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TWI845327B - 半導體裝置以及半導體記憶裝置 - Google Patents

半導體裝置以及半導體記憶裝置 Download PDF

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TWI845327B
TWI845327B TW112120578A TW112120578A TWI845327B TW I845327 B TWI845327 B TW I845327B TW 112120578 A TW112120578 A TW 112120578A TW 112120578 A TW112120578 A TW 112120578A TW I845327 B TWI845327 B TW I845327B
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electrode
insulating layer
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Inventor
藤井章輔
野田光太郎
Original Assignee
日商鎧俠股份有限公司
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Publication date
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Abstract

本發明提供一種電晶體特性優異的半導體裝置。實施方式的半導體裝置包括:第一電極;第二電極;閘極電極,設置於第一電極與第二電極之間,在與將第一電極與第二電極連結的第一方向交叉的第二方向上延伸;第一絕緣層;第二絕緣層,在與第一絕緣層之間設置閘極電極;閘極絕緣層,包圍閘極電極;以及氧化物半導體層,包圍閘極絕緣層,且包括閘極絕緣層與第一電極之間的第一區域、閘極絕緣層與第二電極之間的第二區域、閘極絕緣層與第一絕緣層之間的第三區域、以及閘極絕緣層與第二絕緣層之間的第四區域,第一區域的第一厚度以及第二區域的第二厚度為第三區域的第三厚度或第四區域的第四厚度中的至少任一厚度以下。

Description

半導體裝置以及半導體記憶裝置
[相關申請案的引用]
本申請案以日本專利申請案2022-100703(申請日:2022年6月22日)為基礎,自所述申請案中享有優先的利益。本申請案藉由參照所述申請案而包含所述申請案的全部內容。
本發明的實施方式是有關於一種半導體裝置以及半導體記憶裝置。
在氧化物半導體層形成通道的氧化物半導體電晶體具備斷開動作時的通道漏電流極小的優異特性。因此,例如可將氧化物半導體電晶體適用於動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory,DRAM)的記憶胞元的開關電晶體。
本發明所欲解決的課題在於提供一種電晶體特性優異的半導體裝置。
實施方式的半導體裝置包括:第一電極;第二電極;閘極電極,設置於所述第一電極與所述第二電極之間,在與將所述第一 電極與所述第二電極連結的第一方向交叉的第二方向上延伸;第一絕緣層,相對於所述閘極電極而設置於與所述第一方向以及所述第二方向交叉的第三方向上;第二絕緣層,相對於所述閘極電極而設置於所述第三方向上,且在與所述第一絕緣層之間設置所述閘極電極;閘極絕緣層,包圍所述閘極電極,且包括設置於所述閘極電極與所述第一電極之間的第一部分、設置於所述閘極電極與所述第二電極之間的第二部分、設置於所述閘極電極與所述第一絕緣層之間的第三部分以及設置於所述閘極電極與所述第二絕緣層之間的第四部分;以及氧化物半導體層,包圍所述閘極絕緣層,且包括所述第一部分與所述第一電極之間的第一區域、所述第二部分與所述第二電極之間的第二區域、所述第三部分與所述第一絕緣層之間的第三區域、以及所述第四部分與所述第二絕緣層之間的第四區域,所述第一區域的第一厚度以及所述第二區域的第二厚度為所述第三區域的第三厚度或所述第四區域的第四厚度中的至少任一厚度以下。
根據所述結構的半導體裝置,可達成優異的電晶體特性。
10:矽基板
12:下部電極(第一電極)
14:上部電極(第二電極)
16:氧化物半導體層
16a:第一區域
16b:第二區域
16c:第三區域
16d:第四區域
18:閘極電極
20:閘極絕緣層
20a:第一部分
20b:第二部分
20c:第三部分
20d:第四部分
20x:第一膜
20y:第二膜
22:第一絕緣層
24:第二絕緣層
31:第一氧化銦錫膜
32:第一氧化矽膜
33:第一氧化銦鎵鋅膜
34:第一氮化矽膜
35:鎢膜
36:第二氮化矽膜
37:第二氧化矽膜
38:第三氮化矽膜
39:第三氧化矽膜
40:開口部
41:第二氧化銦鎵鋅膜
42:第二氧化銦錫膜
50:第一層間絕緣層
52:第二層間絕緣層
71:胞元電極
72:板電極
73:電容器絕緣膜
100:電晶體(半導體裝置)
101、102:電晶體
200:半導體記憶體(半導體記憶裝置)
900:電晶體
BL:位元線
CA:電容器
MC:記憶胞元
PL:板線
TR:開關電晶體
WL:字元線
t1:第一厚度
t2:第二厚度
t3:第三厚度
t4:第四厚度
t5:第五厚度
t6:第六厚度
t7:第七厚度
t8:第八厚度
A、A1、A2、B、B1、B2:界面
圖1是第一實施方式的半導體裝置的示意剖面圖。
圖2是第一實施方式的半導體裝置的示意剖面圖。
圖3是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖4是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖5是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖6是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖7是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖8是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖9是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖10是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖11是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖12是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。
圖13是比較例的半導體裝置的示意剖面圖。
圖14是第一實施方式的半導體裝置的作用及效果的說明圖。
圖15是第一實施方式的第一變形例的半導體裝置的示意剖面圖。
圖16是第一實施方式的第二變形例的半導體裝置的示意剖面圖。
圖17是第二實施方式的半導體記憶裝置的等價電路圖。
圖18是第二實施方式的半導體記憶裝置的示意剖面圖。
以下,參照附圖來說明本發明的實施方式。再者,以下的說明中,對於相同或類似的構件等標註相同的符號,對於已說明一次的構件等,有時適當省略其說明。
另外,本說明書中,有時為了方便而使用「上」、「下」、「上部」、或「下部」的用語。「上」、「下」、「上部」、或「下部」不過是表示附圖內的相對位置關係的用語,並非是規定相對於重力的位置關係的用語。
構成本說明書中的半導體裝置以及半導體記憶裝置的構件的化學組成的定性分析以及定量分析例如可藉由二次離子質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry,SIMS)、能量分散型X射線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDX)、拉塞福反向散射分析法(Rutherford Back-Scattering Spectroscopy,RBS)來進行。另外,對於構成半導體裝置以及半導體記憶裝置的構件的厚度、構件間的距離、結晶粒徑等的測定,例如能夠使用透射型電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)。
(第一實施方式)
第一實施方式的半導體裝置包括:第一電極;第二電極;閘 極電極,設置於第一電極與第二電極之間,在與將第一電極與第二電極連結的第一方向交叉的第二方向上延伸;第一絕緣層,相對於閘極電極而設置於與第一方向以及第二方向交叉的第三方向上;第二絕緣層,相對於閘極電極而設置於第三方向上,且在與第一絕緣層之間設置閘極電極;閘極絕緣層,包圍閘極電極,且包括設置於閘極電極與第一電極之間的第一部分、設置於閘極電極與第二電極之間的第二部分、設置於閘極電極與第一絕緣層之間的第三部分以及設置於閘極電極與第二絕緣層之間的第四部分;以及氧化物半導體層,包圍閘極絕緣層,且包括第一部分與第一電極之間的第一區域、第二部分與第二電極之間的第二區域、第三部分與第一絕緣層之間的第三區域、以及第四部分與第二絕緣層之間的第四區域,第一區域的第一厚度以及第二區域的第二厚度為第三區域的第三厚度或第四區域的第四厚度中的至少任一厚度以下。
圖1以及圖2是第一實施方式的半導體裝置的示意剖面圖。圖2是圖1的AA'剖面圖。
第一實施方式的半導體裝置為電晶體100。電晶體100是在氧化物半導體中形成通道的氧化物半導體電晶體。在電晶體100中,形成有通道的氧化物半導體層包圍閘極電極而設置。電晶體100為所謂的縱型電晶體。
電晶體100包括下部電極12、上部電極14、氧化物半導體層16、閘極電極18、閘極絕緣層20、第一絕緣層22以及第二絕緣層24。氧化物半導體層16包括第一區域16a、第二區域16b、 第三區域16c以及第四區域16d。閘極絕緣層20包括第一部分20a、第二部分20b、第三部分20c以及第四部分20d。
下部電極12為第一電極的一例。上部電極14為第二電極的一例。
自下部電極12朝向上部電極14的方向為第一方向。第二方向與第一方向交叉。第三方向與第一方向以及第二方向交叉。
例如,第二方向與第一方向垂直。另外,例如,第三方向與第一方向以及第二方向垂直。
在圖1中,上下方向為第一方向。在圖1中,左右方向為第三方向。在圖2中,上下方向為第二方向。在圖2中,左右方向為第三方向。
下部電極12設置於氧化物半導體層16以及閘極電極18的下方。下部電極12電性連接於氧化物半導體層16。下部電極12例如與氧化物半導體層16相接。下部電極12作為電晶體100的源極電極或汲極電極發揮功能。
下部電極12為導電體。下部電極12例如包括氧化物導電體。下部電極12例如包含銦(In)、錫(Sn)以及氧(O)。下部電極12例如包含氧化銦錫。下部電極12例如為氧化銦錫層。
下部電極12例如包含金屬。下部電極12例如包含鎢(W)、鉬(Mo)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)或鉭(Ta)。下部電極12例如包含氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭或碳化鉭。下部電極12例如為鎢層、鉬層、銅層、鋁層、鈦層、鉭層、氮化鎢層、氮化鈦層、氮 化鉭層或碳化鉭層。
下部電極12例如亦可具有多個導電體的積層結構。下部電極12例如為氧化物導電體層與金屬層的積層結構。例如,下部電極12的氧化物半導體層16的一側的表面為氧化物導電體層。
上部電極14設置於氧化物半導體層16以及閘極電極18上。上部電極14電性連接於氧化物半導體層16。上部電極14例如與氧化物半導體層16相接。上部電極14作為電晶體100的源極電極或汲極電極發揮功能。
上部電極14是導電體。上部電極14例如包括氧化物導電體。上部電極14例如包括銦(In)、錫(Sn)以及氧(O)。上部電極14例如包括氧化銦錫。上部電極14例如為氧化銦錫層。
上部電極14例如包括金屬。上部電極14例如包括鎢(W)、鉬(Mo)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)或鉭(Ta)。上部電極14例如包括氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭或碳化鉭。上部電極14例如為鎢層、鉬層、銅層、鋁層、鈦層、鉭層、氮化鎢層、氮化鈦層、氮化鉭層或碳化鉭層。
上部電極14例如亦可具有多個導電體的積層結構。上部電極14例如為氧化物導電體層與金屬層的積層結構。例如,上部電極14的氧化物半導體層16側的表面是氧化物導電體層。
下部電極12與上部電極14例如是由同一材料形成。下部電極12以及上部電極14例如為包含銦(In)、錫(Sn)以及氧(O)的氧化物導電體。下部電極12以及上部電極14例如包含氧 化銦錫。下部電極12以及上部電極14例如為氧化銦錫層。
閘極電極18設置於下部電極12與上部電極14之間。閘極電極18在第二方向上延伸。如圖1所示,閘極電極18在與第一方向及第三方向平行的剖面中被氧化物半導體層16包圍。
閘極電極18為導電體。閘極電極18例如為金屬、金屬化合物或半導體。閘極電極18例如包含鎢(W)。閘極電極18例如為鎢層。
閘極電極18的第一方向的長度例如為20nm以上且100nm以下。
第一絕緣層22相對於閘極電極18而設置於第三方向上。第一絕緣層22例如設置於下部電極12與上部電極14之間。第一絕緣層22例如與氧化物半導體層16相接。
第一絕緣層22為絕緣體。第一絕緣層22例如為氧化物、氮化物或氧氮化物。第一絕緣層22例如包含矽(Si)以及氧(O)。第一絕緣層22例如包含氧化矽。第一絕緣層22例如為氧化矽層。
第二絕緣層24相對於閘極電極18而設置於第三方向上。在第一絕緣層22與第二絕緣層24之間設置閘極電極18。第二絕緣層24例如設置於下部電極12與上部電極14之間。第二絕緣層24例如與氧化物半導體層16相接。
第二絕緣層24為絕緣體。第二絕緣層24例如為氧化物、氮化物或氧氮化物。第二絕緣層24例如包含矽(Si)以及氧(O)。第二絕緣層24例如包含氧化矽。第二絕緣層24例如為氧化矽層。
閘極絕緣層20設置於下部電極12與上部電極14之間。如圖1所示,閘極絕緣層20在與第一方向以及第三方向平行的剖面中包圍閘極電極18。閘極絕緣層20設置於氧化物半導體層16與閘極電極18之間。
閘極絕緣層20與下部電極12分離。閘極絕緣層20與上部電極14分離。
閘極絕緣層20包括第一部分20a、第二部分20b、第三部分20c以及第四部分20d。第一部分20a設置於閘極電極18與下部電極12之間。第二部分20b設置於閘極電極18與上部電極14之間。第三部分20c設置於閘極電極18與第一絕緣層22之間。第四部分20d設置於閘極電極18與第二絕緣層24之間。
閘極絕緣層20例如為氧化物、氮化物或氧氮化物。閘極絕緣層20例如包含氧化矽、氧化鋁、氧化鉿、氮化矽、氮化鋁、氮化鉿、氧氮化矽或氧氮化鉿。閘極絕緣層20例如為氧化矽層、氧化鋁層、氧化鉿層、氮化矽層、氮化鋁層、氮化鉿層、氧氮化矽層或氧氮化鉿層。閘極絕緣層20例如亦可為兩種以上的膜的積層結構。
閘極絕緣層20的厚度例如為2nm以上且10nm以下。
第一部分20a的第五厚度(圖1中的t5)、第二部分20b的第六厚度(圖1中的t6)、第三部分20c的第七厚度(圖1中的t7)以及第四部分20d的第八厚度(圖1中的t8)例如相等。
例如,第一部分20a的第五厚度t5與第二部分20b的第 六厚度t6不同。
氧化物半導體層16設置於下部電極12與上部電極14之間。氧化物半導體層16例如與下部電極12相接。氧化物半導體層16例如與上部電極14相接。
如圖1所示,氧化物半導體層16在與第一方向以及第三方向平行的剖面中包圍閘極電極18以及閘極絕緣層20。
在氧化物半導體層16中,形成在電晶體100的導通動作時成為電流路徑的通道。
氧化物半導體層16包括第一區域16a、第二區域16b、第三區域16c以及第四區域16d。第一區域16a設置於閘極絕緣層20的第一部分20a與下部電極12之間。第二區域16b設置於閘極絕緣層20的第二部分20b與上部電極14之間。第三區域16c設置於閘極絕緣層20的第三部分20c與第一絕緣層22之間。第四區域16d設置於閘極絕緣層20的第四部分20d與第二絕緣層24之間。
氧化物半導體層16為氧化物半導體。氧化物半導體層16例如為非晶。
氧化物半導體層16例如包含選自由銦(In)、鎵(Ga)、矽(Si)、鋁(Al)、錫(Sn)以及鋅(Zn)所組成的群組中的至少一個元素以及氧(O)。氧化物半導體層16例如包含選自由銦(In)、鎵(Ga)、矽(Si)、鋁(Al)以及錫(Sn)所組成的群組中的至少一個元素、鋅(Zn)以及氧(O)。氧化物半導體層16例如包含銦 (In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)以及氧(O)。氧化物半導體層16例如包含氧化銦鎵鋅。氧化物半導體層16例如為氧化銦鎵鋅層。
氧化物半導體層16例如具有與下部電極12的化學組成以及上部電極14的化學組成不同的化學組成。
氧化物半導體層16例如包含氧空位。氧化物半導體層16中的氧空位作為施子發揮功能。
第一區域16a的第一厚度(圖1中的t1)以及第二區域16b的第二厚度(圖1中的t2)為第三區域16c的第三厚度(圖1中的t3)或第四區域16d的第四厚度(圖1中的t4)中的至少任一厚度以下。
例如,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2較第三區域16c的第三厚度t3或第四區域16d的第四厚度t4中的至少任一厚度薄。
例如,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2為第三區域16c的第三厚度t3或第四區域16d的第四厚度t4中的至少任一厚度的80%以下。
例如,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2較第三區域16c的第三厚度t3及第四區域16d的第四厚度t4的厚度薄。
例如,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2為第三區域16c的第三厚度t3及第四區域16d的第四厚度t4的厚度的80%以下。
第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2例如為1nm以上且10nm以下。第三區域16c的第三厚度t3以及第四區域16d的第四厚度t4例如為5nm以上且15nm以下。
接著,對第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例進行說明。
圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11以及圖12是表示第一實施方式的半導體裝置的製造方法的一例的示意剖面圖。圖3~圖12分別表示與圖1對應的剖面。圖3~圖12是表示電晶體100的製造方法的一例的圖。
以下,以如下情況為例進行說明,即下部電極12為氧化銦錫層,上部電極14為氧化銦錫層,氧化物半導體層16為氧化銦鎵鋅層,閘極電極18為鎢層,閘極絕緣層20為氮化矽層,第一絕緣層22為氧化矽層,第二絕緣層24為氧化矽層。
首先,在未圖示的基板上形成第一氧化銦錫膜31以及第一氧化矽膜32。第一氧化銦錫膜31以及第一氧化矽膜32例如是藉由化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition法,CVD法)而形成。
第一氧化銦錫膜31最終成為下部電極12。另外,第一氧化矽膜32的一部分最終成為第一絕緣層22的一部分以及第二絕緣層24的一部分。
接著,在設置於第一氧化矽膜32的開口部埋入第一氧化 銦鎵鋅膜33(圖3)。開口部例如是使用微影法以及反應離子蝕刻法(Reactive Ion Etching法,RIE法)而形成。另外,第一氧化銦鎵鋅膜33例如藉由CVD法形成。其後,例如,藉由化學機械拋光法(Chemical Mechanical Polishing法,CMP法)將第一氧化矽膜32的上表面的第一氧化銦鎵鋅膜33去除。
第一氧化銦鎵鋅膜33最終成為氧化物半導體層16的一部分。
接著,在第一氧化矽膜32以及第一氧化銦鎵鋅膜33上依序形成第一氮化矽膜34、鎢膜35、第二氮化矽膜36以及第二氧化矽膜37(圖4)。第一氮化矽膜34、鎢膜35、第二氮化矽膜36以及第二氧化矽膜37例如藉由CVD法形成。
第一氮化矽膜34的一部分最終成為閘極絕緣層20的一部分。鎢膜35的一部分最終成為閘極電極18。第二氮化矽膜36[的]一部分最終成為閘極絕緣層20的一部分。
接著,對第二氧化矽膜37進行圖案化(圖5)。第二氧化矽膜37的圖案化例如使用微影法以及RIE法進行。
接著,以圖案化後的第二氧化矽膜37為遮罩來對第二氮化矽膜36、鎢膜35以及第一氮化矽膜34進行蝕刻(圖6)。第二氮化矽膜36、鎢膜35以及第一氮化矽膜34的蝕刻例如使用RIE法進行。
接著,在鎢膜35的側面形成第三氮化矽膜38(圖7)。第三氮化矽膜38的形成例如藉由基於CVD法的膜的堆積以及使 用RIE法的全面回蝕來進行。第三氮化矽膜38最終成為閘極絕緣層20的一部分。
接著,形成第三氧化矽膜39(圖8)。第三氧化矽膜39例如藉由CVD法形成。第三氧化矽膜39的一部分最終成為第一絕緣層22以及第二絕緣層24。
接著,使第三氧化矽膜39的表面平坦化(圖9)。第三氧化矽膜39的表面的平坦化例如藉由CMP法進行。
接著,在第三氧化矽膜39上形成開口部40(圖10)。開口部40例如使用微影法以及RIE法而形成。
接著,在開口部40埋入第二氧化銦鎵鋅膜41(圖11)。第二氧化銦鎵鋅膜41藉由基於CVD法的膜的形成以及基於CMP法的平坦化而埋入開口部40。
接著,在第二氧化銦鎵鋅膜41上形成第二氧化銦錫膜42(圖12)。第二氧化銦錫膜42例如藉由CVD法形成。
藉由以上的製造方法,製造圖1以及圖2所示的電晶體100。
接著,對第一實施方式的半導體裝置的作用及效果進行說明。
圖13是比較例的半導體裝置的示意剖面圖。圖13是與第一實施方式的圖1相對應的圖。
比較例的半導體裝置是電晶體900。比較例的電晶體900與第一實施方式的電晶體100的不同之處在於,氧化物半導體層 16不包括第一區域16a以及第二區域16b。比較例的電晶體900與第一實施方式的電晶體100的不同之處在於,閘極絕緣層20與下部電極12以及上部電極14相接。
在比較例的電晶體900中,在導通動作時,氧化物半導體層16的第三區域16c以及第四區域16d成為通道,在下部電極12與上部電極14之間流通導通電流。下部電極12與氧化物半導體層16之間的界面A1與界面A2的界面電阻成為電晶體900的寄生電阻。同樣地,上部電極14與氧化物半導體層16之間的界面B1與界面B2的界面電阻成為電晶體900的寄生電阻。
圖14是第一實施方式的半導體裝置的作用及效果的說明圖。圖14是與圖1對應的圖。
第一實施方式的電晶體100中,氧化物半導體層16包括與下部電極12相接的第一區域16a以及與上部電極14相接的第二區域16b。第一實施方式的電晶體100中,氧化物半導體層16的第一區域16a、第二區域16b、第三區域16c以及第四區域16d成為通道,在下部電極12與上部電極14之間流通導通電流。
下部電極12與氧化物半導體層16之間的界面A與比較例的電晶體900的界面A1與界面A2之和相比變寬。同樣地,上部電極14與氧化物半導體層16之間的界面B與比較例的電晶體900的界面B1與界面B2之和相比變寬。
因此,與比較例的電晶體900相比,第一實施方式的電晶體100的作為寄生電阻的界面電阻變低。因此,電晶體100的 導通電阻降低,可達成導通電流增加的電晶體。
另外,第一實施方式的電晶體100中,第一區域16a的第一厚度(圖1中的t1)以及第二區域16b的第二厚度(圖1中的t2)為第三區域16c的第三厚度(圖1中的t3)或第四區域16d的第四厚度(圖1中的t4)中的至少任一厚度以下。藉由將第一厚度t1以及第二厚度t2設為第三厚度t3或第四厚度t4中的至少任一厚度以下,在將電晶體100關斷時,能夠藉由使第一區域16a以及第二區域16b耗盡而截止電流。
在第一實施方式的電晶體100中,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2較佳為較第三區域16c的第三厚度t3或第四區域16d的第四厚度t4中的至少任一厚度薄。藉由使第一區域16a以及第二區域16b變薄,可提高因耗盡而引起的電流的截止特性。此外,藉由第三區域16c或第四區域16d的厚度厚,可增加導通電流。換言之,可兼顧電晶體的截止特性的提高以及導通電流的增加。
就截止特性的提高以及導通電流的增加的觀點而言,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2較佳為第三區域16c的第三厚度t3或第四區域16d的第四厚度t4中的至少任一厚度的80%以下,更佳為50%以下。
就截止特性的提高以及導通電流的增加的觀點而言,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2較第三區域16c的第三厚度t3以及第四區域16d的第四厚度t4薄。
就截止特性的提高以及導通電流的增加的觀點而言,第一區域16a的第一厚度t1以及第二區域16b的第二厚度t2較佳為第三區域16c的第三厚度t3以及第四區域16d的第四厚度t4的厚度的80%以下,更佳為50%以下。
如以上般,與比較例的電晶體900相比,第一實施方式的電晶體100可降低導通電阻並增加導通電流。另外,第一實施方式的電晶體100可兼顧截止特性的提高以及導通電流的增加。
(第一變形例)
第一實施方式的第一變形例的半導體裝置與第一實施方式的半導體裝置的不同之處在於,閘極絕緣層包括:第一膜,包含矽(Si)以及氧(O);以及第二膜,設置於第一膜與閘極電極之間且包含矽(Si)以及氮(N)。
圖15是第一實施方式的第一變形例的半導體裝置的示意剖面圖。第一實施方式的第一變形例的半導體裝置為電晶體101。圖15是與第一實施方式的圖1對應的圖。
電晶體101的閘極絕緣層20包括第一膜20x以及第二膜20y。閘極絕緣層20具有第一膜20x與第二膜20y的積層結構。第二膜20y設置於第一膜20x與閘極電極18之間。
第一膜20x包含矽(Si)以及氧(O)。第一膜20x例如為氧化矽膜。
第二膜20y包含矽(Si)以及氮(N)。第二膜20y例如為氮化矽膜。
第一變形例的電晶體101藉由閘極絕緣層20具有第一膜20x與第二膜20y的積層結構,從而例如閘極漏電流降低。另外,第一變形例的電晶體101藉由閘極絕緣層20具有第一膜20x與第二膜20y的積層結構,從而例如閘極絕緣層20的可靠性提高。
(第二變形例)
第一實施方式的第二變形例的半導體裝置與第一實施方式的半導體裝置的不同之處在於,閘極絕緣層的第一部分的第五厚度及以及閘極絕緣層的第二部分的第六厚度較閘極絕緣層的第三部分的第七厚度以及閘極絕緣層的第四部分的第八厚度薄。
圖16是第一實施方式的第二變形例的半導體裝置的示意剖面圖。第一實施方式的第二變形例的半導體裝置為電晶體102。圖16是與第一實施方式的圖1對應的圖。
電晶體102的閘極絕緣層20的第一部分20a的第五厚度(圖16中的t5)以及閘極絕緣層20的第二部分20b的第六厚度(圖16中的t6)較閘極絕緣層20的第三部分20c的第七厚度(圖16中的t7)以及閘極絕緣層20的第四部分20d的第八厚度(圖16中的t8)薄。換言之,第七厚度t7以及第八厚度t8較第五厚度t5以及第六厚度t6厚。
藉由使第七厚度t7以及第八厚度t8較第五厚度t5以及第六厚度t6厚,可降低閘極絕緣層20的第三部分20c以及閘極絕緣層20的第四部分20d中的閘極漏電流。另外,藉由使第五厚度t5以及第六厚度t6較第七厚度t7以及第八厚度t8薄,可提高 氧化物半導體層16的第一區域16a以及氧化物半導體層16的第二區域16b的截止特性。
根據第二變形例的電晶體102,能夠降低閘極絕緣層20的閘極漏電流,並且提高截止特性。
以上,根據第一實施方式及變形例,可達成導通電阻降低、電晶體特性優異的半導體裝置。
(第二實施方式)
第二實施方式的半導體記憶裝置包括第一實施方式的半導體裝置以及電性連接於第一電極或第二電極的電容器。
第二實施方式的半導體記憶裝置為半導體記憶體200。第二實施方式的半導體記憶裝置為DRAM。半導體記憶體200使用第一實施方式的電晶體100來作為DRAM的記憶胞元的開關電晶體。
以下,對於與第一實施方式重覆的內容,省略部分記述。
圖17是第二實施方式的半導體記憶裝置的等價電路圖。圖17例示了記憶胞元MC為一個的情況,但記憶胞元MC例如亦可呈陣列狀設有多個。
半導體記憶體200包括記憶胞元MC、字元線WL、位元線BL以及板線PL。記憶胞元MC包含開關電晶體TR以及電容器CA。圖17中,由虛線包圍的區域為記憶胞元MC。
字元線WL電性連接於開關電晶體TR的閘極電極。位元線BL電性連接於開關電晶體TR的源極/汲極電極的其中一者。 電容器CA的其中一個電極電性連接於開關電晶體TR的源極/汲極電極的另一者。電容器CA的另一個電極連接於板線PL。
記憶胞元MC藉由於電容器CA中蓄積電荷來記憶資料。資料的寫入以及讀出是藉由使開關電晶體TR進行導通動作而進行。
例如,在對位元線BL施加有所期望的電壓的狀態下使開關電晶體TR進行導通動作,進行對記憶胞元MC的資料寫入。
另外,例如使開關電晶體TR進行導通動作,對與蓄積於電容器中的電荷量相應的位元線BL的電壓變化進行偵測,進行記憶胞元MC的資料讀出。
圖18是第二實施方式的半導體記憶裝置的示意剖面圖。圖18表示半導體記憶體200的記憶胞元MC的剖面。
半導體記憶體200包含矽基板10、開關電晶體TR、電容器CA、第一層間絕緣層50以及第二層間絕緣層52。
開關電晶體TR包括下部電極12、上部電極14、氧化物半導體層16、閘極電極18、閘極絕緣層20、第一絕緣層22以及第二絕緣層24。
開關電晶體TR具有與第一實施方式的電晶體100同樣的結構。
電容器CA設置於矽基板10與開關電晶體TR之間。電容器CA設置於矽基板10與下部電極12之間。電容器CA電性連接於下部電極12。
電容器CA包括胞元電極71、板電極72、電容器絕緣膜73。胞元電極71電性連接於下部電極12。胞元電極71例如與下部電極12相接。
胞元電極71以及板電極72例如為氮化鈦。電容器絕緣膜73例如具有氧化鋯、氧化鋁、氧化鋯的積層結構。
閘極電極18例如電性連接於未圖示的字元線WL。上部電極14例如電性連接於未圖示的位元線BL。板電極72例如連接於未圖示的板線PL。
半導體記憶體200將斷開動作時的通道漏電流極小的氧化物半導體電晶體適用於開關電晶體TR。因此,達成電荷保持特性優異的DRAM。
另外,半導體記憶體200的開關電晶體TR的導通電阻小。因此,例如記憶胞元MC的寫入速度或讀出速度變快。因而,半導體記憶體200的動作特性提高。
第二實施方式中,以適用第一實施方式的電晶體的半導體記憶體為例進行了說明,但本發明的實施方式的半導體記憶體亦可為適用第一實施方式的第一變形例的電晶體或第二變形例的電晶體的半導體記憶體。
第二實施方式中,以胞元電極電性連接於下部電極12的半導體記憶體為例進行了說明,但本發明的實施方式的半導體記憶體亦可為胞元電極電性連接於上部電極14的半導體記憶體。
電容器CA亦可為設置於開關電晶體TR上的結構。亦可 為在矽基板10與電容器CA之間設置開關電晶體TR的結構。
以上,對本發明的若干實施方式進行了說明,但該些實施方式是作為示例而提示,並不意圖限定發明的範圍。該些新穎的實施方式能以其他的各種形態來實施,在不脫離發明主旨的範圍內可進行各種省略、替換、變更。例如,亦可將一實施方式的構成元件替換或變更為另一實施方式的構成元件。該些實施方式或其變形包含在發明的範圍或主旨內,並且包含在申請專利範圍所記載的發明及其均等的範圍內。
12:下部電極(第一電極)
14:上部電極(第二電極)
16:氧化物半導體層
16a:第一區域
16b:第二區域
16c:第三區域
16d:第四區域
18:閘極電極
20:閘極絕緣層
20a:第一部分
20b:第二部分
20c:第三部分
20d:第四部分
22:第一絕緣層
24:第二絕緣層
100:電晶體(半導體裝置)
t1:第一厚度
t2:第二厚度
t3:第三厚度
t4:第四厚度
t5:第五厚度
t6:第六厚度
t7:第七厚度
t8:第八厚度

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置包括: 第一電極; 第二電極; 閘極電極,設置於所述第一電極與所述第二電極之間,在與將所述第一電極與所述第二電極連結的第一方向交叉的第二方向上延伸; 第一絕緣層,相對於所述閘極電極而設置於與所述第一方向以及所述第二方向交叉的第三方向上; 第二絕緣層,相對於所述閘極電極而設置於所述第三方向上,且在與所述第一絕緣層之間設置所述閘極電極; 閘極絕緣層,包圍所述閘極電極,且包括設置於所述閘極電極與所述第一電極之間的第一部分、設置於所述閘極電極與所述第二電極之間的第二部分、設置於所述閘極電極與所述第一絕緣層之間的第三部分以及設置於所述閘極電極與所述第二絕緣層之間的第四部分;以及 氧化物半導體層,包圍所述閘極絕緣層,且包括所述第一部分與所述第一電極之間的第一區域、所述第二部分與所述第二電極之間的第二區域、所述第三部分與所述第一絕緣層之間的第三區域、以及所述第四部分與所述第二絕緣層之間的第四區域,所述第一區域的第一厚度以及所述第二區域的第二厚度為所述第三區域的第三厚度或所述第四區域的第四厚度中的至少任一厚度以下。
  2. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述第一厚度以及所述第二厚度較所述第三厚度或所述第四厚度中的至少任一厚度薄。
  3. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述第一厚度以及所述第二厚度較所述第三厚度以及所述第四厚度薄。
  4. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述第一厚度以及所述第二厚度為所述第三厚度或所述第四厚度中的至少任一厚度的80%以下。
  5. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述第一部分的第五厚度以及所述第二部分的第六厚度較所述第三部分的第七厚度及所述第四部分的第八厚度薄。
  6. 如請求項5所述的半導體裝置,其中,所述第五厚度以及所述第六厚度為所述第七厚度以及所述第八厚度的80%以下。
  7. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述第一部分的第五厚度與所述第二部分的第六厚度不同。
  8. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述氧化物半導體層包含選自由銦(In)、鎵(Ga)、矽(Si)、鋁(Al)、錫(Sn)及鋅(Zn)所組成的群組中的至少一種元素以及氧(O)。
  9. 如請求項1所述的半導體裝置,其中,所述閘極絕緣層包括:第一膜,包含矽(Si)以及氧(O);以及第二膜,設置於所述第一膜與所述閘極電極之間且包含矽(Si)以及氮(N)。
  10. 一種半導體記憶裝置,包括: 如請求項1所述的半導體裝置、以及 電容器,電性連接於所述第一電極或所述第二電極。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202145451A (zh) * 2020-05-29 2021-12-01 台灣積體電路製造股份有限公司 記憶胞、記憶裝置與其形成方法
TW202145452A (zh) * 2020-05-28 2021-12-01 台灣積體電路製造股份有限公司 鐵電記憶體裝置及其形成方法
TW202201753A (zh) * 2020-06-29 2022-01-01 台灣積體電路製造股份有限公司 記憶體裝置及其製造方法
TW202205634A (zh) * 2020-07-30 2022-02-01 台灣積體電路製造股份有限公司 記憶體陣列及其製造方法以及半導體裝置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009252887A (ja) * 2008-04-03 2009-10-29 Canon Inc 薄膜トランジスタ及びその製造方法
KR101529575B1 (ko) * 2008-09-10 2015-06-29 삼성전자주식회사 트랜지스터, 이를 포함하는 인버터 및 이들의 제조방법
KR102414038B1 (ko) * 2015-09-16 2022-06-30 에스케이하이닉스 주식회사 수직 전송 게이트를 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법
US11855140B2 (en) * 2020-09-29 2023-12-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Gate oxide of nanostructure transistor with increased corner thickness
KR20230115746A (ko) * 2022-01-27 2023-08-03 삼성전자주식회사 트랜지스터

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202145452A (zh) * 2020-05-28 2021-12-01 台灣積體電路製造股份有限公司 鐵電記憶體裝置及其形成方法
TW202145451A (zh) * 2020-05-29 2021-12-01 台灣積體電路製造股份有限公司 記憶胞、記憶裝置與其形成方法
TW202201753A (zh) * 2020-06-29 2022-01-01 台灣積體電路製造股份有限公司 記憶體裝置及其製造方法
TW202205634A (zh) * 2020-07-30 2022-02-01 台灣積體電路製造股份有限公司 記憶體陣列及其製造方法以及半導體裝置

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