにより酸化物半導体層の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体層を形成することができる。このため大面積基板を用いてトランジスタを作製することができ、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低いトランジスタを作製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体膜の成膜以降であれば、いつでも行うことができる。 Through the above steps, the concentration of hydrogen in the island-shaped oxide semiconductor layer can be reduced and high purity can be achieved. Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer can be achieved. In addition, an oxide semiconductor layer with an extremely low carrier density and a wide band gap can be formed by heat treatment at a temperature lower than or equal to the glass transition temperature. Therefore, a transistor can be manufactured using a large-area substrate, and mass productivity can be improved. In addition, by using the highly purified oxide semiconductor layer with reduced hydrogen concentration, a transistor with high withstand voltage and extremely low off-state current can be manufactured. The heat treatment can be performed at any time after the oxide semiconductor film is formed.

なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、その表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にc軸配向した単結晶体であることが好ましい。なお、酸化物半導体膜下の下地膜の表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り平坦であることが望まれる。 Note that in the case of heating an oxide semiconductor film, a plate-like crystal may be formed on the surface of the oxide semiconductor film, depending on a material of the oxide semiconductor film and heating conditions. The plate-like crystal is preferably a single crystal having a c-axis orientation substantially perpendicular to the surface of the oxide semiconductor film. Note that in the case where the surface of the base film under the oxide semiconductor film has unevenness, the plate-like crystal becomes a polycrystalline body. Therefore, it is desirable that the underlying surface be as flat as possible.

また、酸化物半導体層を2回に分けて成膜し、2回に分けて加熱処理を行うことで、下地部材の材料が、酸化物、窒化物、金属など材料を問わず、膜厚の厚い結晶領域(単結晶領域)、即ち、膜表面に垂直にc軸配向した結晶領域を有する酸化物半導体層を形成してもよい。例えば、3nm以上15nm以下の第1の酸化物半導体膜を成膜し、窒素、酸素、希ガス、または乾燥空気の雰囲気下で450℃以上850℃以下、好ましくは550℃以上750℃以下の第1の加熱処理を行い、表面を含む領域に結晶領域(板状結晶を含む)を有する第1の酸化物半導体膜を形成する。そして、第1の酸化物半導体膜よりも厚い第2の酸化物半導体膜を形成し、450℃以上850℃以下、好ましくは600℃以上700℃以下の第2の加熱処理を行い、第1の酸化物半導体膜を結晶成長の種として、上方に結晶成長させ、第2の酸化物半導体膜の全体を結晶化させ、結果として膜厚の厚い結晶領域を有する酸化物半導体層を形成してもよい。 In addition, the oxide semiconductor layer is formed in two steps, and the heat treatment is performed in two steps, so that the material of the base member can be formed regardless of the material such as oxide, nitride, or metal. An oxide semiconductor layer having a thick crystal region (single crystal region), that is, a c-axis aligned crystal region perpendicular to the film surface may be formed. For example, a first oxide semiconductor film with a thickness of 3 nm to 15 nm is formed and 450 ° C. to 850 ° C., preferably 550 ° C. to 750 ° C. in an atmosphere of nitrogen, oxygen, a rare gas, or dry air. 1 is performed, so that a first oxide semiconductor film having a crystal region (including a plate crystal) in a region including the surface is formed. Then, a second oxide semiconductor film thicker than the first oxide semiconductor film is formed, and a second heat treatment is performed at 450 ° C. to 850 ° C., preferably 600 ° C. to 700 ° C., Even if an oxide semiconductor film is used as a seed for crystal growth, crystal growth is performed upward, the entire second oxide semiconductor film is crystallized, and as a result, an oxide semiconductor layer having a thick crystal region is formed. Good.

次いで、酸化物半導体層105上にソース電極層106及びドレイン電極層107となる導電膜を形成する。ソース電極及びドレイン電極となる導電膜の材料としては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側もしくは上側にCr、Ta、Ti、Mo、Wなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、Si、Ti、Ta、W、Mo、Cr、Nd、Sc、YなどAl膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているAl材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。 Next, a conductive film to be the source electrode layer 106 and the drain electrode layer 107 is formed over the oxide semiconductor layer 105. As a material for the conductive film to be a source electrode and a drain electrode, an element selected from Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W, an alloy containing the above elements as a component, or a combination of the above elements Alloy films and the like. Alternatively, a high melting point metal film such as Cr, Ta, Ti, Mo, or W may be laminated below or above the metal film such as Al or Cu. Moreover, heat resistance is improved by using an Al material to which an element for preventing generation of hillocks and whiskers generated in an Al film such as Si, Ti, Ta, W, Mo, Cr, Nd, Sc, and Y is added. Is possible.

また、導電膜は単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する2層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成膜する3層構造などがあげられる。 The conductive film may have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is laminated on an aluminum film, a titanium film, an aluminum film laminated on the titanium film, and a titanium film formed on the titanium film. Examples include a three-layer structure that forms a film.

また、導電膜は導電性の金属酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ合金(In―SnO、ITOと略記する)、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In―ZnO)または前記金属酸化物材料にシリコンもしくは酸化ケイ素を含ませたものを用いることができる。 The conductive film may be formed using a conductive metal oxide. Examples of the conductive metal oxide include indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium oxide tin oxide alloy (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), An indium oxide-zinc oxide alloy (In 2 O 3 —ZnO) or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide can be used.

導電膜成膜後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。 In the case where heat treatment is performed after formation of the conductive film, it is preferable that the conductive film have heat resistance enough to withstand the heat treatment.

次いで、第2のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層106及びドレイン電極層107を形成した後、レジストマスクを除去する。(図5(B)参照)。 Next, a resist mask is formed over the conductive film by a second photolithography step, and selective etching is performed to form the source electrode layer 106 and the drain electrode layer 107, and then the resist mask is removed. (See FIG. 5B).

第2のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やKrFレーザ光やArFレーザ光を用いる。酸化物半導体層105上で隣り合うソース電極層の下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成されるトランジスタのチャネル長Lが決定される。なお、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合には、数nm〜数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extrem Ultraviolet)を用いてフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長Lを10nm以上1000nm以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流が極めて小さいため、低消費電力も図ることができる。 Ultraviolet, KrF laser light, or ArF laser light is used for light exposure for forming the resist mask in the second photolithography process. The channel length L of a transistor to be formed later is determined by the gap width between the lower end portion of the source electrode layer adjacent to the oxide semiconductor layer 105 and the lower end portion of the drain electrode layer. Note that in the case of performing exposure with a channel length L of less than 25 nm, it is preferable to perform exposure when forming a resist mask in a photolithography process using extreme ultraviolet (Extreme Ultraviolet) having an extremely short wavelength of several nm to several tens of nm. . Exposure by extreme ultraviolet light has a high resolution and a large depth of focus. Therefore, the channel length L of a transistor to be formed later can be 10 nm to 1000 nm, the operation speed of the circuit can be increased and the off-state current is extremely small, so that low power consumption can be achieved.

なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層105がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。 Note that each material and etching conditions are adjusted as appropriate so that the oxide semiconductor layer 105 is not removed as much as possible when the conductive film is etched.

本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用い、アンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)を用いて、導電膜をウェットエッチングすることで、ソース電極及びドレイン電極層107を形成する。あるいは、塩素(Cl)、塩化ホウ素(BCl)などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしてもよい。 In this embodiment mode, a titanium film is used as the conductive film, and the conductive film is wet-etched using ammonia overwater (31 wt% hydrogen peroxide solution: 28 wt% ammonia water: water = 5: 2: 2). Thus, the source and drain electrode layers 107 are formed. Alternatively, the conductive film may be dry-etched using a gas containing chlorine (Cl 2 ), boron chloride (BCl 3 ), or the like.

上記パターニングによりソース電極層106及びドレイン電極層107を形成する際に、島状の酸化物半導体層105の露出した部分が一部エッチングされることで、島状の酸化物半導体層105に溝部(凹部)が形成されることもある。また、ソース電極層106及びドレイン電極層107を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 When the source electrode layer 106 and the drain electrode layer 107 are formed by the above patterning, a part of the exposed portion of the island-shaped oxide semiconductor layer 105 is etched, whereby a groove ( (Concave part) may be formed. Further, a resist mask for forming the source electrode layer 106 and the drain electrode layer 107 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.

また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度を持たせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクによって形成されたレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形させることができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも異なる2種類以上のパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。 In addition, in order to reduce the number of photomasks used in the photolithography process and the number of processes, the etching process may be performed using a resist mask formed by a multi-tone mask that gives transmitted light multistage intensity. A resist mask formed using a multi-tone mask has a shape with a plurality of thicknesses, and the shape can be further changed by etching. Therefore, the resist mask can be used for a plurality of etching steps for processing into different patterns. Therefore, a resist mask corresponding to at least two different patterns can be formed by using one multi-tone mask. Therefore, the number of exposure masks can be reduced, and the corresponding photolithography process can be reduced, so that the process can be simplified.

次いで、NO、N、またはAr等のガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層105の表面に付着した吸着水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いて、プラズマ処理を行ってもよい。 Next, plasma treatment using a gas such as N 2 O, N 2 , or Ar may be performed. Adsorbed water or the like attached to the surface of the oxide semiconductor layer 105 exposed by this plasma treatment is removed. Further, plasma treatment may be performed using a mixed gas of oxygen and argon.

次いで、ゲート絶縁層109を形成する。ゲート絶縁層109は、スパッタリング法等を用いて、酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、酸化窒化ケイ素層、窒化酸化ケイ素層、酸化ハフニウム層、酸化タンタル層、又は酸化アルミニウム層を単層で又は積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁層109中に水素が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層109を成膜することが好ましい。スパッタリング法により酸化ケイ素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。 Next, the gate insulating layer 109 is formed. The gate insulating layer 109 is formed by a single layer or a stack of a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, a silicon oxynitride layer, a silicon nitride oxide layer, a hafnium oxide layer, a tantalum oxide layer, or an aluminum oxide layer by a sputtering method or the like. Can be formed. Note that the gate insulating layer 109 is preferably formed by a sputtering method so that the gate insulating layer 109 does not contain a large amount of hydrogen. In the case of forming a silicon oxide film by a sputtering method, a silicon target or a quartz target is used as a target, and oxygen or a mixed gas of oxygen and argon is used as a sputtering gas.

酸化物半導体は、水素が含有されると特性に悪影響を及ぼす。そのため、酸化物半導体層105と接するゲート絶縁層109は、水素、酸素等の不純物を極力含まないことが望ましい。スパッタリング法により酸化窒化ケイ素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は、石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。 An oxide semiconductor adversely affects characteristics when hydrogen is contained. Therefore, it is preferable that the gate insulating layer 109 in contact with the oxide semiconductor layer 105 contain as little impurities as possible such as hydrogen and oxygen. In the case of forming a silicon oxynitride film by a sputtering method, a silicon target or a quartz target is used as a target, and oxygen or a mixed gas of oxygen and argon is used as a sputtering gas.

本実施の形態の酸化物半導体は、不純物を除去することによりI型化又は実質的にI型化された酸化物半導体(高純度化された酸化物半導体)を用いる。このような高純度化された酸化物半導体は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、ゲート絶縁層109との界面は重要である。そのため高純度化された酸化物半導体に接するゲート絶縁層(GI)は高品質が要求される。 As the oxide semiconductor of this embodiment, an oxide semiconductor (a highly purified oxide semiconductor) that is i-type or substantially i-type by removing impurities is used. Since such a highly purified oxide semiconductor is extremely sensitive to interface states and interface charges, the interface with the gate insulating layer 109 is important. Therefore, the gate insulating layer (GI) in contact with the highly purified oxide semiconductor is required to have high quality.

バリア性の高い材料を用いた絶縁層と、含まれる窒素の比率が低い酸化ケイ素膜、酸化窒化ケイ素膜などの絶縁膜とを積層させた構造を有するゲート絶縁層109を形成してもよい。この場合、酸化ケイ素膜、酸化窒化ケイ素膜などの絶縁膜は、バリア性を有する絶縁膜と酸化物半導体層の間に形成する。バリア性の高い絶縁膜として、例えば窒化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などがあげられる。バリア性を有する絶縁膜を用いることで、水分、または水素などの雰囲気中の不純物、または基板内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体層内、ゲート絶縁層109内、その近傍等に入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層に接するように、含まれる窒素の比率が低い酸化ケイ素膜、酸化窒化ケイ素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体層に接するのを防ぐことができる。 The gate insulating layer 109 may have a structure in which an insulating layer using a material having a high barrier property and an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with a low ratio of nitrogen contained are stacked. In this case, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is formed between the insulating film having a barrier property and the oxide semiconductor layer. Examples of the insulating film having a high barrier property include a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, and an aluminum nitride oxide film. By using an insulating film having a barrier property, impurities in an atmosphere such as moisture or hydrogen, or impurities such as alkali metals and heavy metals contained in the substrate are formed in the oxide semiconductor layer, the gate insulating layer 109, and the like. It is possible to prevent entry into the vicinity. In addition, by forming an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with a low content of nitrogen so as to be in contact with the oxide semiconductor layer, the insulating film using a material having a high barrier property can be directly oxidized. The contact with the semiconductor layer can be prevented.

なお、ゲート絶縁層109を形成した後に、第2の加熱処理を施してもよい。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、または希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下において、好ましくは200℃以上400℃以下(例えば250℃以下350℃以下)で行う。上記ガスは、水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下であることが望ましい。例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱処理を行う。或いは、第1の加熱処理と同様に高温短時間のRTA処理を行ってもよい。酸素を含むゲート絶縁層109が埋められた後に加熱処理が施されることによって、第1の加熱処理により、酸化物半導体層105に酸素欠損が発生していたとしても、ゲート絶縁層109から酸化物半導体層105に酸素が供与される。そして、酸化物半導体層105に酸素が供与されることで、酸化物半導体層105においてドナーとなる酸素欠損を低減し、化学量論比を満たすことが可能である。その結果、酸化物半導体層105をI型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この第2の加熱処理を行うタイミングは、ゲート絶縁層109の形成後であれば特に限定されない。 Note that second heat treatment may be performed after the gate insulating layer 109 is formed. The heat treatment is preferably performed at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower (for example, 250 ° C. or lower and 350 ° C. or lower) in an atmosphere of nitrogen, ultra-dry air, or a rare gas (such as argon or helium). The gas should have a water content of 20 ppm or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less. For example, heat treatment is performed at 250 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Alternatively, high temperature and short time RTA treatment may be performed as in the first heat treatment. By performing heat treatment after the gate insulating layer 109 containing oxygen is buried, even if oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor layer 105 by the first heat treatment, oxidation is performed from the gate insulating layer 109. Oxygen is supplied to the physical semiconductor layer 105. By supplying oxygen to the oxide semiconductor layer 105, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 105 can be reduced and the stoichiometric ratio can be satisfied. As a result, the oxide semiconductor layer 105 can be made closer to an I-type, variation in electrical characteristics of the transistor due to oxygen vacancies can be reduced, and electrical characteristics can be improved. The timing for performing the second heat treatment is not particularly limited as long as it is after the gate insulating layer 109 is formed.

また、酸素雰囲気下で、酸化物半導体層105に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体層105中においてドナーとなる酸素欠損を低減させてもよい。加熱処理の温度は、例えば100℃以上350℃未満、好ましくは150℃以上250℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれていないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸素中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 Alternatively, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 105 may be reduced by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 105 in an oxygen atmosphere so that oxygen is added to the oxide semiconductor. The temperature of the heat treatment is, for example, 100 ° C. or higher and lower than 350 ° C., preferably 150 ° C. or higher and lower than 250 ° C. It is preferable that the oxygen gas used for the heat treatment under the oxygen atmosphere does not contain water, hydrogen, or the like. Alternatively, the purity of the oxygen gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration in oxygen is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm). Or less).

本実施の形態では、不活性ガス雰囲気下、または、酸素ガス雰囲気下で第2の加熱処理(好ましくは200℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理を行うと、酸化物半導体層の一部(チャネル形成領域)がゲート絶縁層109と接した状態で加熱される。 In this embodiment, second heat treatment (preferably 200 ° C. to 400 ° C., for example, 250 ° C. to 350 ° C.) is performed in an inert gas atmosphere or an oxygen gas atmosphere. For example, the second heat treatment is performed at 250 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. When the second heat treatment is performed, part of the oxide semiconductor layer (a channel formation region) is heated in contact with the gate insulating layer 109.

次いで、ゲート絶縁層109に、ソース電極層106及びドレイン電極層107上面に達する開口を形成する(図5(C)参照)。例えば、第3のフォトリソグラフィ工程を行い、ゲート絶縁層109をエッチングすることにより、開口を形成することができる。エッチングとしてはウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いてもよいが、微細加工の観点からは、ドライエッチングを用いることが好適である。 Next, an opening reaching the top surfaces of the source electrode layer 106 and the drain electrode layer 107 is formed in the gate insulating layer 109 (see FIG. 5C). For example, the opening can be formed by performing the third photolithography step and etching the gate insulating layer 109. As the etching, either wet etching or dry etching may be used. From the viewpoint of fine processing, it is preferable to use dry etching.

次に、当該開口を埋め込み、さらにゲート絶縁層109上を覆うように導電膜を形成する。導電膜の形成はPVD法やCVD法等の成膜法を用いて行うことができる。導電膜の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用いた導電膜、或いはこれらの金属の窒化物を用いることができる。 Next, a conductive film is formed so as to fill the opening and cover the gate insulating layer 109. The conductive film can be formed using a film formation method such as a PVD method or a CVD method. As a material for the conductive film, a metal material such as molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, neodymium, or scandium, a conductive film using an alloy material containing these metal materials as a main component, or a nitride of these metals is used. Can do.

導電膜を形成した後には、エッチング等の方法を用いて導電膜の一部を除去し、ゲート電極層111、ソース電極層106及びドレイン電極層107と導通したソース配線116及びドレイン配線117を作製する(図5(D)参照)。 After the conductive film is formed, part of the conductive film is removed by a method such as etching, so that the source wiring 116 and the drain wiring 117 that are electrically connected to the gate electrode layer 111, the source electrode layer 106, and the drain electrode layer 107 are manufactured. (See FIG. 5D).

なお、ソース配線とは、少なくとも一つのソース電極と別の電極を接続させるための配線のことをいう。 Note that a source wiring refers to a wiring for connecting at least one source electrode to another electrode.

次いで、ゲート絶縁層109、ゲート電極層111、ソース配線116及びドレイン配線117を覆う保護絶縁層113を成膜する(図5(E)参照)。保護絶縁層113は例えば、RFスパッタ法を用いて窒化ケイ素膜を形成する。RFスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁層の成膜方法として好ましい。保護絶縁層は、水分などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、窒化ケイ素膜、窒化アルミニウム膜などを用いる。本実施の形態では、窒化ケイ素膜を用いて保護絶縁層113を形成する。 Next, a protective insulating layer 113 is formed to cover the gate insulating layer 109, the gate electrode layer 111, the source wiring 116, and the drain wiring 117 (see FIG. 5E). As the protective insulating layer 113, for example, a silicon nitride film is formed using an RF sputtering method. The RF sputtering method is preferable as a method for forming the protective insulating layer because of its high productivity. As the protective insulating layer, an inorganic insulating film that does not contain impurities such as moisture and blocks entry of these from the outside is used, and a silicon nitride film, an aluminum nitride film, or the like is used. In this embodiment, the protective insulating layer 113 is formed using a silicon nitride film.

本実施の形態では、保護絶縁層113として、ゲート電極層111まで形成された基板101を100℃から、400℃の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入し、シリコン半導体のターゲットを用いて窒化ケイ素膜を成膜する。この場合においても、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層113を形成することが好ましい。 In this embodiment, as the protective insulating layer 113, the substrate 101 formed up to the gate electrode layer 111 is heated from 100 ° C. to 400 ° C., and a sputtering gas containing high-purity nitrogen from which hydrogen and moisture are removed is used. Then, a silicon nitride film is formed using a silicon semiconductor target. Even in this case, it is preferable to form the protective insulating layer 113 while removing residual moisture in the treatment chamber.

以上の工程で本実施の形態に示すトランジスタが形成される。 Through the above process, the transistor described in this embodiment is formed.

本実施の形態のトランジスタは、半導体層に、酸化物半導体を用いているため、高耐圧で、大電流の制御が可能である。そのため、大電流を扱うパワーデバイス等に用いるトランジスタに適している。 In the transistor of this embodiment, an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer; therefore, a high current can be controlled with a high breakdown voltage. Therefore, it is suitable for a transistor used in a power device that handles a large current.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の半導体装置の一例である電圧変換回路(DC−DCコンバータ)について示す。
(Embodiment 4)
In this embodiment mode, a voltage conversion circuit (DC-DC converter) which is an example of a semiconductor device of the present invention is described.

図6(A)に示すコンバータ回路301は、トランジスタ302、コイル303、ダイオード304、コンデンサ305、直流電源306を有する昇圧回路である。 A converter circuit 301 illustrated in FIG. 6A is a booster circuit including a transistor 302, a coil 303, a diode 304, a capacitor 305, and a DC power supply 306.

なお、本実施の形態において、トランジスタ302またはトランジスタ312として例えば、本発明の一態様の半導体素子を使用することができる。 Note that in this embodiment, the semiconductor element of one embodiment of the present invention can be used as the transistor 302 or the transistor 312, for example.

コイル303の一方の端子は、直流電源306の陽極に電気的に接続されている。コイル303の他方の端子はトランジスタ302のソース或いはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ302のソース或いはドレインの他方は直流電源306の陰極及び、コンデンサ305の一方の端子と電気的に接続されている。コンデンサ305の他方の端子は、ダイオード304の出力端子及び出力端子OUTに電気的に接続されている。なお、直流電源306の陰極、トランジスタ302のソースあるいはドレインの他方、及びコンデンサ305の一方の端子は接地されている。 One terminal of the coil 303 is electrically connected to the anode of the DC power supply 306. The other terminal of the coil 303 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 302. The other of the source and the drain of the transistor 302 is electrically connected to the cathode of the DC power supply 306 and one terminal of the capacitor 305. The other terminal of the capacitor 305 is electrically connected to the output terminal of the diode 304 and the output terminal OUT. Note that the cathode of the DC power supply 306, the other of the source and drain of the transistor 302, and one terminal of the capacitor 305 are grounded.

トランジスタ302はスイッチング素子として機能する。またトランジスタ302のゲートは、コンバータ回路301の制御回路に接続されている。コンバータ回路301の制御回路からの信号により、トランジスタ302はオン状態あるいはオフ状態となる。 The transistor 302 functions as a switching element. The gate of the transistor 302 is connected to the control circuit of the converter circuit 301. The transistor 302 is turned on or off depending on a signal from the control circuit of the converter circuit 301.

スイッチング素子であるトランジスタ302がオン状態のとき、コイル303に流れ込む電流により、コイル303には励磁エネルギーが蓄えられる。 When the transistor 302 that is a switching element is in an ON state, excitation energy is stored in the coil 303 by a current flowing into the coil 303.

トランジスタ302がオフ状態になると、コイル303に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。コイル303から放出される励磁エネルギーに起因する電圧V2が、電圧V1に上積みされる。これによりコンバータ回路301は昇圧回路として機能する。 When the transistor 302 is turned off, the excitation energy stored in the coil 303 is released. The voltage V2 resulting from the excitation energy released from the coil 303 is added to the voltage V1. Thereby, the converter circuit 301 functions as a booster circuit.

トランジスタ302がオン状態の時間が長く、コイル303に蓄えたエネルギーが大きいほど、大電力を取り出すことができる。 The longer the time during which the transistor 302 is on and the larger the energy stored in the coil 303, the larger power can be extracted.

図6(B)に示すコンバータ回路311は、トランジスタ312、コイル313、ダイオード314、コンデンサ315を有する降圧回路である。 A converter circuit 311 illustrated in FIG. 6B is a step-down circuit including a transistor 312, a coil 313, a diode 314, and a capacitor 315.

トランジスタ312のソースあるいはドレインの一方は、直流電源316の陽極に電気的に接続されている。トランジスタ312のソースあるいはドレインの他方は、ダイオード314の出力端子及びコイル313の一方の端子と電気的に接続されている。ダイオード314の入力端子は、直流電源316の陰極及びコンデンサ315の一方の端子に電気的に接続されている。ダイオードの出力端子は、トランジスタ312のソースあるいはドレインの他方及びコイル313の一方の端子と電気的に接続されている。コイル313の一方の端子は、トランジスタ312のソース或いはドレインの他方及びダイオード314の出力端子に電気的に接続されている。コイル313の他方の端子は、コンデンサ315の他方の端子及び出力端子OUTに電気的に接続されている。なお、直流電源316の陰極、ダイオード314の入力端子、及びコンデンサ315の一方の端子は接地されている。 One of the source and the drain of the transistor 312 is electrically connected to the anode of the DC power supply 316. The other of the source and the drain of the transistor 312 is electrically connected to the output terminal of the diode 314 and one terminal of the coil 313. The input terminal of the diode 314 is electrically connected to the cathode of the DC power supply 316 and one terminal of the capacitor 315. An output terminal of the diode is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 312 and one terminal of the coil 313. One terminal of the coil 313 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 312 and the output terminal of the diode 314. The other terminal of the coil 313 is electrically connected to the other terminal of the capacitor 315 and the output terminal OUT. Note that the cathode of the DC power supply 316, the input terminal of the diode 314, and one terminal of the capacitor 315 are grounded.

トランジスタ312はスイッチング素子として機能する。またトランジスタ312のゲートは、コンバータ回路311の制御回路に接続されている。コンバータ回路311の制御回路からの信号により、トランジスタ312はオン状態あるいはオフ状態となる。 The transistor 312 functions as a switching element. The gate of the transistor 312 is connected to the control circuit of the converter circuit 311. The transistor 312 is turned on or off depending on a signal from the control circuit of the converter circuit 311.

スイッチング素子であるトランジスタ312がオン状態のとき、入力から出力に流れる降圧回路の電流により、コイル313には励磁エネルギーが蓄えられる。 When the transistor 312 which is a switching element is in an on state, excitation energy is stored in the coil 313 by the current of the step-down circuit flowing from the input to the output.

トランジスタ312がオフ状態になると、コイル313は電流を保とうとして起電力を発生させ、ダイオード314をオン状態にする。ダイオード314を通じて電流が流れることによって、電圧V2が低下する。電圧V1より電圧V2が低下するため、コンバータ回路311は降圧回路として機能する。なお本実施の形態において、トランジスタ312として例えば電界効果トランジスタを用いることができる。 When the transistor 312 is turned off, the coil 313 generates an electromotive force in an attempt to maintain current, and the diode 314 is turned on. As a current flows through the diode 314, the voltage V2 decreases. Since the voltage V2 is lower than the voltage V1, the converter circuit 311 functions as a step-down circuit. Note that in this embodiment, for example, a field-effect transistor can be used as the transistor 312.

また本実施の形態において、コイル303とコイル313として、基板上にコイル状に形成した配線を用いることができる。 In this embodiment, as the coil 303 and the coil 313, wiring formed in a coil shape over a substrate can be used.

また本実施の形態において、ダイオード304とダイオード314として、例えばショットキーバリアダイオードを用いることができる。 In this embodiment, for example, a Schottky barrier diode can be used as the diode 304 and the diode 314.

また、本実施の形態において、コンデンサ305とコンデンサ315として、例えば第1の電極と、第2の電極と、誘電体と、を有する構成のコンデンサを用いることができる。 In this embodiment, as the capacitor 305 and the capacitor 315, for example, a capacitor having a first electrode, a second electrode, and a dielectric can be used.

本発明の一態様に示した半導体素子は、半導体層に酸化物半導体を用いているため、高耐圧で、大電流の制御が可能であるという特性を有する。そのため、本実施の形態で示した電圧変換回路に用いることによって、大電流を駆動できる回路を作製できる。 The semiconductor element described in one embodiment of the present invention has a characteristic that a high current can be controlled with a high breakdown voltage because an oxide semiconductor is used for a semiconductor layer. Therefore, a circuit capable of driving a large current can be manufactured by using the voltage conversion circuit described in this embodiment mode.

本発明の一態様に示した半導体素子は、貫通電極によって、トランジスタを並列接続させているため、トランジスタの実質的なW長を長くすることができ、パワーデバイスに適した高移動度の半導体素子を提供できる。そのため、本実施の形態で示した電圧変換回路に用いることによって、回路の駆動速度が上昇する。 In the semiconductor element described in one embodiment of the present invention, transistors are connected in parallel by through electrodes, so that a substantial W length of the transistor can be increased, and a high mobility semiconductor element suitable for a power device Can provide. Therefore, the driving speed of the circuit is increased by using the voltage conversion circuit shown in this embodiment mode.

また、本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。 Further, this embodiment can be freely combined with any of the other embodiments.

100 半導体チップ
100a 半導体チップ
100b 半導体チップ
101 基板
101a 基板
103 下地膜
103a 下地膜
105 酸化物半導体層
105a 酸化物半導体層
106 ソース電極層
106a ソース電極層
107 ドレイン電極層
107a ドレイン電極層
109 ゲート絶縁層
109a ゲート絶縁層
111 ゲート電極層
111a ゲート電極層
113 保護絶縁層
113a 保護絶縁層
115 保護層
116 ソース配線
116a ソース配線
117 ドレイン配線
117a ドレイン配線
120a 貫通電極
121a 貫通電極
122 貫通電極
122a 貫通電極
130a トランジスタ
130b トランジスタ
200 ビア
201 絶縁膜
203 導電性バリア膜
205 配線
207 導電体
301 コンバータ回路
302 トランジスタ
303 コイル
304 ダイオード
305 コンデンサ
306 直流電源
311 コンバータ回路
312 トランジスタ
313 コイル
314 ダイオード
315 コンデンサ
316 直流電源
100 Semiconductor chip 100a Semiconductor chip 100b Semiconductor chip 101 Substrate 101a Substrate 103 Base film 103a Base film 105 Oxide semiconductor layer 105a Oxide semiconductor layer 106 Source electrode layer 106a Source electrode layer 107 Drain electrode layer 107a Drain electrode layer 109 Gate insulating layer 109a Gate insulating layer 111 Gate electrode layer 111a Gate electrode layer 113 Protective insulating layer 113a Protective insulating layer 115 Protective layer 116 Source wiring 116a Source wiring 117 Drain wiring 117a Drain wiring 120a Through electrode 121a Through electrode 122 Through electrode 122a Through electrode 130a Transistor 130b Transistor 200 Via 201 Insulating film 203 Conductive barrier film 205 Wiring 207 Conductor 301 Converter circuit 302 Transistor 303 Coil 3 4 the diode 305 the capacitor 306 DC power supply 311 converter circuit 312 transistor 313 coil 314 diode 315 capacitor 316 DC power supply

Claims (6)

半導体層に酸化物半導体を用いる第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極と、を有する第1の基板と、
半導体層に酸化物半導体を用いる第2のトランジスタと、前記第2のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極と、を有する第2の基板と、を積層して備え、
前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタは、それぞれの貫通電極を介して電気的に並列接続された半導体素子。
A first substrate having a first transistor using an oxide semiconductor for a semiconductor layer, and three through electrodes electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the first transistor, respectively When,
A second substrate having a second transistor using an oxide semiconductor for a semiconductor layer, and three through electrodes electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the second transistor, respectively And stacking,
The semiconductor element in which the first transistor and the second transistor are electrically connected in parallel through respective through electrodes.
前記酸化物半導体は、3eV以上のバンドギャップを有する、請求項1に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 1, wherein the oxide semiconductor has a band gap of 3 eV or more. 前記第1の基板及び前記第2の基板はシリコン基板である、請求項1乃至2のいずれか一項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 1, wherein the first substrate and the second substrate are silicon substrates. 前記第1の基板及び前記第2の基板は絶縁性基板である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体素子。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first substrate and the second substrate are insulating substrates. 5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体素子を用いた半導体装置。 The semiconductor device using the semiconductor element as described in any one of Claims 1 thru | or 4. 基板の第1の領域に第1のトランジスタと、前記基板の第2の領域に第2のトランジスタとを作製し、
前記第1のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極を前記第1の領域に、前記第2のトランジスタのゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層とそれぞれ電気的に接続する3つの貫通電極を前記第2の領域に作製し、
前記第1の領域を備える第1の半導体チップと、前記第2の領域を備える第2の半導体チップとを、前記基板を分断して形成する第1のステップと、
前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップを積層し、
前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタを、前記貫通電極を介して電気的に並列接続させる第2のステップを有する半導体素子の作製方法。
Forming a first transistor in a first region of the substrate and a second transistor in a second region of the substrate;
Three through electrodes that are electrically connected to the gate electrode layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer of the first transistor, respectively, are formed in the first region, and the gate electrode layer, the source electrode layer, and the second transistor of the second transistor Three through electrodes that are respectively electrically connected to the drain electrode layer are formed in the second region,
Forming a first semiconductor chip having the first region and a second semiconductor chip having the second region by dividing the substrate;
Laminating the first semiconductor chip and the second semiconductor chip;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a second step of electrically connecting the first transistor and the second transistor in parallel through the through electrode.
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