(57)【要約】      （修正有）【課題】閾値電圧の劣化を抑制し良好なトランジスタ動作する半導体装置を提供する。【解決手段】ゲート電極１０と、第１の絶縁膜２１０（ゲート絶縁膜）と、酸化物半導体膜２２０と、第２の絶縁膜２３０と、ソース電極１３と、ソース配線１２と、ドレイン電極１５と、ドレイン配線１４と、を備えている。第１の絶縁膜は、ゲート電極上に配置される。酸化物半導体膜は、第１の絶縁膜上に配置される。第２の絶縁膜は、酸化物半導体膜上に配置される。ソース電極は、第２の絶縁膜中に配置されて酸化物半導体膜に接続される。ソース配線は、チャネル部上に重ならないように第２の絶縁膜上に配置され、ソース電極に接続される。ドレイン電極は、第２の絶縁膜中に配置されて酸化物半導体膜に接続される。ドレイン配線は、チャネル部上に重ならないように第２の絶縁膜上に配置され、ドレイン電極に接続される。【選択図】図１
2016072499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に配置された酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に配置された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続されるソース電極と、
チャネル部上に重ならないように前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ソース電極に接続されるソース配線と、
前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続されるドレイン電極と、
チャネル部上に重ならないように前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ドレイン電極に接続されるドレイン配線と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ソース配線と前記ドレイン配線とが形成される層上に、さらに上層配線層を備え、
前記上層配線層中の配線は、前記チャネル部上に重ならないように形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体装置は、多層配線層を有し、
前記ソース配線と前記ドレイン配線とは、前記多層配線層の最上層に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記チャネル部上に、前記ソース配線と前記ドレイン配線とは独立して配置された第２の酸化物半導体膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の半導体装置。
【請求項５】
ゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に配置された第１の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上に配置された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続されるソース電極と、
前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ソース電極に接続されるソース配線と、
前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続されるドレイン電極と、
前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ドレイン電極に接続されるドレイン配線と、
前記チャネル部上に、前記ソース配線と前記ドレイン配線とは独立して配置された第２の酸化物半導体膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を材料とする半導体装置は、シリコンを材料とする半導体装置には無い優れた特性を実現できるものとして期待されており、近年、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物であるＩｎＧａＺｎＯ等の酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が開発されている。このＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタは、ｎ型の導電性を示し、３００℃以下の低温でも容易に作製でき、キャリア移動度が大きく、かつ、オフ電流が低いことが知られている。そのため、液晶パネルへの応用だけでなく、シリコンＬＳＩにおいても高性能の薄膜トランジスタとしての利用が期待されている。
【０００３】
シリコンＬＳＩの作製工程においては、シリコンＭＯＳトランジスタ特性の安定性向上、及び信頼性の向上のために、水素シンタリングあるいは水素シンターと称する工程が広く一般的に使われている。具体的には、デバイス形成工程の最終プロセスにおいて、フォーミングガス（例えばＮ２：Ｈ２＝１：１）中で３５０〜４５０℃の熱処理を行ない、シリコン−絶縁膜界面の界面準位となるダングリングボンドを水素で終端する工程である。そのため、シリコンＬＳＩの構成素子として、酸化物半導体の薄膜トランジスタを含む場合においては、水素シンター工程での水素導入により、酸化物半導体のチャネル部においてキャリア数が変動し膜の低抵抗化や薄膜トランジスタの閾値電圧低下などトランジスタ動作不良の原因となりうる。また、酸化物半導体の薄膜トランジスタのチャネル表面全域に水素バリアとなる膜を有する構造においては、製造過程で酸化物半導体層あるいは、周囲の膜が含有している水素が外方拡散することなく滞まることになり、これも酸化物半導体膜の低抵抗化や薄膜トランジスタの閾値低下などトランジスタ動作不良の要因となった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１５６３６３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１６１６３号公報
【非特許文献１】K. Nomura et al., “Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors,” Nature, Vol.432, Issue 7016, pp. 488-492, 2004.
【非特許文献２】R. B. Fair and R. C. Sun “Threshold-voltage instability in MOSFET’s due to channel hot-hole emission,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-28, No. 1, pp. 83-94, 1981.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、上述した問題点を克服し、シリコンＬＳＩの構成素子としても良好なトランジスタ動作が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体装置は、ゲート電極と、第１の絶縁膜と、酸化物半導体膜と、第２の絶縁膜と、ソース電極と、ソース配線と、ドレイン電極と、ドレイン配線と、を備えている。第１の絶縁膜は、前記ゲート電極上に配置される。酸化物半導体膜は、前記第１の絶縁膜上に配置される。第２の絶縁膜は、前記酸化物半導体膜上に配置される。ソース電極は、前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続される。ソース配線は、チャネル部上に重ならないように前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ソース電極に接続される。ドレイン電極は、前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続される。ドレイン配線は、チャネル部上に重ならないように前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ドレイン電極に接続される。
【０００７】
他の実施形態の半導体装置は、ゲート電極と、第１の絶縁膜と、第１の酸化物半導体膜と、第２の絶縁膜と、ソース電極と、ソース配線と、ドレイン電極と、ドレイン配線と、第２の酸化物半導体膜と、を備える。第１の絶縁膜は、前記ゲート電極上に配置される。第１の酸化物半導体膜は、前記第１の絶縁膜上に配置される。第２の絶縁膜は、前記酸化物半導体膜上に配置される。ソース電極は、前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続される。ソース配線は、前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ソース電極に接続される。ドレイン電極は、前記第２の絶縁膜中に配置されて前記酸化物半導体膜に接続される。ドレイン配線は、前記第２の絶縁膜上に配置され、前記ドレイン電極に接続される。第２の酸化物半導体膜は、前記チャネル部上に、前記ソース配線と前記ドレイン配線とは独立して配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。
【図２】第１の実施形態の比較例における水素濃度の分布の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態における水素濃度の分布の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態と比較例とにおける水素濃度の分布を示すグラフの一例である。
【図５】第１の実施形態における半導体装置の製造方法の要部工程を示すフローチャート図である。
【図６】第１の実施形態における半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図７】第１の実施形態における半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図８】第１の実施形態における半導体装置の構成の変形例を示す断面図である。
【図９】第１の実施形態における多層配線構造の断面の一例を示す図である。
【図１０】第１の実施形態における多層配線構造の断面の他の一例を示す図である。
【図１１】第２の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１２】第２の実施形態の参考例における水素濃度の分布の一例を示す図である。
【図１３】第２の実施形態における水素濃度の分布の一例を示す図である。
【図１４】第２の実施形態と参考例とにおける水素濃度の分布を示すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の実施形態において、「上に設けられる」とは。直接接して設けられる場合の他に、間に他の層または膜が挿入されている場合も含む。また、「対向して設けられる」とは、上または下に直接接して設けられる場合の他に、間に他の層または膜が挿入されて設けられる場合も含む。
【００１０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について、以下、図面を用いて説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【００１１】
図１は、第１の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。図１では、半導体装置として、ＩｎＧａＺｎＯ膜（ＩＧＺＯ膜）等の酸化物半導体膜を用いたボトムゲート型（逆スタガ型）の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の一例が示されている。図１において、基板上に形成された絶縁膜２００の表面に、ゲート電極１０が形成される。絶縁膜２００は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）又は窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を含む膜が用いられる。ゲート電極１０は、例えば、ゲート電極３０には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、Ｔａ（タンタル）、又はＡｌ（アルミニウム）を含む金属膜が用いられる。ゲート電極１０として、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。ゲート電極１０には、アルミニウム合金を用いても良い。アルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とし、ヒロック対策が施される。また、ゲート電極１０の側面は、積層方向に対して傾斜していても良い。つまり、ゲート電極１０の側面は、テーパ状でも良い。ゲート電極１０の側面をテーパ状にすることで、ゲート電極１０の上に形成される絶縁膜２１０による被覆性が高まる。被覆性が高まることで、リーク電流を抑制できる。図１の例では、前記絶縁膜２００の上面と同じ高さ位置にゲート電極１０の表面（上面）が形成されるように埋め込まれている。図１の例では、例えば、多層配線層の所定の配線と同層にゲート電極１０が形成されている場合を想定している。よって、基板及び絶縁膜２００には、その他の配線層や半導体素子等が形成されていても構わない。但し、かかる構成に限るものではなく、絶縁膜２００上にゲート電極１０が形成されても構わない。
【００１２】
ゲート電極１０上には、ゲート絶縁膜２１０（第１の絶縁膜）が配置される。ゲート絶縁膜２１０は、ゲート電極１０及び絶縁膜２００上に形成される。例えば、ゲート絶縁膜２１０は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、又は酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）を含む膜である。ゲート絶縁膜２１０には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。ゲート絶縁膜２１０上には、酸化物半導体膜２２０が配置される。酸化物半導体は、単結晶、多結晶、又は非晶質（アモルファス）等の状態を有する。例えば、酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）の少なくともいずれかを含む。酸化物半導体には、ＩｎＧａＺｎＯ（以下、ＩＧＺＯと呼ぶ場合がある。）等の三元系金属酸化物が用いられる。酸化物半導体として、例えば、ＩｎＧａＯ等の二元系金属酸化物が用いられても良い。タングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＧａＷＯまたは、ＩｎＧａＳｉＯが用いられても良い。また、酸化物半導体は、錫（Ｓｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＳｎＧａＺｎＯまたはＩｎＡｌＧａＺｎＯ等の四元系金属酸化物が用いられても良い。いずれにおいても、主成分として有する金属あるいは金属以外の元素の成分比率は任意である。
ここで、ＩｎＧａＺｎ系酸化物とは、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を主成分として有する酸化物であり、これらの金属の成分比率は任意である。また、インジウム、ガリウム、及び亜鉛以外の金属あるいは金属以外の元素を含有しても良い。酸化物半導体膜２２０として、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ膜を用いると無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることができる。また、キャリアの移動度を高めることができる。
【００１３】
酸化物半導体層２２０は、薄膜トランジスタのチャネル層となる。酸化物半導体層２２０がＩＧＺＯを含む層である場合、酸化物半導体層２２０は、例えば、ＩＧＺＯの組成比として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４であるＩＧＺＯ４をターゲットとして用いたスパッタ法によって形成される。
酸化物半導体膜２２０上には、絶縁膜２３０（第２の絶縁膜）が配置される。絶縁膜２３０は、酸化物半導体膜２２０の上面を保護する膜である。例えば、絶縁膜２３０は、酸化シリコン、テオス（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｙｌ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）、酸化アルミニウム又は窒化シリコンを含む膜である。絶縁膜２３０には、酸化シリコン、テオス、酸化アルミニウム及び窒化シリコンの２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。
【００１４】
また、酸化物半導体膜２２０の一端側上には、ソース電極１３が、絶縁膜２３０中に配置されて酸化物半導体膜２２０の一端側に電気的に接続される。ソース電極１３は、ゲート電極１０のゲート長方向の一方の端部と少なくとも一部が重なる位置で酸化物半導体膜２２０に接続される。
【００１５】
さらに、酸化物半導体膜２２０の他端側上には、ドレイン電極１５が、絶縁膜２３０中に配置されて酸化物半導体膜２２０の他端側に接続される。ドレイン電極１５は、ゲート電極１０のゲート長方向の他方の端部と少なくとも一部が重なる位置で酸化物半導体膜２２０に電気的に接続される。
【００１６】
ソース電極１３とドレイン電極１５は、金属材料膜によって構成される。例えば、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を含む金属膜が用いられる。窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。ソース電極１３とドレイン電極１５は、これら導電性材料の２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ)を含む膜を用いても良い。或いは、主材料としての金属材料膜と金属材料膜の側面及び底面を覆う図示しないバリアメタル膜とによって構成されてもよい。
【００１７】
絶縁膜２３０上には、ソース電極１３に接続されるソース配線１２が配置される。同様に、絶縁膜２３０上には、ドレイン電極１５に接続されるドレイン配線１４が配置される。ソース配線１２は、前記酸化物半導体膜２２０のチャネル領域１６側に張り出さないように形成される。言い換えれば、ソース配線１２は、チャネル部（チャネル領域１６）上に重ならないように絶縁膜２３０上に配置され、ソース電極１３に接続される。同様に、ドレイン配線１４は、チャネル領域１６側に張り出さないように形成される。言い換えれば、ドレイン配線１４は、チャネル部（チャネル領域１６）上に重ならないように絶縁膜２３０上に配置され、ドレイン電極１５に接続される。ソース配線１２とドレイン配線１４は、金属材料膜によって構成される。例えば、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を含む金属膜が用いられる。窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。ソース配線１２とドレイン配線１４は、これら導電性材料の２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ)を含む膜を用いても良い。或いは、主材料としての金属材料膜と金属材料膜の側面及び底面を覆う図示しないバリアメタル膜とによって構成されてもよい。なお、ソース配線１２とソース電極１３とは、別の材料で形成されても良いし、同じ材料で一体に形成されても好適である。同様に、ドレイン配線１４とドレイン電極１５とは、別の材料で形成されても良いし、同じ材料で一体に形成されても好適である。また、ソース配線１２とドレイン配線１４は同じ材料で同時期に形成されると加工の工数が増えずに好適である。同様に、ソース電極１３とドレイン電極１５は同じ材料で同時期に形成されると加工の工数が増えずに好適である。
【００１８】
ここで、シリコンＬＳＩの製造工程においては、シリコン基板上に作製されるシリコンＭＯＳトランジスタ特性の安定性向上、及び信頼性の向上のために、ソース配線１２及びドレイン配線１４となる金属配線の形成工程が終了後、例えばフォーミングガス（例えばＮ２：Ｈ２＝１：１）中で３５０℃の水素シンタリング工程が行われる。シリコン−絶縁膜界面の界面準位となるダングリングボンドを水素で終端する工程である。かかる水素の導入により、酸化物半導体膜２２０のチャネル部の一部の領域において水素濃度が上昇し、酸化物半導体層の低抵抗化をもたらし、薄膜トランジスタのトランジスタ動作不良を引き起こす要因となりうる。
【００１９】
図２は、第１の実施形態の比較例における薄膜トランジスタ中の水素濃度の分布の一例を示す図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、ＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタに対して、水素が一価の水素イオン（Ｈ＋）として上面から降り、ドリフト拡散で伝播する状況を、ＴＣＡＤ（Technology Computer Aided Design）を用いて解析した結果を示す。電極端子にバイアス電圧を印加をしない状況においても、構成材料の固有の仕事関数、及び誘電率に起因して電位分布、電界分布が生ずる。図２（ａ）〜図２（ｄ）において、比較例では、ソース（Ｓ）・ドレイン（Ｄ）電極上の金属配線が、チャネル領域側に張り出したフリンジ部を有している場合を示している。図２（ａ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図２（ｂ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜平面での水素濃度の分布を示す。図２（ｃ）は、水素のドリフト拡散が定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図２（ｄ）は、水素のドリフト拡散が定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜平面での水素濃度の分布を示す。図２（ａ）〜図２（ｄ）では、いずれにおいても、チャネル領域の水素濃度は一様な濃度ではなく濃度差が生じており、チャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部下のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）における水素濃度が、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部が上方に存在していない酸化物半導体膜２２０のチャネル領域の中央部における水素濃度よりも高くなっていることを示している。
【００２０】
図３は、第１の実施形態における薄膜トランジスタ中の水素濃度の分布の一例を示す図である。図２と同様に、図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタに対して、水素が一価の水素イオン（Ｈ＋）として上面から降り、ドリフト拡散で伝播する状況を、ＴＣＡＤ（Technology Computer Aided Design）を用いて解析した結果である。図３（ａ）〜図３（ｄ）において、第１の実施形態では、図１に示したように、ソース（Ｓ）・ドレイン（Ｄ）電極上の金属配線が、チャネル領域側に張り出さないように構成している。その他の構成は、図２の比較例と同様である。図３（ａ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図３（ｂ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜平面での水素濃度の分布を示す。図３（ｃ）は、水素のドリフト拡散の定常状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図３（ｄ）は、水素のドリフト拡散の定常状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜平面での水素濃度の分布を示す。比較例においてチャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部下のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）で高くなっていた水素濃度に比べて、図３（ａ）〜図３（ｄ）では、いずれにおいても、水素濃度が低く抑制されていることを示している。
【００２１】
図４は、第１の実施形態と比較例とにおける薄膜トランジスタ中の水素濃度の分布を示すグラフの一例である。図４（ａ）は、縦軸に水素濃度、横軸にチャネル長方向での位置を示しており、水素のドリフト拡散の過渡状態における、図２（ａ）（ｂ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図３（ａ）（ｂ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度とを示す。図４（ｂ）は、縦軸に水素濃度、横軸にチャネル長方向での位置を示しており、水素のドリフト拡散の定常状態における、図２（ｃ）（ｄ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図３（ｃ）（ｄ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度とを示す。図４（ａ）と図４（ｂ）において、グラフＡは、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を示す。グラフＢは、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）では、いずれにおいても、チャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度が、フリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度に比べて、フリンジ部下の領域だけでなくチャネル領域中央部においても高くなっていることを示している。
【００２２】
以上の通り、比較例の構成のようにチャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成では、酸化物半導体膜２２０のチャネル領域１６において、フリンジ部下の領域部分で水素濃度が上昇する。そのため、酸化物半導体膜２２０のチャネル部においてキャリア数の変動や低抵抗化をもたらし、薄膜トランジスタの閾値電圧低下やトランジスタ動作不良を引き起こす要因となった。
【００２３】
そこで、第１の実施形態では、図１に示すように、ソース配線１２及びドレイン配線１４をチャネル領域１６側に張り出さないように形成する。チャネル領域１６側の金属配線のフリンジ部を無くすことで、水素シンタリング工程時における上方から侵入する水素が酸化物半導体層に取り込まれる量を低減することができる。かかる構成によって、上述したように、酸化物半導体膜２２０のチャネル領域１６における従来フリンジ部下であった領域だけでなくチャネル領域全域の水素濃度の上昇を抑制できる。
【００２４】
図５は、第１の実施形態における半導体装置の製造方法の要部工程を示すフローチャート図である。図５において、第１の実施形態における半導体装置の製造方法は、ゲート電極形成工程（Ｓ１０２）と、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）と、酸化物半導体膜形成工程（Ｓ１０６）と、絶縁膜形成工程（Ｓ１０８）と、開口部形成工程（Ｓ１１２）と、電極材料膜形成工程（Ｓ１１４）と、平坦化工程（Ｓ１１６）と、配線材料膜形成工程（Ｓ１１８）と、パターニング工程（Ｓ１２０）という一連の工程を実施する。
【００２５】
図６に、第１の実施形態における半導体装置の製造方法の工程断面図が示されている。図６では、図５のゲート電極形成工程（Ｓ１０２）から絶縁膜形成工程（Ｓ１０８）までを示している。それ以降の工程は後述する。
【００２６】
図６（ａ）において、ゲート電極形成工程（Ｓ１０２）として、絶縁膜２００中にゲート電極１０を形成する。酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が多層配線層中に作られることを想定し、トランジスタの横には多層配線のうちの一部の金属配線があってもよい。図５（ａ）の例では、ゲート電極１０は、ダマシンプロセス（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）により絶縁膜中に埋め込み作製される。例えば、絶縁膜２００にゲート電極１０用の開口部（溝）を形成する。そして、開口部を埋め込むように絶縁膜２００上にゲート電極材料を堆積する。堆積後は、開口部からはみ出た余分なゲート電極材料を化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨除去すればよい。かかる工程により、ゲート電極１０が形成される。ゲート電極１０の材料として、例えば、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、又はＡｌ（アルミニウム）を含む金属膜等を用いることができる。なお、Ｃｕを用いる場合には、絶縁膜２００等へのＣｕの拡散を防止するために、開口部の側面および底面にバリアメタル膜を形成し、バリアメタル膜を介して開口部内を埋め込むように形成すればよい。また、絶縁膜２００は、例えば、シリコンウェハからなるシリコン基板上に、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）又は窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を含む膜を形成する。ここでは、図示していないが、絶縁膜２００には、配線や各種の素子等が形成されていても構わない。
【００２７】
なお、図５（ａ）の例では、ダマシンプロセスによる埋め込み構造を示しているが、これに限るものではなく、絶縁膜２００上にゲート電極材料をスパッタ法等により堆積後、エッチング法によりパターニングすることによってゲート電極１０を形成しても構わない。また、ゲート電極１０の側面は、積層方向に対して傾斜していても良い。つまり、ゲート電極１０の側面は、テーパ状でも良い。
【００２８】
図６（ｂ）において、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ１０４）として、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて、ゲート電極１０上にゲート絶縁膜２１０を例えば２〜５０ｎｍの膜厚で形成する。ここでは、例えば、１５ｎｍの膜厚で形成する。ゲート絶縁膜２１０の材料として、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、及び、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）等を用いると好適である。ゲート絶縁膜２１０には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。形成方法として、プラズマＣＶＤ法や原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ、あるいは、ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ）法を用いると好適である。
【００２９】
図６（ｃ）において、酸化物半導体膜形成工程（Ｓ１０６）として、スパッタ法を用いて、ゲート絶縁膜２１０上に、酸化物半導体膜２２０を例えば１０〜３０ｎｍの膜厚で形成する。ここでは、例えば、３０ｎｍの膜厚で形成する。その後、酸化物半導体膜２２０について、エッチング法により活性領域を残すようにパターニングすることで所定のサイズの酸化物半導体膜２２０を形成する。ゲート長方向の酸化物半導体膜２２０の幅は、ゲート電極１０よりも広い幅で形成すると良い。酸化物半導体は、単結晶、多結晶、又は非晶質（アモルファス）等の状態を有する。酸化物半導体膜２２０の材料として、上述したように、例えば、酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）の少なくともいずれかを含む。酸化物半導体には、ＩｎＧａＺｎＯ（以下、ＩＧＺＯと呼ぶ場合がある。）等の三元系金属酸化物が用いられる。酸化物半導体として、例えば、ＩｎＧａＯ等の二元系金属酸化物が用いられても良い。タングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＧａＷＯまたは、ＩｎＧａＳｉＯが用いられても良い。また、酸化物半導体は、錫（Ｓｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＳｎＧａＺｎＯまたはＩｎＡｌＧａＺｎＯ等の四元系金属酸化物が用いられても良い。いずれにおいても、主成分として有する金属あるいは金属以外の元素の成分比率は任意である。  ここで、ＩｎＧａＺｎ系酸化物とは、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を主成分として有する酸化物であり、これらの金属の成分比率は任意である。また、インジウム、ガリウム、及び亜鉛以外の金属あるいは金属以外の元素を含有しても良い。
酸化物半導体層２２０がＩＧＺＯを含む層である場合、酸化物半導体層２２０は、例えば、ＩＧＺＯの組成比として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４であるＩＧＺＯ４をターゲットとして用いたスパッタ法によって形成される。
【００３０】
図６（ｄ）において、絶縁膜形成工程（Ｓ１０８）として、ＣＶＤ法を用いて、酸化物半導体膜２２０及びゲート絶縁膜２１０上に絶縁膜２３０を例えば３０〜２００ｎｍの膜厚で形成する。ここでは、ゲート絶縁膜２１０上に、例えば、１５０ｎｍの膜厚で形成する。例えば、絶縁膜２３０は、酸化シリコン、テオス（Tetra Ethyl Ortho Silicate： TEOS）、酸化アルミニウム又は窒化シリコンを含む膜である。絶縁膜２３０には、酸化シリコン、テオス、酸化アルミニウム及び窒化シリコンの２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。形成方法として、プラズマＣＶＤ法や原子層気相成長法を用いると好適である。絶縁膜２３０は、酸化物半導体膜２２０を覆うように形成され、酸化物半導体膜２２０の保護膜となる。
【００３１】
図７に、第１の実施形態における半導体装置の製造方法の工程断面図が示されている。図７では、図５の開口部形成工程（Ｓ１１２）から配線材料膜形成工程（Ｓ１１８）までを示している。
【００３２】
図７（ａ）において、開口部形成工程（Ｓ１１２）として、絶縁膜２３０上から酸化物半導体膜２２０表面まで絶縁膜２３０を貫通するように、開口部１５０，１５２を形成する。ゲート電極１０のゲート長方向の一方の端部と少なくとも一部が重なる位置にソース用の開口部１５０（コンタクトホール）を形成する。同時に、ゲート電極１０のゲート長方向の他方の端部と少なくとも一部が重なる位置にドレイン用の開口部１５２（コンタクトホール）を形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経て絶縁膜２３０上にレジストパターンが形成された基板に対し、露出した絶縁膜２３０を異方性エッチング法により除去することで、基板の表面に対し、略垂直に開口部１５０，１５２を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により開口部１５０，１５２を形成すればよい。
【００３３】
図７（ｂ）において、電極材料膜形成工程（Ｓ１１４）として、例えばスパッタ法を用いて、開口部１５０，１５２を完全に埋め込むように、絶縁膜２３０上に、電極材料膜を例えば５０〜１００ｎｍの膜厚で形成する。電極材料膜としては、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を含む金属膜が用いられる。窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。または、これら導電性材料の２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ)を含む膜を用いても良い。或いは、主材料としての金属材料膜と金属材料膜の側面及び底面を覆う図示しないバリアメタル膜とによって構成されてもよい。
【００３４】
そして、平坦化工程（Ｓ１１６）として、ＣＭＰ法により開口部１５０，１５２からはみ出した余分な電極材料膜を除去及び平坦化する。これにより、図７（ｂ）に示すソース電極１３及びドレイン電極１５が形成される。
【００３５】
続いて、配線材料膜形成工程（Ｓ１１８）として、例えばスパッタ法を用いて、絶縁膜２３０、ソース電極１３及びドレイン電極１５上に、配線材料膜２６０を例えば５０〜１００ｎｍの膜厚で形成する。配線材料膜２６０としては、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を含む金属膜が用いられる。窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。または、これら導電性材料の２つ以上の膜の積層膜を用いても良い。ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ)を含む膜を用いても良い。或いは、主材料としての金属材料膜と金属材料膜の側面及び底面を覆う図示しないバリアメタル膜とによって構成されてもよい。
【００３６】
パターニング工程（Ｓ１２０）として、金属配線形成領域のみ残存させるように、配線材料膜２６０を図示しないリソグラフィおよびエッチング法によりパターニングすることによって、図１に示すようなチャネル領域１６側に張り出さない、ソース配線１２、及びドレイン配線１４を形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経て配線材料膜２６０上にレジストパターンが形成された基板に対し、露出した配線材料膜２６０を異方性エッチング法により除去することで、基板の表面に対し、略垂直にソース配線１２、及びドレイン配線１４を形成できる。例えば、一例として、ＲＩＥ法によりソース配線１２、及びドレイン配線１４を形成すればよい。また、パターニングの際、チャネル領域１６側に張り出さないように、ソース配線１２は、ソース電極１３との接続を保ちながらも、チャネル領域１６側の端部は、ソース電極１３の端部よりもチャネル領域１６とは反対側にずれて位置するように構成してもよい。ドレイン配線１４とドレイン電極１５との関係についても同様である。
【００３７】
上述した例では、ソース電極１３及びドレイン電極１５を形成した後に、ソース配線１２及びドレイン配線１４を形成する例について説明したが、これに限るものではない。ソース電極１３及びドレイン電極１５と、ソース配線１２及びドレイン配線１４とを同時に形成してもよい。かかる場合には、開口部１５０，１５２を完全に埋め込み、かつ絶縁膜２３０上に配線厚さよりも大きな膜厚で配線材料膜２６０を形成する。そして、チャネル領域１６側に張り出さないように金属配線形成領域をパターニングし、かかる金属配線形成領域のみ残存させるようにエッチング法によって露出した配線材料膜２６０をエッチングすればよい。
【００３８】
図８は、第１の実施形態における半導体装置の構成の変形例を示す断面図である。図８では、ソース・ドレイン用の開口部１５０，１５２を金属膜で完全に埋め込まずに、ソース電極１３及びドレイン電極１５と、ソース配線１２及びドレイン配線１４とを同時に形成する構成となっている。その他の構成は図１と同様である。
【００３９】
図８に示す第１の実施形態の変形例では、ソース・ドレイン用の開口部１５０，１５２を形成後、電極・配線材料を絶縁膜２３０上並びに開口部底面上及び内壁に接するように形成する。そして、チャネル領域１６側に張り出さないように金属配線形成領域をパターニングし、かかる金属配線形成領域のみ残存させるようにエッチング法によって露出した電極・配線材料をエッチングし除去すればよい。
【００４０】
以上のように、第１の実施形態では、ソース配線１２及びドレイン配線１４がチャネル領域１６側に張り出さないように形成することで、張り出した場合のフリンジ部下にあたる酸化物半導体膜２２０のチャネル部における水素濃度の上昇を抑えることができる。その結果、酸化物半導体膜２２０のチャネル部におけるキャリア数の変動や低抵抗化を抑制できる。よって、薄膜トランジスタの閾値電圧低下やトランジスタ動作不良を抑制できる。
【００４１】
また、上述したように、第１の実施形態では、図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構成について説明したが、この薄膜トランジスタは多層配線構造（多層配線層）の中に形成することが可能である。かかる場合に、図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル領域上に金属膜を配置しないようにすると良い。
【００４２】
図９は、第１の実施形態における多層配線構造の断面の一例を示す図である。図９では、多層配線構造の途中の配線層に図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する場合の断面を示している。図９に示す半導体装置では、素子分離され、それぞれの活性領域にｐ型或いはｎ型の不純物が注入された半導体基板３００上にゲート電極１３が配置されたゲート電極層４０が形成され、ゲート電極層４０上に下層側から順に、配線層４２、配線層４４、及び配線層４６が形成される。各配線層４２，４４，４６には、それぞれ配線１１が形成される。また、図９に示す半導体装置では、図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が配線層４２と同層に形成されている場合を示している。
【００４３】
図９に示すように、ソース配線１２とドレイン配線１４とが形成される層上に、さらに上層の配線層４４，４６が形成される。かかる多層配線構造において、第１の実施形態では、上層の配線層４４，４６中の配線１１は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）における酸化物半導体膜２２０のチャネル領域上に重ならないように形成される。言い換えれば、図９に示すように、チャネル領域上の領域Ａに金属配線１１が配置されないように構成する。かかる構成により、ソース配線１２とドレイン配線１４のチャネル側に張り出したフリンジ部と同様の効果が生じ得る金属膜を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル上から排除できる。
【００４４】
図１０は、第１の実施形態における多層配線構造の断面の他の一例を示す図である。図１０では、多層配線構造の最上配線層に図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する場合の断面を示している。その他の構成は、図９と同様である。言い換えれば、図１０に示す半導体装置では、図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のソース配線及びドレイン配線が多層配線構造の最上層となる配線層４６と同層に形成されている場合を示している。なお、ソース配線１２とドレイン配線１４とが、多層配線構造の最上層に形成されればよく、ゲート電極１０が形成される層は、最上配線層でなくとも構わない。図１０の例では、ゲート電極１０が配線層４４に形成され、ソース配線１２とドレイン配線１４とが配線層４６に形成される場合を示している。
【００４５】
図１０に示すように、ソース配線１２とドレイン配線１４とが最上配線層４６に形成されることにより、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）における酸化物半導体膜２２０のチャネル部上に金属配線が重ならないように形成できる。かかる構成により、ソース配線１２とドレイン配線１４のチャネル側に張り出したフリンジ部と同様の効果が生じ得る金属膜をチャネル領域から排除できる。
【００４６】
以上のように多層配線構造において、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）における酸化物半導体膜２２０のチャネル部上に金属配線が配置されないようにすることで、チャネル部上方に位置する金属膜に起因してその下部の酸化物半導体膜２２０に生じ得る水素濃度の上昇を抑制できる。その結果、酸化物半導体膜２２０のチャネル部におけるキャリア数の変動や低抵抗化抑制できる。よって、薄膜トランジスタの閾値電圧低下やトランジスタ動作不良を抑制できる。
【００４７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、酸化物半導体膜２２０のチャネル部上方に積極的に新たな酸化物半導体膜を配置する構成について説明する。
【００４８】
図１１は、第２の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。図１１では、チャネル領域１６上方の絶縁膜２３０上に、ソース配線１２とドレイン配線１４とは独立して酸化物半導体膜２２２（第２の酸化物半導体膜）を配置した点以外は、図１と同様である。以下、特に説明する点以外は、第１の実施形態と同様である。酸化物半導体膜２２２として、例えば、酸化物半導体は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）の少なくともいずれかを含む。酸化物半導体には、ＩｎＧａＺｎＯ（以下、ＩＧＺＯと呼ぶ場合がある。）等の三元系金属酸化物が用いられる。酸化物半導体として、例えば、ＩｎＧａＯ等の二元系金属酸化物が用いられても良い。タングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＧａＷＯまたは、ＩｎＧａＳｉＯが用いられても良い。また、酸化物半導体は、錫（Ｓｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを含んだ、ＩｎＳｎＧａＺｎＯまたはＩｎＡｌＧａＺｎＯ等の四元系金属酸化物が用いられても良い。いずれにおいても、主成分として有する金属あるいは金属以外の元素の成分比率は任意である。
ここで、ＩｎＧａＺｎ系酸化物とは、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を主成分として有する酸化物であり、これらの金属の成分比率は任意である。また、インジウム、ガリウム、及び亜鉛以外の金属あるいは金属以外の元素を含有しても良い。酸化物半導体膜２２２の形成方法は、酸化物半導体膜２２０と同様で構わない。
【００４９】
図１２は、第２の実施形態の参考例における水素濃度の分布の一例を示す図である。図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、ＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタに対して、水素が一価の水素イオン（Ｈ＋）として上面から降り、ドリフト拡散で伝播する状況を、ＴＣＡＤ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）を用いて解析した結果を示す。電極端子にバイアス電圧を印加をしない状況においても、構成材料の固有の仕事関数、及び誘電率に起因して電位分布、電界分布が生ずる。図１２（ａ）〜図１２（ｄ）において、参考例では、ソース（Ｓ）・ドレイン（Ｄ）電極上の金属配線が、チャネル領域側に張り出したフリンジ部を有している場合を示している。また、チャネル領域に対向して第２のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置される。ここでは、絶縁膜中に配置された場合を示している。図１２（ａ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図１２（ｂ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）平面での水素濃度の分布を示す。図１２（ｃ）は、水素のドリフト拡散の定常状態に至った時点おけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図１２（ｄ）は、水素のドリフト拡散の定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）平面での水素濃度の分布を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｄ）では、いずれにおいても、チャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部下のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）における水素濃度が、酸化物半導体膜２２０のチャネル中央領域での水素濃度よりも高くなっていることを示している。
【００５０】
図１３は、第２の実施形態における水素濃度の分布の一例を示す図である。図１３（ａ）〜図１３（ｄ）において、第２の実施形態では、図１１に示したように、ソース（Ｓ）・ドレイン（Ｄ）電極上の金属配線が、チャネル領域側に張り出さないように構成している。また、チャネル領域上にＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置される。その他の構成は、図１２の参考例と同様である。図１３（ａ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図１３（ｂ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）平面での水素濃度の分布を示す。図１３（ｃ）は、水素のドリフト拡散の定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図１３（ｄ）は、水素のドリフト拡散の定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）平面での水素濃度の分布を示す。参考例においてチャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部下のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）で高くなっていた水素濃度が、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）では、いずれにおいても、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部がある場合に比べて水素濃度が低いことを示している。
【００５１】
図１４は、第２の実施形態と参考例とにおける水素濃度の分布を示すグラフの一例である。図１４（ａ）は、縦軸に水素濃度、横軸にチャネル長方向での位置を示しており、水素のドリフト拡散の過渡状態における、図２（ａ）（ｂ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図３（ａ）（ｂ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図１２（ａ）（ｂ）に示したフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図１３（ａ）（ｂ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度とを示す。図１４（ｂ）は、縦軸に水素濃度、横軸にチャネル長方向での位置を示しており、水素のドリフト拡散の定常状態における、図２（ｃ）（ｄ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図３（ｃ）（ｄ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図１２（ｃ）（ｄ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度と、図１３（ｃ）（ｄ）に示したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度とを示す。図１４（ａ）と図１４（ｂ）において、グラフＡは、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成で、かつチャネル領域上にＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置されていない構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を示す。グラフＢは、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成で、かつチャネル領域上にＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置されていない構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を示す。グラフＣは、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部有りの構成で、かつチャネル領域に対向してＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置されている構成でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を示す。グラフＤは、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部無しの構成で、かつチャネル領域に対向してＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置されている第２の実施形態でのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を示す。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）では、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部が無い方が、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部が有る構成よりもＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度が低いことがわかる。さらに、ソース配線及びドレイン配線のフリンジ部が無い場合においても、チャネル領域上にＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置されている場合の方が、さらに、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度が低いことがわかる。
【００５２】
酸化物半導体膜２２０のチャネル領域に対向して酸化物半導体膜２２０と同じ材料特性を有する酸化物半導体膜２２２を配置することで、酸化物半導体膜２２２下のチャネル中央部の水素濃度の上昇を抑止できる。かかる影響が酸化物半導体膜２２２の両側のソース・ドレイン電極付近の領域にも及ぼされ、図１に示したフリンジ部を無くした構成の場合よりもさらに水素濃度の上昇を抑止できる。酸化物半導体膜２２２の配置によって、酸化物半導体膜２２０のチャネル部におけるソース・ドレイン電極付近の領域だけでなくチャネル領域全体に取り込まれる水素の量を低減できる。
【００５３】
なお、酸化物半導体トランジスタのチャネル表面全域に対向して酸化物半導体膜２２２を有する構造では、ソース配線あるいはドレイン配線との短絡を引き起こす可能性が有る。よって、第２の実施形態では、図１１に示すように、チャネル領域１６上にはおいて、酸化物半導体膜２２２が形成されない領域を有する。
【００５４】
また、第２の実施形態では、第１の実施形態よりもＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）の水素濃度を下げることができるので、図１１の点線で示すように、ソース配線１２やドレイン配線１４がパターニングの際の位置ずれ等によって、若干、チャネル領域１６側にはみ出しても構わない。これにより、ソース配線１２とソース電極１３との接触面積を増大させながら、さらに、ソース配線１２とソース電極１３との位置合わせの精度を下げることができ、パターニングを容易にできる。ドレイン配線１４とドレイン電極１５との関係についても同様である。
【００５５】
以上のように、第２の実施形態では、ソース配線１２及びドレイン配線１４とは独立してチャネル領域１６上方に酸化物半導体膜２２２を形成することで、酸化物半導体膜２２０のチャネル部における水素濃度の上昇を抑えることができる。その結果、酸化物半導体膜２２０のチャネル部におけるキャリア数の変動や低抵抗化を抑制できる。よって、薄膜トランジスタの閾値電圧低下やトランジスタ動作不良を抑制できる。
【００５６】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００５７】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置および半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【００５８】
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１０  ゲート電極、１２  ソース配線、１３  ソース電極、１４  ドレイン配線、１５  ドレイン電極、２１０  ゲート絶縁膜、２２０，２２２  酸化物半導体膜、２３０  絶縁膜
【図１】
2016072499.tif 000003
【図４】
2016072499.tif 000004
【図５】
2016072499.tif 000005
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2016072499.tif 000011
【図１４】
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【図２】
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【図３】
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【図１２】
2016072499.tif 000015
【図１３】
2016072499.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
以下の実施形態において、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層または膜が挿入されている場合も含む。また、「対向して設けられる」とは、上または下に直接接して設けられる場合の他に、間に他の層または膜が挿入されて設けられる場合も含む。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
図１は、第１の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。図１では、半導体装置として、ＩｎＧａＺｎＯ膜（ＩＧＺＯ膜）等の酸化物半導体膜を用いたボトムゲート型（逆スタガ型）の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の一例が示されている。図１において、基板上に形成された絶縁膜２００の表面に、ゲート電極１０が形成される。絶縁膜２００は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）又は窒化シリコン（ＳｉＮｘ）を含む膜が用いられる。ゲート電極１０は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、Ｔａ（タンタル）、又はＡｌ（アルミニウム）を含む金属膜が用いられる。ゲート電極１０として、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられても良い。ゲート電極１０には、アルミニウム合金を用いても良い。アルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とし、ヒロック対策が施される。また、ゲート電極１０の側面は、積層方向に対して傾斜していても良い。つまり、ゲート電極１０の側面は、テーパ状でも良い。ゲート電極１０の側面をテーパ状にすることで、ゲート電極１０の上に形成される絶縁膜２１０による被覆性が高まる。被覆性が高まることで、リーク電流を抑制できる。図１の例では、前記絶縁膜２００の上面と同じ高さ位置にゲート電極１０の表面（上面）が形成されるように埋め込まれている。図１の例では、例えば、多層配線層の所定の配線と同層にゲート電極１０が形成されている場合を想定している。よって、基板及び絶縁膜２００には、その他の配線層や半導体素子等が形成されていても構わない。但し、かかる構成に限るものではなく、絶縁膜２００上にゲート電極１０が形成されても構わない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図９は、第１の実施形態における多層配線構造の断面の一例を示す図である。図９では、多層配線構造の途中の配線層に図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する場合の断面を示している。図９に示す半導体装置では、素子分離され、それぞれの活性領域にｐ型或いはｎ型の不純物が注入された半導体基板３００上にゲート電極１０が配置されたゲート電極層４０が形成され、ゲート電極層４０上に下層側から順に、配線層４２、配線層４４、及び配線層４６が形成される。各配線層４２，４４，４６には、それぞれ配線１１が形成される。また、図９に示す半導体装置では、図１に示した酸化物半導体膜２２０を用いたボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が配線層４２と同層に形成されている場合を示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
以上のように多層配線構造において、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）における酸化物半導体膜２２０のチャネル部上に金属配線が配置されないようにすることで、チャネル部上方に位置する金属膜に起因してその下部の酸化物半導体膜２２０に生じ得る水素濃度の上昇を抑制できる。その結果、酸化物半導体膜２２０のチャネル部におけるキャリア数の変動や低抵抗化を抑制できる。よって、薄膜トランジスタの閾値電圧低下やトランジスタ動作不良を抑制できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図１２は、第２の実施形態の参考例における水素濃度の分布の一例を示す図である。図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、ＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタに対して、水素が一価の水素イオン（Ｈ＋）として上面から降り、ドリフト拡散で伝播する状況を、ＴＣＡＤ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）を用いて解析した結果を示す。電極端子にバイアス電圧を印加をしない状況においても、構成材料の固有の仕事関数、及び誘電率に起因して電位分布、電界分布が生ずる。図１２（ａ）〜図１２（ｄ）において、参考例では、ソース（Ｓ）・ドレイン（Ｄ）電極上の金属配線が、チャネル領域側に張り出したフリンジ部を有している場合を示している。また、チャネル領域に対向して第２のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２２）が配置される。ここでは、絶縁膜中に配置された場合を示している。図１２（ａ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図１２（ｂ）は、水素のドリフト拡散の過渡状態におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）平面での水素濃度の分布を示す。図１２（ｃ）は、水素のドリフト拡散の定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタの断面での水素濃度の分布を示す。図１２（ｄ）は、水素のドリフト拡散の定常状態に至った時点におけるＩｎＧａＺｎＯ薄膜トランジスタのＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）平面での水素濃度の分布を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｄ）では、いずれにおいても、チャネル領域側に張り出したソース配線及びドレイン配線のフリンジ部下のＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜２２０）における水素濃度が、酸化物半導体膜２２０のチャネル中央領域での水素濃度よりも高くなっていることを示している。