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KR20240157035A - store - Google Patents

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Publication number
KR20240157035A
KR20240157035A KR1020247030553A KR20247030553A KR20240157035A KR 20240157035 A KR20240157035 A KR 20240157035A KR 1020247030553 A KR1020247030553 A KR 1020247030553A KR 20247030553 A KR20247030553 A KR 20247030553A KR 20240157035 A KR20240157035 A KR 20240157035A
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KR
South Korea
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insulator
conductor
addition
oxide semiconductor
memory device
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020247030553A
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Korean (ko)
Inventor
타츠야 오누키
히토시 쿠니타케
슌페이 야마자키
šœ페이 야마자키
Original Assignee
가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 filed Critical 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

미세화 또는 고집적화가 가능한 기억 장치를 제공한다. 용량 소자, 및 용량 소자 위의 트랜지스터를 가지는 메모리 셀과, 용량 소자 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 제 2 절연체를 가지고, 트랜지스터는 제 1 절연체 아래의 제 1 도전체와, 제 1 도전체의 상면에 접하여 배치된 산화물 반도체와, 제 1 절연체와 제 2 절연체 사이에 배치되고 산화물 반도체에 접하는 제 2 도전체와, 산화물 반도체 위의 제 3 절연체와, 제 3 절연체 위의 제 3 도전체를 가지고, 제 1 절연체, 제 2 도전체, 및 제 2 절연체에, 제 1 도전체에 달하는 제 1 개구가 형성되고, 산화물 반도체의 적어도 일부, 제 3 절연체의 적어도 일부, 및 제 3 도전체의 적어도 일부는 제 1 개구 내에 배치되고, 용량 소자는 제 4 도전체와, 제 4 도전체 위의 제 4 절연체와, 제 4 절연체 위의 제 1 도전체를 가진다.A memory device capable of miniaturization or high integration is provided. A memory cell having a capacitor and a transistor on the capacitor, a first insulator on the capacitor, and a second insulator on the first insulator, the transistor having a first conductor under the first insulator, an oxide semiconductor arranged in contact with an upper surface of the first conductor, a second conductor arranged between the first insulator and the second insulator and in contact with the oxide semiconductor, a third insulator on the oxide semiconductor, and a third conductor on the third insulator, a first opening reaching the first conductor is formed in the first insulator, the second conductor, and the second insulator, and at least a part of the oxide semiconductor, at least a part of the third insulator, and at least a part of the third conductor are arranged within the first opening, the capacitor having a fourth conductor, a fourth insulator on the fourth conductor, and a first conductor on the fourth insulator.

Description

기억 장치store

본 발명의 일 형태는 트랜지스터, 반도체 장치, 기억 장치, 및 전자 기기에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 기억 장치 또는 반도체 장치의 제작 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 반도체 웨이퍼 및 모듈에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a transistor, a semiconductor device, a memory device, and an electronic device. Or, one embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a memory device or a semiconductor device. Or, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor wafer and a module.

또한 본 명세서 등에서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치 전반을 가리킨다. 트랜지스터 등의 반도체 소자를 비롯하여, 반도체 회로, 연산 장치, 기억 장치는 반도체 장치의 일 형태이다. 표시 장치(액정 표시 장치, 발광 표시 장치 등), 투영 장치, 조명 장치, 전기 광학 장치, 축전 장치, 기억 장치, 반도체 회로, 촬상 장치, 전자 기기 등은 반도체 장치를 가진다고 할 수 있는 경우가 있다.In addition, in this specification and the like, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. Semiconductor elements such as transistors, as well as semiconductor circuits, calculation devices, and memory devices are types of semiconductor devices. Display devices (liquid crystal display devices, light-emitting display devices, etc.), projection devices, lighting devices, electro-optical devices, storage devices, memory devices, semiconductor circuits, imaging devices, electronic devices, etc. may be said to have semiconductor devices.

또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 발명의 일 형태는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다.In addition, one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. One embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an article, a method, or a manufacturing method. In addition, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition of matter.

근년, 반도체 장치의 개발이 진행되고 있고, LSI, CPU, 메모리 등이 주로 반도체 장치에 사용되고 있다. CPU는 반도체 웨이퍼를 가공하여 칩으로 형성한 반도체 집적 회로(적어도 트랜지스터 및 메모리)를 가지고, 접속 단자인 전극이 형성된 반도체 소자의 집합체이다.In recent years, the development of semiconductor devices has been in progress, and LSI, CPU, memory, etc. are mainly used in semiconductor devices. CPU has a semiconductor integrated circuit (at least transistors and memory) formed into a chip by processing a semiconductor wafer, and is an assembly of semiconductor elements with electrodes, which are connection terminals, formed.

LSI, CPU, 메모리 등의 반도체 회로(IC칩)는 회로 기판, 예를 들어 인쇄 배선 기판에 실장되고, 다양한 전자 기기의 부품 중 하나로서 사용된다.Semiconductor circuits (IC chips), such as LSI, CPU, and memory, are mounted on circuit boards, such as printed wiring boards, and are used as one of the components of various electronic devices.

또한 절연 표면을 가지는 기판 위에 형성된 반도체 박막을 사용하여 트랜지스터를 구성하는 기술이 주목받고 있다. 상기 트랜지스터는 집적 회로(IC), 화상 표시 장치(단순히 표시 장치라고도 표기함)와 같은 전자 디바이스에 널리 응용되고 있다. 트랜지스터에 적용할 수 있는 반도체 박막의 재료로서는 실리콘계 반도체 재료가 널리 알려져 있지만, 그 외의 재료로서 산화물 반도체가 주목받고 있다.Also, a technology for forming a transistor using a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface is attracting attention. The transistor is widely used in electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices). Silicon-based semiconductor materials are widely known as materials for semiconductor thin films that can be applied to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.

또한 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는, 비도통 상태에서 누설 전류가 매우 낮은 것이 알려져 있다. 예를 들어 특허문헌 1에는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 누설 전류가 낮다는 특성을 응용한 소비 전력이 낮은 CPU 등이 개시되어 있다. 또한 예를 들어 특허문헌 2에는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 누설 전류가 낮다는 특성을 응용하여, 장기간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있는 기억 장치 등이 개시되어 있다.In addition, it is known that transistors using oxide semiconductors have very low leakage current in the non-conducting state. For example, patent document 1 discloses a CPU with low power consumption, etc. that utilizes the characteristic of low leakage current of transistors using oxide semiconductors. In addition, for example, patent document 2 discloses a memory device that can retain memory contents for a long period of time, etc. that utilizes the characteristic of low leakage current of transistors using oxide semiconductors.

또한 근년에는 전자 기기가 소형화, 경량화되면서, 밀도가 더 높아진 집적 회로에 대한 요구가 높아지고 있다. 또한 집적 회로를 포함하는 반도체 장치의 생산성 향상이 요구되고 있다. 예를 들어 특허문헌 3 및 비특허문헌 1에서는 산화물 반도체막을 사용한 제 1 트랜지스터와 산화물 반도체막을 사용한 제 2 트랜지스터를 적층시켜 메모리 셀을 복수로 중첩시켜 제공함으로써 집적 회로를 고밀도화하는 기술이 개시되어 있다.In addition, as electronic devices have become smaller and lighter in recent years, there has been an increasing demand for integrated circuits with higher densities. In addition, there has been a demand for improved productivity of semiconductor devices including integrated circuits. For example, Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 disclose a technology for increasing the density of integrated circuits by stacking a first transistor using an oxide semiconductor film and a second transistor using an oxide semiconductor film to provide a plurality of overlapping memory cells.

일본 공개특허공보 특개2012-257187호Japanese Patent Publication No. 2012-257187 일본 공개특허공보 특개2011-151383호Japanese Patent Publication No. 2011-151383 국제공개공보 WO2021/053473호International Publication No. WO2021/053473

M. Oota et al., "3D-Stacked CAAC-In-Ga-Zn Oxide FETs with Gate Length of 72nm", IEDM Tech. Dig., 2019, pp. 50-53 M. Oota et al., “3D-Stacked CAAC-In-Ga-Zn Oxide FETs with Gate Length of 72nm”, IEDM Tech. Dig., 2019, pp. 50-53

본 발명의 일 형태는 미세화 또는 고집적화가 가능한 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 동작 속도가 빠른 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 전기 특성이 양호한 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 트랜지스터의 전기 특성의 편차가 적은 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신뢰성이 양호한 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 온 전류가 높은 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 소비 전력이 낮은 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신규 기억 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신규 기억 장치의 제작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.One aspect of the present invention has as one of its objects the provision of a memory device capable of miniaturization or high integration. Or, one of its objects is the provision of a memory device with a high operating speed. Or, one of its objects is the provision of a memory device with good electrical characteristics. Or, one of its objects is the provision of a memory device with little variation in the electrical characteristics of a transistor. Or, one of its objects is the provision of a memory device with good reliability. Or, one of its objects is the provision of a memory device with a high on-state current. Or, one of its objects is the provision of a memory device with low power consumption. Or, one of its objects is the provision of a novel memory device. Or, one of its objects is the provision of a method for manufacturing a novel memory device.

또한 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 과제 모두를 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한 이들 외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재에서 저절로 명백해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재에서 이들 외의 과제를 추출할 수 있다.In addition, the description of these tasks does not interfere with the existence of other tasks. In addition, it is not necessary for one embodiment of the present invention to solve all of these tasks. In addition, tasks other than these are automatically apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and tasks other than these can be extracted from the description of the specification, drawings, claims, etc.

본 발명의 일 형태는 용량 소자와, 용량 소자 위의 트랜지스터와, 용량 소자 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 제 2 절연체를 가지고, 트랜지스터는 제 1 절연체 아래의 제 1 도전체와, 제 1 도전체의 상면에 접하여 배치된 산화물 반도체와, 제 1 절연체와 제 2 절연체 사이에 배치되고 산화물 반도체에 접하는 제 2 도전체와, 산화물 반도체 위의 제 3 절연체와, 제 3 절연체 위의 제 3 도전체를 가지고, 제 1 절연체, 제 2 도전체, 및 제 2 절연체에 제 1 도전체에 달하는 제 1 개구가 형성되고, 산화물 반도체의 적어도 일부, 제 3 절연체의 적어도 일부, 및 제 3 도전체의 적어도 일부는 제 1 개구 내에 배치되고, 용량 소자는 제 4 도전체와, 제 4 도전체 위의 제 4 절연체와, 제 4 절연체 위의 제 1 도전체를 가지는 기억 장치이다.One embodiment of the present invention is a memory device having a capacitor, a transistor over the capacitor, a first insulator over the capacitor, and a second insulator over the first insulator, wherein the transistor has a first conductor under the first insulator, an oxide semiconductor arranged in contact with an upper surface of the first conductor, a second conductor arranged between the first insulator and the second insulator and in contact with the oxide semiconductor, a third insulator over the oxide semiconductor, and a third conductor over the third insulator, wherein a first opening is formed in the first insulator, the second conductor, and the second insulator reaching the first conductor, and at least a part of the oxide semiconductor, at least a part of the third insulator, and at least a part of the third conductor are arranged within the first opening, and the capacitor has a fourth conductor, a fourth insulator over the fourth conductor, and the first conductor over the fourth insulator.

본 발명의 다른 일 형태는 용량 소자와, 용량 소자 위의 트랜지스터와, 용량 소자 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 제 2 절연체를 각각 포함하는 제 1 층 및 제 2 층을 가지고, 제 2 층은 제 1 층 위에 적층되고, 트랜지스터는 제 1 절연체 아래의 제 1 도전체와, 제 1 도전체의 상면에 접하여 배치된 산화물 반도체와, 제 1 절연체와 제 2 절연체 사이에 배치되고 산화물 반도체에 접하는 제 2 도전체와, 산화물 반도체 위의 제 3 절연체와, 제 3 절연체 위의 제 3 도전체를 가지고, 제 1 절연체, 제 2 도전체, 및 제 2 절연체에, 제 1 도전체에 달하는 제 1 개구가 형성되고, 산화물 반도체의 적어도 일부, 제 3 절연체의 적어도 일부, 및 제 3 도전체의 적어도 일부는 제 1 개구 내에 배치되고, 용량 소자는 제 4 도전체와, 제 4 도전체 위의 제 4 절연체와, 제 4 절연체 위의 제 1 도전체를 가지고, 제 1 층의 제 2 절연체 및 제 2 층의 제 1 절연체에 제 2 개구가 형성되고, 제 2 개구 내에 제 5 도전체를 가지고, 제 5 도전체는 제 1 층의 제 2 도전체의 상면에 접하고, 또한 제 2 층의 제 2 도전체의 하면에 접하는 기억 장치이다.Another aspect of the present invention has a capacitor, a transistor on the capacitor, a first layer and a second layer each including a first insulator on the capacitor, and a second insulator on the first insulator, the second layer being laminated on the first layer, the transistor having a first conductor below the first insulator, an oxide semiconductor arranged in contact with an upper surface of the first conductor, a second conductor arranged between the first insulator and the second insulator and in contact with the oxide semiconductor, a third insulator on the oxide semiconductor, and a third conductor on the third insulator, a first opening reaching the first conductor is formed in the first insulator, the second conductor, and the second insulator, and at least a part of the oxide semiconductor, at least a part of the third insulator, and at least a part of the third conductor are arranged within the first opening, and the capacitor having a fourth conductor, a fourth insulator on the fourth conductor, and a first insulator on the fourth insulator. A memory device having a conductor, a second opening formed in a second insulator of a first layer and a first insulator of a second layer, and a fifth conductor within the second opening, the fifth conductor being in contact with an upper surface of the second conductor of the first layer and also in contact with a lower surface of the second conductor of the second layer.

상기 기억 장치에 있어서, 제 3 도전체의 상면에 접하여 제 6 도전체를 가지고, 제 2 도전체는 제 1 방향으로 신장되어 형성되고, 제 6 도전체는 제 2 방향으로 신장되어 형성되고, 제 1 방향과 제 2 방향은 서로 교차되는 것이 바람직하다.In the above memory device, it is preferable that the sixth conductor is formed so as to be in contact with the upper surface of the third conductor, the second conductor is formed so as to extend in the first direction, the sixth conductor is formed so as to extend in the second direction, and the first direction and the second direction intersect each other.

또한 상기 기억 장치에 있어서, 제 1 도전체는 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로서 기능하고, 제 2 도전체는 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽으로서 기능하고, 제 3 도전체는 게이트 전극으로서 기능하는 것이 바람직하다.In addition, in the above memory device, it is preferable that the first conductor functions as one of the source electrode and the drain electrode, the second conductor functions as the other of the source electrode and the drain electrode, and the third conductor functions as the gate electrode.

또한 상기 기억 장치에 있어서, 산화물 반도체의 일부, 제 3 절연체의 일부, 및 제 3 도전체의 일부가 제 2 절연체 위에 위치하는 것이 바람직하다.Additionally, in the above memory device, it is preferable that a portion of the oxide semiconductor, a portion of the third insulator, and a portion of the third conductor are positioned on the second insulator.

또한 상기 기억 장치에 있어서, 평면에서 보았을 때 산화물 반도체의 측단부(側端部)와 제 3 절연체의 측단부가 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.In addition, in the above memory device, it is preferable that the side edge of the oxide semiconductor and the side edge of the third insulator substantially coincide when viewed from a plane.

또한 상기 기억 장치에 있어서, 평면에서 보았을 때 제 3 도전체의 측단부가 산화물 반도체의 측단부 및 제 3 절연체의 측단부보다 내측에 위치하는 것이 바람직하다.In addition, in the above memory device, it is preferable that the side end of the third conductor is located inward relative to the side end of the oxide semiconductor and the side end of the third insulator when viewed from a plane.

또한 상기 기억 장치에 있어서, 제 3 절연체와 제 3 도전체 사이에 제 5 절연체를 가지고, 제 5 절연체는 산화물 반도체의 측단부 및 제 3 절연체의 측단부를 덮는 것이 바람직하다. 또한 상기 기억 장치에 있어서, 제 5 절연체는 질화 실리콘인 것이 바람직하다.In addition, in the above memory device, it is preferable that a fifth insulator be provided between the third insulator and the third conductor, and that the fifth insulator covers the side end of the oxide semiconductor and the side end of the third insulator. In addition, in the above memory device, it is preferable that the fifth insulator is silicon nitride.

또한 상기 기억 장치에 있어서, 산화물 반도체는 In, Ga, 및 Zn 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 가지는 것이 바람직하다. 또한 상기 기억 장치에 있어서, 산화물 반도체는 제 1 개구의 측벽에 실질적으로 평행한 층상의 결정을 가지는 것이 바람직하다. 또한 상기 기억 장치에 있어서, 산화물 반도체에서의 탄소의 농도가 1×1020atoms/cm3 미만인 것이 바람직하다.In addition, in the above memory device, it is preferable that the oxide semiconductor has one or more selected from In, Ga, and Zn. In addition, in the above memory device, it is preferable that the oxide semiconductor has a layered crystal substantially parallel to the sidewall of the first opening. In addition, in the above memory device, it is preferable that the concentration of carbon in the oxide semiconductor is less than 1×10 20 atoms/cm 3 .

본 발명의 일 형태에 의하여, 미세화 또는 고집적화가 가능한 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 동작 속도가 빠른 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 신뢰성이 양호한 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 트랜지스터의 전기 특성의 편차가 적은 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 양호한 전기 특성을 가지는 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 온 전류가 높은 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 소비 전력이 낮은 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 신규 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 신규 기억 장치의 제작 방법을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a memory device capable of miniaturization or high integration can be provided. Or a memory device having a high operating speed can be provided. Or a memory device having good reliability can be provided. Or a memory device having little variation in the electrical characteristics of a transistor can be provided. Or a memory device having good electrical characteristics can be provided. Or a memory device having a high on-state current can be provided. Or a memory device having low power consumption can be provided. Or a novel memory device can be provided. Or a method of manufacturing a novel memory device can be provided.

또한 이들 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 효과 모두를 가질 필요는 없다. 또한 이들 외의 효과는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재에서 저절로 명백해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재에서 이들 외의 효과를 추출할 수 있다.In addition, the description of these effects does not preclude the existence of other effects. In addition, one embodiment of the present invention does not need to have all of these effects. In addition, effects other than these are automatically apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and effects other than these can be extracted from the description of the specification, drawings, claims, etc.

도 1의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 평면도이다. 도 1의 (B) 내지 (D)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 단면도이다. 도 1의 (E)는 본 발명의 일 형태에 따른 기억 장치의 구성을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 2의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 3의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 3의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 4의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 4의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 5의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 6의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 7의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 8의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 평면도이다. 도 8의 (B) 및 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법을 나타낸 단면도이다.
도 9의 (A) 내지 (C)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 단면도이다.
도 10의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 평면도이다. 도 10의 (B)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 단면도이다.
도 11의 (A)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 평면도이다. 도 11의 (B)는 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 단면도이다.
도 12의 (A) 내지 (E)는 본 발명의 일 형태에 따른 금속 산화물의 성막 방법을 설명하는 단면도이다.
도 13의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 일 형태에 따른 금속 산화물의 단면도이다.
도 14의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 일 형태에 따른 금속 산화물의 성막 방법을 설명하는 단면도이다.
도 15의 (A) 내지 (C)는 본 발명의 일 형태에 따른 금속 산화물의 성막 방법을 설명하는 단면도이다.
도 16은 기억 장치의 구성예를 설명하는 블록도이다.
도 17의 (A) 및 (B)는 기억 장치의 구성예를 설명하는 모식도 및 회로도이다.
도 18의 (A) 및 (B)는 기억 장치의 구성예를 설명하는 모식도이다.
도 19는 기억 장치의 구성예를 설명하는 회로도이다.
도 20의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치의 모식도이다.
도 21의 (A) 및 (B)는 전자 부품의 일례를 설명하는 도면이다.
도 22의 (A) 내지 (E)는 본 발명의 일 형태에 따른 기억 장치의 모식도이다.
도 23의 (A) 내지 (H)는 본 발명의 일 형태에 따른 전자 기기를 나타낸 도면이다.
도 24는 우주용 기기의 일례를 나타낸 도면이다.
Fig. 1 (A) is a plan view of a memory device according to one embodiment of the present invention. Figs. 1 (B) to (D) are cross-sectional views of a memory device according to one embodiment of the present invention. Fig. 1 (E) is a circuit diagram for explaining the configuration of a memory device according to one embodiment of the present invention.
Fig. 2 (A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention. Figs. 2 (B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention.
Fig. 3 (A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention. Figs. 3 (B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention.
Fig. 4 (A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device, which is one embodiment of the present invention. Figs. 4 (B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device, which is one embodiment of the present invention.
Fig. 5 (A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention. Figs. 5 (B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention.
Fig. 6 (A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device, which is one embodiment of the present invention. Figs. 6 (B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device, which is one embodiment of the present invention.
Fig. 7(A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention. Figs. 7(B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention.
Fig. 8 (A) is a plan view showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention. Figs. 8 (B) and (C) are cross-sectional views showing a method for manufacturing a memory device which is one embodiment of the present invention.
Figures 9 (A) to (C) are cross-sectional views of a memory device according to one embodiment of the present invention.
Fig. 10(A) is a plan view of a memory device which is one embodiment of the present invention. Fig. 10(B) is a cross-sectional view of a memory device which is one embodiment of the present invention.
Fig. 11(A) is a plan view of a memory device which is one embodiment of the present invention. Fig. 11(B) is a cross-sectional view of a memory device which is one embodiment of the present invention.
Figures 12(A) to (E) are cross-sectional views illustrating a method for forming a metal oxide film according to one embodiment of the present invention.
Figures 13(A) to (D) are cross-sectional views of a metal oxide according to one embodiment of the present invention.
Figures 14(A) to (D) are cross-sectional views illustrating a method for forming a metal oxide film according to one embodiment of the present invention.
Figures 15 (A) to (C) are cross-sectional views illustrating a method for forming a metal oxide film according to one embodiment of the present invention.
Figure 16 is a block diagram illustrating an example configuration of a memory device.
Figures 17 (A) and (B) are schematic diagrams and circuit diagrams explaining an example configuration of a memory device.
Figures 18 (A) and (B) are schematic diagrams explaining an example configuration of a memory device.
Figure 19 is a circuit diagram explaining an example of a configuration of a memory device.
Figures 20(A) and (B) are schematic diagrams of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
Figures 21 (A) and (B) are drawings explaining examples of electronic components.
Figures 22 (A) to (E) are schematic diagrams of a memory device according to one embodiment of the present invention.
Figures 23 (A) to (H) are drawings showing an electronic device according to one embodiment of the present invention.
Figure 24 is a drawing showing an example of a space device.

이하에서, 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it will be readily understood by those skilled in the art that the embodiments may be implemented in many different forms, and that the forms and details thereof may be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. Accordingly, the present invention should not be interpreted as being limited to the description of the embodiments below.

또한 도면에서 크기, 층의 두께, 또는 영역은 명료화를 위하여 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서 그 스케일에 반드시 한정되는 것은 아니다. 또한 도면은 이상적인 예를 모식적으로 나타낸 것이고, 도면에 나타난 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다. 예를 들어 실제의 제조 공정에서, 에칭 등의 처리에 의하여 층 또는 레지스트 마스크 등이 의도치 않게 감소되는 경우가 있지만, 이해를 용이하게 하기 위하여 도면에 반영하지 않은 경우가 있다. 또한 도면에서 동일한 부분 또는 같은 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 상이한 도면 사이에서 공통적으로 사용하고, 이에 대한 반복적인 설명은 생략하는 경우가 있다. 또한 같은 기능을 가지는 부분을 가리키는 경우에는, 해치 패턴을 동일하게 하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.In addition, the size, layer thickness, or area in the drawing may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. In addition, the drawing schematically shows an ideal example, and is not limited to the shapes or values shown in the drawing. For example, in an actual manufacturing process, there are cases where layers or resist masks, etc. are unintentionally reduced by processes such as etching, but this may not be reflected in the drawing in order to facilitate understanding. In addition, in the drawing, the same symbol is commonly used in different drawings for the same part or part having the same function, and repeated explanations for this are sometimes omitted. In addition, when indicating a part having the same function, the hatch pattern is the same and no special symbol is sometimes attached.

또한 특히 평면도("상면도"라고도 함) 또는 사시도 등에서, 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 일부 구성 요소의 기재를 생략하는 경우가 있다. 또한 일부 숨은선의 기재를 생략하는 경우가 있다.In addition, in particular, in plan views (also called "top views") or perspective views, etc., descriptions of some components may be omitted to facilitate understanding of the invention. In addition, descriptions of some hidden lines may be omitted.

또한 본 명세서 등에서 제 1, 제 2 등으로 붙여지는 서수사는 편의상 사용되는 것이며, 공정 순서 또는 적층 순서를 나타내는 것이 아니다. 그러므로 예를 들어 "제 1"을 "제 2" 또는 "제 3" 등으로 적절히 바꿔 설명할 수 있다. 또한 본 명세서 등에 기재되는 서수사와, 본 발명의 일 형태를 특정하기 위하여 사용되는 서수사는 일치하지 않는 경우가 있다.In addition, ordinal numbers such as first, second, etc. in this specification and the like are used for convenience and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, "first" may be appropriately replaced with "second" or "third". In addition, there are cases where ordinal numbers described in this specification and the like do not match with ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.

또한 본 명세서 등에서 "위에", "아래에" 등의 배치를 나타내는 어구는 구성 요소끼리의 위치 관계를 도면을 참조하여 설명하기 위하여 편의상 사용하고 있다. 또한 구성 요소끼리의 위치 관계는 각 구성을 묘사하는 방향에 따라 적절히 변화된다. 따라서 명세서에서 설명된 어구에 한정되지 않고, 상황에 따라 적절히 바꿔 말할 수 있다.In addition, phrases indicating arrangement such as "above" and "below" in this specification and the like are used for convenience in explaining the positional relationship between components with reference to drawings. In addition, the positional relationship between components changes appropriately depending on the direction in which each configuration is described. Therefore, it is not limited to the phrases described in the specification, and can be appropriately changed depending on the situation.

예를 들어 본 명세서 등에서 X와 Y가 접속되어 있다는 것은 X와 Y가 전기적으로 접속되는 경우를 말한다. 여기서, X와 Y가 전기적으로 접속되어 있다는 것은 X와 Y 간에 대상물(스위치, 트랜지스터 소자, 또는 다이오드 등의 소자, 혹은 상기 소자 및 배선을 포함하는 회로 등을 가리킴)이 존재하는 경우에 X와 Y 간에서 전기 신호를 전달할 수 있는 접속을 말한다. 또한 X와 Y가 전기적으로 접속되어 있는 경우에는 X와 Y가 직접 접속되어 있는 경우가 포함된다. 여기서 X와 Y가 직접 접속되어 있다는 것은 상기 대상물을 통하지 않고, 배선(또는 전극) 등을 통하여 X와 Y 간에서 전기 신호를 전달할 수 있는 접속을 말한다. 바꿔 말하면, 직접 접속이란, 등가 회로로 나타낸 경우에 같은 회로도로 간주할 수 있는 접속을 말한다.For example, in this specification, etc., when X and Y are connected, it means that X and Y are electrically connected. Here, when X and Y are electrically connected, it means a connection that can transmit an electric signal between X and Y when an object (an element such as a switch, a transistor element, or a diode, or a circuit including the element and wiring, etc.) exists between X and Y. In addition, when X and Y are electrically connected, it includes a case where X and Y are directly connected. Here, when X and Y are directly connected, it means a connection that can transmit an electric signal between X and Y through wiring (or electrodes), etc., without going through the object. In other words, a direct connection means a connection that can be regarded as the same circuit diagram when represented as an equivalent circuit.

또한 본 명세서 등에서 트랜지스터란 게이트와, 드레인과, 소스를 포함하는 적어도 3개의 단자를 가지는 소자이다. 그리고 드레인(드레인 단자, 드레인 영역, 또는 드레인 전극)과 소스(소스 단자, 소스 영역, 또는 소스 전극) 사이에 채널이 형성되는 영역(이하, 채널 형성 영역이라고도 함)을 가지고, 채널 형성 영역을 통하여 소스와 드레인 사이에 전류를 흘릴 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 채널 형성 영역이란 전류가 주로 흐르는 영역을 말한다.In addition, in this specification and the like, a transistor is a device having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. And it has a region (hereinafter, also referred to as a channel formation region) in which a channel is formed between the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode) and the source (source terminal, source region, or source electrode), and current can flow between the source and the drain through the channel formation region. In addition, in this specification and the like, the channel formation region refers to a region through which current mainly flows.

또한 소스 또는 드레인의 기능은 상이한 극성의 트랜지스터를 채용하는 경우 또는 회로 동작에서 전류의 방향이 변화되는 경우 등에는 서로 바뀌는 경우가 있다. 그러므로 본 명세서 등에서는 소스 또는 드레인이라는 용어는 서로 바꿔 사용할 수 있는 경우가 있다.In addition, the functions of the source and drain may be interchanged when transistors of different polarities are used or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in this specification and elsewhere, the terms source and drain may be used interchangeably.

또한 반도체의 불순물이란, 예를 들어 반도체를 구성하는 주성분 외의 것을 말한다. 예를 들어 농도가 0.1atomic% 미만인 원소는 불순물이라고 할 수 있다. 불순물이 포함됨으로써, 예를 들어 반도체의 결함 준위 밀도가 높아지거나, 결정성이 저하되는 경우 등이 있다. 반도체가 산화물 반도체인 경우, 반도체의 특성을 변화시키는 불순물로서는, 예를 들어 1족 원소, 2족 원소, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 산화물 반도체의 주성분 외의 전이 금속(transition metal) 등이 있고, 예를 들어 수소, 리튬, 소듐, 실리콘, 붕소, 인, 탄소, 질소 등이 있다. 또한 물도 불순물로서 기능하는 경우가 있다. 또한 예를 들어 불순물의 혼입으로 인하여 산화물 반도체에 산소 결손(VO: oxygen vacancy라고도 함)이 형성되는 경우가 있다.Also, the impurity of a semiconductor refers to, for example, something other than the main component that constitutes the semiconductor. For example, an element with a concentration of less than 0.1 atomic% can be considered an impurity. By including an impurity, for example, the density of defect states of the semiconductor may increase, or the crystallinity may decrease. If the semiconductor is an oxide semiconductor, impurities that change the characteristics of the semiconductor may include, for example, group 1 elements, group 2 elements, group 13 elements, group 14 elements, group 15 elements, transition metals other than the main components of the oxide semiconductor, and examples thereof include hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen, etc. In addition, water may also function as an impurity. In addition, for example, the mixing of impurities may cause oxygen vacancies (V O : also called oxygen vacancies) to be formed in an oxide semiconductor.

또한 본 명세서 등에서 산화질화 실리콘이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 것을 말한다. 또한 질화산화 실리콘이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 것을 말한다. 또한 산화질화 알루미늄이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 것을 말한다. 또한 질화산화 알루미늄이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 것을 말한다. 또한 산화질화 하프늄이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 것을 말한다. 또한 질화산화 하프늄이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 것을 말한다.In addition, as used herein, silicon oxynitride refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen. In addition, silicon nitride refers to a composition having a higher nitrogen content than oxygen. In addition, aluminum oxynitride refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen. In addition, aluminum oxynitride refers to a composition having a higher nitrogen content than oxygen. In addition, hafnium oxynitride refers to a composition having a higher oxygen content than nitrogen. In addition, hafnium oxynitride refers to a composition having a higher nitrogen content than oxygen.

또한 본 명세서 등에서 "절연체"라는 용어를 절연막 또는 절연층이라고 바꿔 말할 수 있다. 또한 "도전체"라는 용어를 도전막 또는 도전층이라고 바꿔 말할 수 있다. 또한 "반도체"라는 용어를 반도체막 또는 반도체층이라고 바꿔 말할 수 있다.In addition, the term "insulator" in this specification and elsewhere may be replaced with insulating film or insulating layer. In addition, the term "conductor" may be replaced with conductive film or conductive layer. In addition, the term "semiconductor" may be replaced with semiconductor film or semiconductor layer.

또한 본 명세서 등에서 "평행"이란, 2개의 직선이 -10° 이상 10° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서 -5° 이상 5° 이하의 경우도 포함된다. 또한 "실질적으로 평행"이란, 2개의 직선이 -30° 이상 30° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 또한 "수직"이란, 2개의 직선이 80° 이상 100° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서 85° 이상 95° 이하의 경우도 포함된다. 또한 "실질적으로 수직"이란, 2개의 직선이 60° 이상 120° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다.In addition, in this specification and the like, "parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10° or more and 10° or less. Therefore, a case of -5° or more and 5° or less is also included. In addition, "substantially parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30° or more and 30° or less. In addition, "perpendicular" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80° or more and 100° or less. Therefore, a case of 85° or more and 95° or less is also included. In addition, "substantially perpendicular" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60° or more and 120° or less.

또한 본 명세서 등에서 "전압"과 "전위"는 적절히 바꿔 말할 수 있다. "전압"은 기준이 되는 전위와의 전위차를 말하고, 예를 들어 기준이 되는 전위를 그라운드 전위(접지 전위)로 하면, "전압"을 "전위"로 바꿔 말할 수 있다. 또한 그라운드 전위는 반드시 0V를 의미하는 것은 아니다. 또한 전위는 상대적인 것이고, 기준이 되는 전위가 변화됨으로써, 배선에 공급되는 전위, 회로 등에 인가되는 전위, 회로 등으로부터 출력되는 전위 등도 변화된다.In addition, in this specification and elsewhere, "voltage" and "potential" can be appropriately interchanged. "Voltage" refers to the potential difference from a reference potential, and for example, if the reference potential is the ground potential (ground potential), "voltage" can be interchanged with "potential." In addition, the ground potential does not necessarily mean 0 V. In addition, potential is relative, and as the reference potential changes, the potential supplied to wiring, the potential applied to circuits, etc., the potential output from circuits, etc. also change.

본 명세서 등에서 복수의 요소에 같은 부호를 사용하고, 이들을 특별히 구별할 필요가 있는 경우에는, 부호에 "_1", "[n]", 또는 "[m,n]" 등의 식별용 부호를 붙여서 기재하는 경우가 있다.In cases where the same symbol is used for multiple elements in this specification and there is a need to specifically distinguish them, the symbol may be described by adding an identifying symbol such as “_1”, "[n]", or "[m,n]".

또한 본 명세서 등에서 "높이가 일치하거나 실질적으로 일치"란, 단면에서 보았을 때, 기준이 되는 면(예를 들어 기판 표면 등의 평탄한 면)과 높이가 같은 구성을 말한다. 예를 들어 기억 장치의 제조 공정에서 평탄화 처리(대표적으로는 CMP 처리)를 수행함으로써 단층 또는 복수의 층의 표면이 노출되는 경우가 있다. 이 경우, CMP 처리가 수행된 피처리면은 기준이 되는 면과 높이가 같다. 다만 CMP 처리에 사용되는 처리 장치, 처리 방법, 또는 피처리면의 재료에 따라서는 복수의 층의 높이가 서로 달라지는 경우가 있다. 본 명세서 등에서는 이 경우도 "높이가 일치하거나 실질적으로 일치"에 포함시킨다. 예를 들어 기준이 되는 면에 대하여 높이를 가지는 2개의 층(여기서는 제 1 층과 제 2 층)을 가지고, 제 1 층의 상면의 높이와 제 2 층의 상면의 높이의 차이가 20nm 이하인 경우도 "높이가 일치하거나 실질적으로 일치"라고 한다.In addition, in this specification and the like, "the heights are the same or substantially the same" means a configuration that, when viewed in cross-section, has the same height as a reference surface (e.g., a flat surface such as a substrate surface). For example, in a manufacturing process of a memory device, there are cases where a surface of a single layer or multiple layers is exposed by performing a flattening process (typically, CMP process). In this case, the surface to be processed on which the CMP process has been performed has the same height as the reference surface. However, depending on the processing device, processing method, or material of the surface to be processed used for the CMP process, there are cases where the heights of the multiple layers are different from each other. In this specification and the like, this case is also included in "the heights are the same or substantially the same." For example, if there are two layers (here, the first layer and the second layer) having heights with respect to a reference surface, and the difference between the height of the upper surface of the first layer and the height of the upper surface of the second layer is 20 nm or less, it is also said that "the heights are the same or substantially the same."

또한 본 명세서 등에서 "단부가 일치하거나 실질적으로 일치"란, 평면에서 보았을 때, 적층된 층과 층 사이에서 적어도 윤곽의 일부가 중첩되는 것을 말한다. 예를 들어 위층과 아래층이 동일한 마스크 패턴 또는 일부가 동일한 마스크 패턴을 사용하여 가공된 경우를 그 범주에 포함한다. 다만 엄밀하게 말하면 윤곽이 중첩되지 않고 위층의 윤곽이 아래층의 윤곽보다 내측에 위치하거나 위층의 윤곽이 아래층의 윤곽보다 외측에 위치하는 경우도 있고, 이 경우도 "단부가 일치하거나 실질적으로 일치"라고 한다.In addition, in this specification and the like, "the ends coincide or substantially coincide" means that, when viewed in a plan view, at least a part of the outlines overlap between the laminated layers. For example, this category includes cases where the upper and lower layers are processed using the same mask pattern or partly the same mask pattern. However, strictly speaking, there are cases where the outlines do not overlap and the outline of the upper layer is located inside the outline of the lower layer, or the outline of the upper layer is located outside the outline of the lower layer, and in these cases, "the ends coincide or substantially coincide" is also said.

(실시형태 1)(Embodiment 1)

본 실시형태에서는, 도 1 내지 도 11을 사용하여 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 일례 및 그 제작 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 형태인 기억 장치는 트랜지스터 및 용량 소자를 가진다.In this embodiment, an example of a memory device according to one embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described using FIGS. 1 to 11. The memory device according to one embodiment of the present invention has a transistor and a capacitor element.

<기억 장치의 구성예><Example of memory device configuration>

도 1을 사용하여 트랜지스터 및 용량 소자를 가지는 기억 장치의 구성에 대하여 설명한다. 도 1의 (A) 내지 (D)는 트랜지스터(200) 및 용량 소자(100)를 가지는 기억 장치의 평면도 및 단면도이다. 도 1의 (A)는 상기 기억 장치의 평면도이다. 또한 도 1의 (B) 내지 (D)는 상기 기억 장치의 단면도이다. 여기서 도 1의 (B)는 도 1의 (A)에서 일점쇄선 A1-A2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 1의 (C)는 도 1의 (A)에서 일점쇄선 A3-A4로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 1의 (D)는 트랜지스터(200)의 일부의 단면도이다. 또한 도 1의 (A)의 평면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부 요소를 생략하였다.Hereinafter, a configuration of a memory device having a transistor and a capacitor will be described using FIG. 1. FIGS. 1(A) to 1(D) are a plan view and a cross-sectional view of a memory device having a transistor (200) and a capacitor (100). FIG. 1(A) is a plan view of the memory device. In addition, FIGS. 1(B) to 1(D) are cross-sectional views of the memory device. Here, FIG. 1(B) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 1(A). In addition, FIG. 1(C) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line A3-A4 in FIG. 1(A). In addition, FIG. 1(D) is a cross-sectional view of a portion of a transistor (200). In addition, some elements are omitted in the plan view of FIG. 1(A) for clarity of the drawing.

또한 도 1의 (A)에 나타낸 Z방향은 트랜지스터(200)의 채널 길이 방향에 평행하고, Y방향은 Z방향에 수직이고, X방향은 Z방향 및 Y방향에 수직이다. 또한 도 1의 (A)에 나타낸 X방향, Y방향, 및 Z방향을 도 1의 (B) 내지 (D)에도 도시하였다.In addition, the Z direction shown in (A) of Fig. 1 is parallel to the channel length direction of the transistor (200), the Y direction is perpendicular to the Z direction, and the X direction is perpendicular to the Z direction and the Y direction. In addition, the X direction, the Y direction, and the Z direction shown in (A) of Fig. 1 are also illustrated in (B) to (D) of Figs.

본 발명의 일 형태의 기억 장치는, 기판(도시하지 않았음) 위의 절연체(140)와, 절연체(140) 위의 용량 소자(100)와, 용량 소자(100) 위의 트랜지스터(200)와, 절연체(140) 및 용량 소자(100) 위의 절연체(280)와, 절연체(280) 위의 절연체(281) 및 도전체(240)와, 절연체(281) 및 도전체(240) 위의 절연체(285)와, 절연체(285) 위의 절연체(287)와, 절연체(287) 위의 절연체(289) 및 도전체(265)를 가진다. 절연체(140), 절연체(280), 절연체(281), 절연체(285), 절연체(287), 및 절연체(289)는 층간막으로서 기능한다.A memory device of one embodiment of the present invention has an insulator (140) on a substrate (not shown), a capacitor (100) on the insulator (140), a transistor (200) on the capacitor (100), an insulator (280) on the insulator (140) and the capacitor (100), an insulator (281) and a conductor (240) on the insulator (280), an insulator (285) on the insulator (281) and the conductor (240), an insulator (287) on the insulator (285), and an insulator (289) and a conductor (265) on the insulator (287). The insulator (140), the insulator (280), the insulator (281), the insulator (285), the insulator (287), and the insulator (289) function as interlayer films.

트랜지스터(200)는 절연체(280) 아래의 도전체(120)와, 도전체(120)의 상면에 접하여 배치된 산화물 반도체(230)와, 산화물 반도체의 일부에 접하는 도전체(240)와, 산화물 반도체(230) 위의 절연체(250)와, 절연체(250) 위의 도전체(260)를 가진다. 여기서 산화물 반도체(230)는 반도체층으로서 기능하고, 도전체(260)는 게이트 전극으로서 기능하고, 도전체(120)는 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로서 기능하고, 도전체(240)는 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽으로서 기능하고, 절연체(250)는 게이트 절연체로서 기능한다.A transistor (200) has a conductor (120) under an insulator (280), an oxide semiconductor (230) arranged in contact with an upper surface of the conductor (120), a conductor (240) in contact with a part of the oxide semiconductor, an insulator (250) over the oxide semiconductor (230), and a conductor (260) over the insulator (250). Here, the oxide semiconductor (230) functions as a semiconductor layer, the conductor (260) functions as a gate electrode, the conductor (120) functions as one of a source electrode and a drain electrode, the conductor (240) functions as the other of the source electrode and the drain electrode, and the insulator (250) functions as a gate insulator.

도 1의 (B) 및 (C)에 나타낸 바와 같이, 절연체(280), 도전체(240), 및 절연체(285)에 도전체(120)에 달하는 개구(290)가 형성되어 있다. 산화물 반도체(230)의 적어도 일부, 절연체(250)의 적어도 일부, 및 도전체(260)의 적어도 일부가 개구(290) 내에 배치되어 있다.As shown in (B) and (C) of FIG. 1, an opening (290) is formed in the insulator (280), the conductor (240), and the insulator (285) to reach the conductor (120). At least a portion of the oxide semiconductor (230), at least a portion of the insulator (250), and at least a portion of the conductor (260) are arranged within the opening (290).

용량 소자(100)는, 절연체(140) 위의 도전체(110)와, 도전체(110) 위의 절연체(130)와, 절연체(130) 위의 도전체(120)를 가진다. 도전체(110)는 하부 전극으로서 기능하고, 도전체(120)는 상부 전극으로서 기능하고, 절연체(130)는 유전체로서 기능한다. 즉 용량 소자(100)는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 용량 소자를 구성한다.The capacitor (100) has a conductor (110) on an insulator (140), an insulator (130) on the conductor (110), and a conductor (120) on the insulator (130). The conductor (110) functions as a lower electrode, the conductor (120) functions as an upper electrode, and the insulator (130) functions as a dielectric. That is, the capacitor (100) constitutes a MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor.

본 실시형태에 나타낸 트랜지스터(200) 및 용량 소자(100)는 기억 장치의 메모리 셀로서 사용될 수 있다(이하, 메모리 셀(150)이라고 부르는 경우가 있음). 여기서 도 1의 (B) 및 (C)에 나타낸 바와 같이, 트랜지스터(200)는 용량 소자(100)와 중첩되도록 제공된다. 특히 도전체(120)는 트랜지스터(200)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로서 기능하고, 또한 용량 소자(100)의 상부 전극으로서 기능하기 때문에, 트랜지스터(200)와 용량 소자(100)는 구조의 일부를 공유한다. 이러한 구조로 함으로써, 평면에서 보았을 때의 점유 면적을 크게 증가시키지 않고 트랜지스터(200) 및 용량 소자(100)를 제공할 수 있다. 이로써 메모리 셀(150)의 면적을 저감할 수 있기 때문에, 메모리 셀(150)을 고밀도로 배치하고, 기억 장치의 기억 용량을 크게 할 수 있다. 바꿔 말하면 기억 장치를 고집적화할 수 있다.The transistor (200) and the capacitor (100) shown in the present embodiment can be used as a memory cell of a memory device (hereinafter, sometimes referred to as a memory cell (150)). Here, as shown in (B) and (C) of FIG. 1, the transistor (200) is provided to overlap with the capacitor (100). In particular, since the conductor (120) functions as one of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200) and also functions as the upper electrode of the capacitor (100), the transistor (200) and the capacitor (100) share a part of the structure. By having this structure, the transistor (200) and the capacitor (100) can be provided without significantly increasing the occupied area when viewed from a planar view. Since the area of the memory cell (150) can be reduced, the memory cell (150) can be arranged at a high density, and the memory capacity of the memory device can be increased. In other words, the memory device can be highly integrated.

본 실시형태에서 설명하는 기억 장치의 회로도를 도 1의 (E)에 나타내었다. 도 1의 (E)에 나타낸 바와 같이, 도 1의 (A) 내지 (C)에 나타낸 구성은 기억 장치의 메모리 셀로서 기능한다. 한쪽 메모리 셀은 트랜지스터(Tr)와 용량 소자(C)를 가진다. 여기서 트랜지스터(Tr)는 트랜지스터(200)에 대응하고, 용량 소자(C)는 용량 소자(100)에 대응한다.A circuit diagram of a memory device described in this embodiment is shown in Fig. 1 (E). As shown in Fig. 1 (E), the configurations shown in Figs. 1 (A) to (C) function as memory cells of the memory device. One memory cell has a transistor (Tr) and a capacitor element (C). Here, the transistor (Tr) corresponds to a transistor (200), and the capacitor element (C) corresponds to a capacitor element (100).

메모리 셀에 있어서, 트랜지스터(Tr)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 용량 소자(C)의 한쪽 전극에 접속된다. 트랜지스터(Tr)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 배선(BL)에 접속된다. 트랜지스터(Tr)의 게이트는 배선(WL)에 접속된다. 용량 소자(C)의 다른 쪽 전극은 배선(PL)에 접속된다.In the memory cell, one of the source and drain of the transistor (Tr) is connected to one electrode of the capacitor (C). The other of the source and drain of the transistor (Tr) is connected to the wiring (BL). The gate of the transistor (Tr) is connected to the wiring (WL). The other electrode of the capacitor (C) is connected to the wiring (PL).

여기서 배선(BL)은 도전체(240)에 대응하고, 배선(WL)은 도전체(265)에 대응하고, 배선(PL)은 도전체(110)에 대응한다. 도 1의 (A) 내지 (C)에 나타낸 바와 같이, 도전체(265)는 Y방향으로 신장되어 형성되고, 도전체(240)는 X방향으로 신장되어 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 배선(BL)과 배선(WL)은 서로 교차하여 제공된다. 또한 도 1의 (E)에서는 배선(PL)이 배선(WL)에 평행하게 제공되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 배선(PL)(도전체(110))이 배선(BL)에 평행하게 제공되어도 좋고, 배선(PL)(도전체(110))이 평면상으로 제공되어도 좋다.Here, the wiring (BL) corresponds to the conductor (240), the wiring (WL) corresponds to the conductor (265), and the wiring (PL) corresponds to the conductor (110). As shown in (A) to (C) of FIG. 1, it is preferable that the conductor (265) is formed to extend in the Y direction, and the conductor (240) is formed to extend in the X direction. By having this configuration, the wiring (BL) and the wiring (WL) are provided to intersect each other. In addition, in (E) of FIG. 1, the wiring (PL) is provided parallel to the wiring (WL), but the present invention is not limited thereto. For example, the wiring (PL) (conductor (110)) may be provided parallel to the wiring (BL), or the wiring (PL) (conductor (110)) may be provided in a plane.

또한 메모리 셀에 대해서는 추후의 실시형태에서 자세히 설명한다.Also, the memory cell will be described in detail in a later embodiment.

[트랜지스터(200)][Transistor (200)]

도 1의 (A) 내지 (C)에 나타낸 바와 같이, 트랜지스터(200)는 절연체(130) 위에 접하여 제공된 도전체(120)와, 도전체(120)의 상면, 절연체(280)의 측면, 도전체(240)의 측면, 절연체(285)의 측면 및 상면에 접하여 제공된 산화물 반도체(230)와, 산화물 반도체(230)의 상면에 접하여 제공된 절연체(250)와, 절연체(281)에 매립되도록 제공된 도전체(240)와, 절연체(250)의 상면에 접하여 제공된 도전체(260)와, 도전체(260)의 상면에 접하고 절연체(289)에 매립되도록 제공된 도전체(265)를 가지는 구성으로 할 수 있다.As shown in (A) to (C) of FIG. 1, the transistor (200) can be configured to have a conductor (120) provided in contact with an insulator (130), an oxide semiconductor (230) provided in contact with the upper surface of the conductor (120), the side surface of the insulator (280), the side surface of the conductor (240), the side surface and the upper surface of the insulator (285), an insulator (250) provided in contact with the upper surface of the oxide semiconductor (230), a conductor (240) provided to be embedded in the insulator (281), a conductor (260) provided in contact with the upper surface of the insulator (250), and a conductor (265) provided in contact with the upper surface of the conductor (260) and embedded in the insulator (289).

트랜지스터(200)의 적어도 일부는 개구(290) 내에 배치된다. 개구(290)는 도 1의 (A) 내지 (D)에 나타낸 바와 같이 원기둥 형상으로 제공할 수 있다. 이 경우, 평면에서 보았을 때 개구(290)는 원형이고, 단면에서 보았을 때 개구(290)는 직사각형이 된다. 여기서 개구(290)의 바닥면은 도전체(120)의 상면이고, 개구(290)의 측벽은 절연체(280)의 측면, 도전체(240)의 측면, 및 절연체(285)의 측면이다.At least a portion of the transistor (200) is disposed within the opening (290). The opening (290) may be provided in a cylindrical shape as shown in (A) to (D) of FIG. 1. In this case, the opening (290) is circular when viewed from a plan view, and is rectangular when viewed from a cross-section. Here, the bottom surface of the opening (290) is the upper surface of the conductor (120), and the side walls of the opening (290) are the side surfaces of the insulator (280), the side surfaces of the conductor (240), and the side surfaces of the insulator (285).

또한 본 실시형태에서는 개구(290)의 측벽이 도전체(120)의 상면에 대하여 실질적으로 수직이 되도록 개구(290)를 제공하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 개구(290)의 측벽은 테이퍼 형상이어도 좋다. 개구(290)의 측벽을 테이퍼 형상으로 함으로써, 산화물 반도체(230) 또는 절연체(250) 등의 피복성이 향상되어, 공동 등의 결함을 저감할 수 있다.In addition, in the present embodiment, the opening (290) is provided so that the sidewall of the opening (290) is substantially perpendicular to the upper surface of the conductor (120), but the present invention is not limited thereto. For example, the sidewall of the opening (290) may have a tapered shape. By making the sidewall of the opening (290) into a tapered shape, the covering property of the oxide semiconductor (230) or the insulator (250), etc., is improved, and defects such as cavities can be reduced.

또한 본 명세서 등에서 테이퍼 형상이란, 구조의 측면의 적어도 일부가 기판면 또는 피형성면에 대하여 경사져 제공되어 있는 형상을 가리킨다. 예를 들어 경사진 측면과 기판 면이 이루는 각(이하 테이퍼각이라고 부르는 경우가 있음)이 90° 미만인 영역을 가진다. 또한 구조의 측면 및 기판면은 반드시 완전히 평탄할 필요는 없고, 미세한 곡률을 가지는 대략 평면 형상 또는 미세한 요철을 가지는 대략 평면 형상을 가져도 좋다.In addition, in this specification and the like, a tapered shape refers to a shape in which at least a portion of a side surface of a structure is provided at an angle relative to a substrate surface or a formation surface. For example, it has a region in which the angle formed by the inclined side surface and the substrate surface (hereinafter sometimes referred to as a taper angle) is less than 90°. In addition, the side surface and the substrate surface of the structure do not necessarily need to be completely flat, and may have an approximately flat shape with a slight curvature or an approximately flat shape with a slight unevenness.

또한 본 실시형태에서는 평면에서 보았을 때 개구(290)가 원형인 예를 나타내었지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 개구(290)는, 평면에서 보았을 때 타원 등의 대략 원형, 사각형 등의 다각형, 사각형 등의 다각형의 모서리 부분을 둥글게 한 형상이어도 좋다.In addition, in this embodiment, an example is shown in which the opening (290) is circular when viewed from a plan view, but the present invention is not limited thereto. For example, the opening (290) may have a shape that is approximately circular, such as an ellipse, a polygon, such as a square, or a polygon with rounded corners, such as a square, when viewed from a plan view.

산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)의 개구(290) 내에 배치되는 부분은 개구(290)의 형상을 반영하여 제공된다. 따라서 개구(290)의 바닥면 및 측벽을 덮도록 산화물 반도체(230)가 제공되고, 산화물 반도체(230)를 덮도록 절연체(250)가 제공되고, 개구(290)의 형상을 반영한 절연체(250)의 오목부를 매립하도록 도전체(260)가 제공된다. 여기서 산화물 반도체(230)는 개구(290)의 바닥부에 있어서 도전체(120)의 상면에 접하고, 개구(290)의 측벽에 있어서 도전체(240)의 측면에 접한다.The portions arranged within the opening (290) of the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) are provided to reflect the shape of the opening (290). Accordingly, the oxide semiconductor (230) is provided to cover the bottom surface and side walls of the opening (290), the insulator (250) is provided to cover the oxide semiconductor (230), and the conductor (260) is provided to fill the concave portion of the insulator (250) reflecting the shape of the opening (290). Here, the oxide semiconductor (230) contacts the upper surface of the conductor (120) at the bottom of the opening (290) and contacts the side surface of the conductor (240) at the side walls of the opening (290).

상술한 바와 같이, 도전체(260)는 트랜지스터(200)의 게이트 전극으로서 기능하고, 도전체(120)는 트랜지스터(200)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로서 기능하고, 도전체(240)는 트랜지스터(200)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽으로서 기능한다. 따라서 산화물 반도체(230)의 도전체(120)와 접하는 영역 및 그 근방의 적어도 일부는 소스 영역 및 드레인 영역 중 한쪽으로서 기능하고, 산화물 반도체(230)의 도전체(240)와 접하는 영역 및 그 근방의 적어도 일부는 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽으로서 기능한다. 여기서 도 1의 (D)는 도전체(240)를 포함하는 XY 평면을 나타낸 단면도이다. 도 1의 (D)에 나타낸 바와 같이, 도전체(240)는 산화물 반도체(230)의 외주 전체에 접한다. 따라서 트랜지스터(200)의 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽은 산화물 반도체(230) 중, 도전체(240)와 같은 층에 형성되는 부분의 외주 전체에 형성될 수 있다.As described above, the conductor (260) functions as a gate electrode of the transistor (200), the conductor (120) functions as one of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200), and the conductor (240) functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200). Therefore, at least a portion of a region of the oxide semiconductor (230) in contact with the conductor (120) and its vicinity functions as one of the source region and the drain region, and at least a portion of a region of the oxide semiconductor (230) in contact with the conductor (240) and its vicinity functions as the other of the source region and the drain region. Here, (D) of FIG. 1 is a cross-sectional view showing an XY plane including the conductor (240). As shown in (D) of FIG. 1, the conductor (240) is in contact with the entire outer periphery of the oxide semiconductor (230). Therefore, the other of the source region and drain region of the transistor (200) can be formed on the entire outer periphery of the portion formed in the same layer as the conductor (240) among the oxide semiconductor (230).

산화물 반도체(230)의 소스 영역 및 드레인 영역 중 한쪽으로서 기능하는 영역과, 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽으로서 기능하는 영역 사이의 영역의 적어도 일부가 채널 형성 영역으로서 기능한다.At least a portion of a region between a region functioning as one of the source region and the drain region of the oxide semiconductor (230) and a region functioning as the other of the source region and the drain region functions as a channel forming region.

여기서 트랜지스터(200)의 채널 형성 영역은 산화물 반도체(230)의, 도전체(120)와 도전체(240) 사이의 영역에 위치한다. 또한 트랜지스터(200)의 채널 형성 영역은 산화물 반도체(230)의, 절연체(280)와 접하는 영역 또는 그 근방의 영역에 위치한다고 할 수도 있다. 즉 트랜지스터(200)의 채널 길이는 도전체(120) 위의 절연체(280)의 두께에 따라 결정된다고 할 수 있다.Here, the channel formation region of the transistor (200) is located in the region between the conductor (120) and the conductor (240) of the oxide semiconductor (230). In addition, it can be said that the channel formation region of the transistor (200) is located in the region in contact with the insulator (280) of the oxide semiconductor (230) or in the vicinity thereof. In other words, it can be said that the channel length of the transistor (200) is determined according to the thickness of the insulator (280) over the conductor (120).

종래의 트랜지스터에서는 채널 길이가 포토리소그래피의 노광 한계로 설정되었지만, 본 발명에서는 절연체(280)의 막 두께로 채널 길이를 설정할 수 있다. 따라서 트랜지스터(200)의 채널 길이를 포토리소그래피의 노광 한계 이하의 매우 미세한 구조(예를 들어 60nm 이하, 50nm 이하, 40nm 이하, 30nm 이하, 20nm 이하, 또는 10nm 이하이고, 1nm 이상 또는 5nm 이상임)로 할 수 있다. 이에 의하여 트랜지스터(200)의 온 전류가 증가되고 주파수 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 메모리 셀(150)의 판독 속도 및 기록 속도를 향상시킬 수 있기 때문에 동작 속도가 빠른 기억 장치를 제공할 수 있다.In conventional transistors, the channel length is set by the exposure limit of photolithography, but in the present invention, the channel length can be set by the film thickness of the insulator (280). Therefore, the channel length of the transistor (200) can be made into a very fine structure (for example, 60 nm or less, 50 nm or less, 40 nm or less, 30 nm or less, 20 nm or less, or 10 nm or less, and 1 nm or more or 5 nm or more) that is less than the exposure limit of photolithography. As a result, the on current of the transistor (200) can be increased and the frequency characteristics can be improved. Therefore, the read speed and write speed of the memory cell (150) can be improved, so that a memory device having a high operating speed can be provided.

또한 상술한 바와 같이 개구(290) 내에 채널 형성 영역, 소스 영역, 및 드레인 영역을 형성할 수 있다. 이로써 채널 형성 영역, 소스 영역, 및 드레인 영역이 XY 평면 위에 따로따로 제공된 종래의 트랜지스터에 비하여 트랜지스터(200)의 점유 면적을 축소할 수 있다. 이로써 기억 장치를 고집적화할 수 있기 때문에, 단위 면적당 기억 용량을 크게 할 수 있다.In addition, as described above, a channel formation region, a source region, and a drain region can be formed within the opening (290). This allows the occupied area of the transistor (200) to be reduced compared to a conventional transistor in which the channel formation region, the source region, and the drain region are provided separately on the XY plane. This allows the memory device to be highly integrated, thereby increasing the memory capacity per unit area.

또한 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역을 포함하는 XY 평면에서도, 도 1의 (D)와 마찬가지로 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)는 동심원상으로 제공된다. 따라서 중심에 제공된 도전체(260)의 측면은 절연체(250)를 개재(介在)하여 산화물 반도체(230)의 측면과 대향한다. 즉 평면에서 보았을 때, 산화물 반도체(230)의 둘레 전체가 채널 형성 영역이 된다. 이때 예를 들어 산화물 반도체(230)의 외주의 길이에 따라 트랜지스터(200)의 채널 폭이 결정된다. 이와 같이 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)를 제공함으로써 단위 면적당 채널 폭을 크게 하여 온 전류를 높일 수 있다.Also, in the XY plane including the channel formation region of the oxide semiconductor (230), the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) are provided concentrically, similarly to (D) of FIG. 1. Therefore, the side surface of the conductor (260) provided at the center faces the side surface of the oxide semiconductor (230) with the insulator (250) interposed therebetween. That is, when viewed in the plane, the entire periphery of the oxide semiconductor (230) becomes the channel formation region. At this time, for example, the channel width of the transistor (200) is determined according to the length of the outer periphery of the oxide semiconductor (230). By providing the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) in this way, the channel width per unit area can be increased, thereby increasing the on-state current.

또한 평면에서 보았을 때 원형이 되도록 개구(290)를 형성함으로써, 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)는 동심원상으로 제공된다. 이에 의하여, 도전체(260)와 산화물 반도체(230) 사이의 거리가 실질적으로 균일하게 되기 때문에, 산화물 반도체(230)에 실질적으로 균일하게 게이트 전계를 인가할 수 있다.In addition, by forming the opening (290) so as to be circular when viewed from a plane, the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) are provided in a concentric shape. Accordingly, since the distance between the conductor (260) and the oxide semiconductor (230) becomes substantially uniform, a gate electric field can be applied substantially uniformly to the oxide semiconductor (230).

트랜지스터(200)의 채널 형성 영역은 소스 영역 및 드레인 영역보다 산소 결손이 적거나 수소, 질소, 금속 원소 등의 불순물 농도가 낮은 것이 바람직하다. 또한 산소 결손 근방의 수소가 산소 결손에 수소가 들어간 결함(이하 VOH라고 부르는 경우가 있음)을 형성하고, 캐리어가 되는 전자를 생성하는 경우가 있기 때문에, 채널 형성 영역에서는 VOH도 저감되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 트랜지스터(200)의 채널 형성 영역은 캐리어 농도가 낮은 고저항 영역이다. 따라서 트랜지스터(200)의 채널 형성 영역은 i형(진성) 또는 실질적으로 i형이라고 할 수 있다.It is preferable that the channel formation region of the transistor (200) has fewer oxygen vacancies or lower concentrations of impurities such as hydrogen, nitrogen, and metal elements than the source region and the drain region. In addition, since hydrogen near the oxygen vacancies may form defects in which hydrogen enters the oxygen vacancies (hereinafter sometimes referred to as V O H) and generate electrons that become carriers, it is preferable that V O H is also reduced in the channel formation region. In this way, the channel formation region of the transistor (200) is a high-resistance region with a low carrier concentration. Therefore, the channel formation region of the transistor (200) can be said to be i-type (intrinsic) or substantially i-type.

또한 트랜지스터(200)의 소스 영역 및 드레인 영역은 채널 형성 영역에 비하여 산소 결손이 많거나, VOH가 많거나, 수소, 질소, 금속 원소 등 불순물의 농도가 높아 캐리어 농도가 증가되어 저저항화된 영역이다. 즉 트랜지스터(200)의 소스 영역 및 드레인 영역은 채널 형성 영역에 비하여 캐리어 농도가 높고 저항이 낮은 n형 영역이다.In addition, the source region and drain region of the transistor (200) are regions with increased carrier concentration and low resistance due to having many oxygen vacancies, many V O H, or high concentrations of impurities such as hydrogen, nitrogen, and metal elements compared to the channel formation region. In other words, the source region and drain region of the transistor (200) are n-type regions with high carrier concentration and low resistance compared to the channel formation region.

또한 산화물 반도체(230)의 일부, 절연체(250)의 일부, 및 도전체(260)의 일부는 개구(290)의 바깥, 즉 절연체(285) 위에 위치한다. 여기서 산화물 반도체(230)의 일부가 절연체(285)의 상면에 접하는 구조로 할 수 있다. 또한 도 1의 (B) 및 (C)에 나타낸 바와 같이, 산화물 반도체(230)의 측단부와 절연체(250)의 측단부가 실질적으로 일치하는 구조로 하여도 좋다. 이러한 구조로 함으로써, 산화물 반도체(230)와 절연체(250)를 동일한 마스크를 사용하여 형성할 수 있어, 기억 장치의 제작 공정을 간략화할 수 있다.In addition, a part of the oxide semiconductor (230), a part of the insulator (250), and a part of the conductor (260) are positioned outside the opening (290), that is, on the insulator (285). Here, a structure may be formed in which a part of the oxide semiconductor (230) is in contact with the upper surface of the insulator (285). In addition, as shown in (B) and (C) of FIG. 1, a structure may be formed in which the side end of the oxide semiconductor (230) and the side end of the insulator (250) substantially coincide with each other. By forming the oxide semiconductor (230) and the insulator (250) using the same mask, the manufacturing process of the memory device may be simplified.

또는 절연체(250)가 산화물 반도체(230)의 측단부를 덮는 구조로 하여도 좋다. 이에 의하여, 도전체(260)와 산화물 반도체(230)가 단락되는 것을 방지할 수 있다.Alternatively, the insulator (250) may be structured to cover the side end of the oxide semiconductor (230). As a result, the conductor (260) and the oxide semiconductor (230) can be prevented from being short-circuited.

또한 도 1의 (B), (C)에 나타낸 바와 같이, 도전체(260)의 측단부가 산화물 반도체(230)의 측단부 및 절연체(250)의 측단부보다 내측에 위치하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 도전체(260)와 산화물 반도체(230)가 단락되는 것을 방지할 수 있다.In addition, as shown in (B) and (C) of Fig. 1, it is preferable that the side end of the conductor (260) is positioned closer to the side end of the oxide semiconductor (230) and the side end of the insulator (250). As a result, the conductor (260) and the oxide semiconductor (230) can be prevented from being short-circuited.

산화물 반도체(230)로서 사용되는 금속 산화물은 밴드 갭이 2eV 이상인 것이 바람직하고, 2.5eV 이상인 것이 더 바람직하다. 밴드 갭이 큰 금속 산화물을 사용함으로써 트랜지스터의 오프 전류를 저감할 수 있다. 트랜지스터(200)는 오프 전류가 낮기 때문에, 이를 메모리 셀에 사용함으로써 장기간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있다. 즉 리프레시 동작이 불필요하거나 리프레시 동작의 빈도가 매우 낮기 때문에, 기억 장치의 소비 전력을 충분히 저감할 수 있다.The metal oxide used as the oxide semiconductor (230) preferably has a band gap of 2 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more. By using a metal oxide having a large band gap, the off-state current of the transistor can be reduced. Since the transistor (200) has a low off-state current, by using it in a memory cell, the memory content can be retained for a long period of time. That is, since the refresh operation is unnecessary or the frequency of the refresh operation is very low, the power consumption of the memory device can be sufficiently reduced.

산화물 반도체(230)로서 예를 들어 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 및 아연 산화물 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산화물 반도체(230)로서 예를 들어 인듐, 원소 M, 및 아연 중에서 선택되는 2개 또는 3개를 가지는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 원소 M은 갈륨, 알루미늄, 실리콘, 붕소, 이트륨, 주석, 구리, 바나듐, 베릴륨, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 마그네슘, 및 코발트 중에서 선택된 1종류 또는 복수 종류이다. 특히 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중에서 선택된 1종류 또는 복수 종류인 것이 바람직하다. 또한 인듐, 원소 M, 및 아연을 가지는 금속 산화물을 In-M-Zn 산화물이라고 표기하는 경우가 있다.As the oxide semiconductor (230), it is preferable to use, for example, a metal oxide such as indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide. In addition, it is preferable to use, as the oxide semiconductor (230), a metal oxide having two or three elements selected from indium, the element M, and zinc. In addition, the element M is one or more elements selected from gallium, aluminum, silicon, boron, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, and cobalt. In particular, it is preferable that the element M is one or more elements selected from aluminum, gallium, yttrium, and tin. In addition, a metal oxide having indium, the element M, and zinc is sometimes expressed as In-M-Zn oxide.

특히 트랜지스터의 반도체층에는 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물(IGZO라고도 표기함)을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 트랜지스터의 반도체층에는 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 및 주석(Sn)을 포함하는 산화물(IGZTO)을 사용하여도 좋다. 또는 트랜지스터의 반도체층에는 인듐(In), 알루미늄(Al), 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물(IAZO라고도 표기함)을 사용하여도 좋다. 또는 트랜지스터의 반도체에는 인듐(In), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물(IAGZO 또는 IGAZO)을 사용하여도 좋다.In particular, it is preferable to use an oxide containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) (also referred to as IGZO) for the semiconductor layer of the transistor. Alternatively, an oxide containing indium (In), gallium (Ga), zinc (Zn), and tin (Sn) (IGZTO) may be used for the semiconductor layer of the transistor. Alternatively, an oxide containing indium (In), aluminum (Al), and zinc (Zn) (also referred to as IAZO) may be used for the semiconductor layer of the transistor. Alternatively, an oxide containing indium (In), aluminum (Al), gallium (Ga), and zinc (Zn) (IAGZO or IGAZO) may be used for the semiconductor layer of the transistor.

또한 산화물 반도체(230)는 화학 조성이 다른 복수의 산화물층의 적층 구조를 가져도 좋다. 예를 들어 상기 금속 산화물에서 선택되는 복수 종류를 적절히 적층시키는 구조로 하여도 좋다.In addition, the oxide semiconductor (230) may have a stacked structure of multiple oxide layers having different chemical compositions. For example, it may have a structure in which multiple types selected from the above metal oxides are appropriately stacked.

또한 산화물 반도체(230)로서 In:M:Zn=1:3:4[원자수비] 또는 그 근방의 조성, In:M:Zn=1:1:0.5[원자수비] 또는 그 근방의 조성, In:M:Zn=1:1:1[원자수비] 또는 그 근방의 조성, In:M:Zn=1:1:1.2[원자수비] 또는 그 근방의 조성, 또는 In:M:Zn=1:1:2[원자수비] 또는 그 근방의 조성, 또는 In:M:Zn=4:2:3[원자수비] 또는 그 근방의 조성의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 근방의 조성이란, 원하는 원자수비의 ±30%의 범위를 포함한 것이다. 또한 원소 M으로서 갈륨을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, as the oxide semiconductor (230), it is preferable to use a metal oxide having a composition of In:M:Zn=1:3:4 [atomic ratio] or nearby, In:M:Zn=1:1:0.5 [atomic ratio] or nearby, In:M:Zn=1:1:1 [atomic ratio] or nearby, In:M:Zn=1:1:1.2 [atomic ratio] or nearby, or In:M:Zn=1:1:2 [atomic ratio] or nearby, or In:M:Zn=4:2:3 [atomic ratio] or nearby. In addition, the nearby composition includes a range of ±30% of the desired atomic ratio. In addition, it is preferable to use gallium as the element M.

또한 금속 산화물을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 상기 원자수비는 성막된 금속 산화물의 원자수비에 한정되지 않고, 금속 산화물의 성막에 사용하는 스퍼터링 타깃의 원자수비이어도 좋다.In addition, when a metal oxide is formed into a film by a sputtering method, the atomic ratio is not limited to the atomic ratio of the formed metal oxide, and may be the atomic ratio of the sputtering target used for forming the metal oxide film.

산화물 반도체(230)는 결정성을 가지는 것이 바람직하다. 특히 산화물 반도체(230)로서 CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)를 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that the oxide semiconductor (230) has crystallinity. In particular, it is preferable to use a CAAC-OS (c-axis aligned crystalline oxide semiconductor) as the oxide semiconductor (230).

CAAC-OS는 복수의 층상 결정 영역을 가지고, c축이 피형성면의 법선 방향으로 배향되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물 반도체(230)는 개구(290)의 측벽, 특히 절연체(280)의 측면에 대하여 실질적으로 평행한 층상의 결정을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 트랜지스터(200)의 채널 길이 방향에 대하여 산화물 반도체(230)의 층상 결정이 실질적으로 평행하게 형성되기 때문에, 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있다.It is preferable that the CAAC-OS has multiple layered crystal regions, and that the c-axis is oriented in the normal direction to the formation surface. For example, it is preferable that the oxide semiconductor (230) has layered crystals that are substantially parallel to the sidewall of the opening (290), particularly, the sidewall of the insulator (280). By forming it in this configuration, the layered crystals of the oxide semiconductor (230) are formed substantially parallel to the channel length direction of the transistor (200), so that the on-state current of the transistor can be increased.

CAAC-OS는 결정성이 높고 치밀한 구조를 가지고, 불순물 및 결함(예를 들어 산소 결손 등)이 적은 금속 산화물이다. 특히 금속 산화물의 형성 후에, 금속 산화물이 다결정화되지 않을 정도의 온도(예를 들어 400℃ 이상 600℃ 이하)에서 가열 처리를 수행함으로써, 결정성이 더 높고 치밀한 구조를 가지는 CAAC-OS로 할 수 있다. 이러한 식으로 CAAC-OS의 밀도를 더 높임으로써, 상기 CAAC-OS에서의 불순물 또는 산소의 확산을 더 저감할 수 있다.CAAC-OS is a metal oxide having a high crystallinity and a dense structure, and few impurities and defects (e.g., oxygen vacancies). In particular, by performing a heat treatment at a temperature (e.g., 400° C. or higher and 600° C. or lower) at which the metal oxide does not polycrystallize after formation of the metal oxide, a CAAC-OS having a higher crystallinity and a dense structure can be obtained. By further increasing the density of the CAAC-OS in this way, diffusion of impurities or oxygen in the CAAC-OS can be further reduced.

또한 CAAC-OS에서는 명확한 결정립계를 확인하기 어렵기 때문에, 결정립계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 일어나기 어렵다고 할 수 있다. 따라서 CAAC-OS를 가지는 금속 산화물은 물리적 성질이 안정된다. 그러므로 CAAC-OS를 가지는 금속 산화물은 열에 강하고 신뢰성이 높다.In addition, since it is difficult to clearly identify grain boundaries in CAAC-OS, it can be said that it is difficult for a decrease in electron mobility due to grain boundaries to occur. Therefore, metal oxides having CAAC-OS have stable physical properties. Therefore, metal oxides having CAAC-OS are heat-resistant and highly reliable.

또한 산화물 반도체(230)로서 CAAC-OS 등의 결정성을 가지는 산화물을 사용함으로써, 소스 전극 또는 드레인 전극에 의하여 산화물 반도체(230)로부터 산소가 추출되는 것을 저감할 수 있다. 이에 의하여, 열처리를 수행한 경우에도 산화물 반도체(230)로부터 산소가 추출되는 것을 저감할 수 있기 때문에, 트랜지스터(200)는 제조 공정에서의 높은 온도(소위 thermal budget)에 대하여 안정적이다.In addition, by using an oxide having crystallinity such as CAAC-OS as the oxide semiconductor (230), the extraction of oxygen from the oxide semiconductor (230) by the source electrode or the drain electrode can be reduced. Accordingly, since the extraction of oxygen from the oxide semiconductor (230) can be reduced even when heat treatment is performed, the transistor (200) is stable against high temperatures (so-called thermal budget) in the manufacturing process.

절연체(250)는 게이트 절연체로서 기능한다. 절연체(250)로서는 후술하는 <<절연체>>의 항목에 기재되는 절연체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 예를 들어 절연체(250)로서, 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘을 사용할 수 있다. 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열에 대하여 안정적이므로 바람직하다.The insulator (250) functions as a gate insulator. As the insulator (250), an insulator described in the item of <<Insulator>> described below can be used in a single layer or a laminated form. For example, silicon oxide or silicon oxynitride can be used as the insulator (250). Silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable against heat.

또한 절연체(250)로서 후술하는 <<절연체>>의 항목에 기재되는 비유전율이 높은 절연체, 소위 high-k 재료를 사용하여도 좋다. 예를 들어 산화 하프늄 또는 산화 알루미늄 등을 사용하여도 좋다.In addition, as an insulator (250), an insulator having a high dielectric constant, so-called high-k material, described in the item of <<Insulator>> described below may be used. For example, hafnium oxide or aluminum oxide may be used.

절연체(250)의 막 두께는 1nm 이상 20nm 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.5nm 이상 15nm 이하로 하는 것이 더 바람직하고, 0.5nm 이상 10nm 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 절연체(250)는 적어도 일부에서, 상술한 바와 같은 막 두께의 영역을 가지면 좋다.The film thickness of the insulator (250) is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, more preferably 0.5 nm or more and 15 nm or less, and even more preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less. It is preferable that the insulator (250) have a region of the film thickness as described above, at least in a portion.

절연체(250) 내의 물, 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다. 이로써 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 물, 수소 등의 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다.It is desirable that the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator (250) be reduced. This makes it possible to suppress impurities such as water and hydrogen from being mixed into the channel formation region of the oxide semiconductor (230).

도전체(260)는 게이트 전극으로서 기능한다. 도전체(260)로서는 후술하는 <<도전체>>의 항목에 기재되는 도전체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 예를 들어 텅스텐 등의 도전성이 높은 도전성 재료를 도전체(260)에 사용할 수 있다.The conductor (260) functions as a gate electrode. As the conductor (260), a conductor described in the section of <<Conductor>> described below can be used in a single layer or a laminated form. For example, a highly conductive conductive material such as tungsten can be used as the conductor (260).

또한 도전체(260)에는 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 도전성 재료로서 질소를 포함하는 도전성 재료(예를 들어 질화 타이타늄 또는 질화 탄탈럼 등) 및 산소를 포함하는 도전성 재료(예를 들어 산화 루테늄 등) 등을 들 수 있다. 이로써 도전체(260)의 도전율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한 도전체(260)를 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 질화 타이타늄 위에 텅스텐을 적층시킨 구조로 하여도 좋다.In addition, it is preferable to use a conductive material that is difficult to oxidize or a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, etc., for the conductor (260). As the conductive material, a conductive material containing nitrogen (for example, titanium nitride or tantalum nitride, etc.) and a conductive material containing oxygen (for example, ruthenium oxide, etc.) can be mentioned. As a result, it is possible to suppress the conductivity of the conductor (260) from decreasing. In addition, the conductor (260) may have a laminated structure, and for example, it may have a structure in which tungsten is laminated on titanium nitride.

도전체(260)는 절연체(287)에 매립되도록 제공되는 것이 바람직하다. 이때 도전체(260)의 상면의 높이와 절연체(287)의 상면의 높이가 일치하거나 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.It is preferable that the conductor (260) be provided to be embedded in the insulator (287). At this time, it is preferable that the height of the upper surface of the conductor (260) and the height of the upper surface of the insulator (287) are identical or substantially identical.

또한 도 1의 (B) 및 (C)에서는 도전체(260)가 개구(290)를 매립하도록 제공되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도전체(260)의 중앙부에 개구(290)의 형상을 반영한 오목부가 형성되는 경우가 있다. 또한 상기 오목부를 무기 절연 재료 등으로 충전하는 구성으로 하여도 좋다.In addition, in (B) and (C) of FIG. 1, the conductor (260) is provided to fill the opening (290), but the present invention is not limited thereto. For example, there is a case where a concave portion reflecting the shape of the opening (290) is formed in the central portion of the conductor (260). In addition, the concave portion may be configured to be filled with an inorganic insulating material, etc.

도전체(120)는 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽, 그리고 용량 소자(100)의 상부 전극으로서 기능한다. 도전체(120)로서는 후술하는 <<도전체>>의 항목에 기재되는 도전체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다.The conductor (120) functions as one of the source electrode and the drain electrode, and as the upper electrode of the capacitor element (100). As the conductor (120), a conductor described in the item of <<Conductor>> described below can be used in a single layer or laminated form.

도전체(260)와 마찬가지로, 도전체(120)에도 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 타이타늄 또는 질화 탄탈럼 등을 사용할 수 있다. 또한 예를 들어 질화 타이타늄 위에 질화 탄탈럼을 적층시킨 구조로 하여도 좋다. 이 경우, 질화 타이타늄이 절연체(130)에 접하고, 질화 탄탈럼이 산화물 반도체(230)에 접한다.As with the conductor (260), it is preferable to use a conductive material that is difficult to oxidize or a conductive material that has a function of suppressing the diffusion of oxygen, etc. for the conductor (120). For example, titanium nitride or tantalum nitride, etc. can be used. In addition, for example, a structure in which tantalum nitride is laminated on titanium nitride may be used. In this case, the titanium nitride is in contact with the insulator (130), and the tantalum nitride is in contact with the oxide semiconductor (230).

도전체(120)를 상술한 바와 같은 구조로 함으로써, 산화물 반도체(230)에 의하여 도전체(120)가 과잉으로 산화되는 것을 저감할 수 있다. 또한 절연체(130)에 산화물 절연체를 사용하는 경우, 절연체(130)에 의하여 도전체(120)가 과잉으로 산화되는 것을 저감할 수 있다.By forming the conductor (120) into the structure described above, excessive oxidation of the conductor (120) by the oxide semiconductor (230) can be reduced. In addition, when an oxide insulator is used for the insulator (130), excessive oxidation of the conductor (120) by the insulator (130) can be reduced.

또한 도 1의 (B) 및 (C)에서는 도전체(120)의 상면이 평탄화된 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도전체(120)의 상면에 개구(290)와 중첩된 오목부가 형성되는 구성으로 하여도 좋다. 상기 오목부를 매립하도록 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)의 적어도 일부가 형성되는 구성으로 함으로써, 산화물 반도체(230)의 도전체(120) 근방까지 도전체(260)의 게이트 전계를 인가하기 쉽게 할 수 있다.In addition, although (B) and (C) of FIG. 1 show a configuration in which the upper surface of the conductor (120) is flat, the present invention is not limited thereto. A configuration in which a concave portion overlapping with the opening (290) is formed on the upper surface of the conductor (120) may be used. By forming a configuration in which at least a portion of the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) are formed to fill the concave portion, it is easy to apply the gate electric field of the conductor (260) to the vicinity of the conductor (120) of the oxide semiconductor (230).

도전체(240)는 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽으로서 기능한다. 도전체(240)로서는 후술하는 <<도전체>>의 항목에 기재되는 도전체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 예를 들어 텅스텐 등의 도전성이 높은 도전성 재료를 도전체(240)에 사용할 수 있다.The conductor (240) functions as the other of the source electrode and the drain electrode. As the conductor (240), a conductor described in the item of <<Conductor>> described below can be used in a single layer or a laminated form. For example, a highly conductive conductive material such as tungsten can be used as the conductor (240).

도전체(260)와 마찬가지로, 도전체(240)에도 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 타이타늄 또는 질화 탄탈럼 등을 사용할 수 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 산화물 반도체(230)로 인하여 도전체(240)가 과잉으로 산화되는 것을 저감할 수 있다.As with the conductor (260), it is preferable to use a conductive material that is difficult to oxidize or a conductive material that has a function of suppressing the diffusion of oxygen for the conductor (240). For example, titanium nitride or tantalum nitride can be used. By using this configuration, it is possible to reduce excessive oxidation of the conductor (240) due to the oxide semiconductor (230).

또한 예를 들어 질화 타이타늄 위에 텅스텐을 적층시킨 구조로 하여도 좋다. 이와 같이 텅스텐을 적층시켜 제공함으로써, 도전체(240)의 도전성을 향상시켜 배선(BL)으로서 충분히 기능시킬 수 있다.In addition, for example, a structure in which tungsten is laminated on titanium nitride may be used. By providing tungsten in this manner, the conductivity of the conductor (240) can be improved so that it can function sufficiently as a wiring (BL).

도전체(240)는 절연체(281)에 매립되도록 제공되는 것이 바람직하다. 이때 도전체(240)의 상면의 높이와 절연체(281)의 상면의 높이가 일치하거나 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.It is preferable that the conductor (240) be provided so as to be embedded in the insulator (281). At this time, it is preferable that the height of the upper surface of the conductor (240) and the height of the upper surface of the insulator (281) are identical or substantially identical.

도전체(265)는 트랜지스터(200)의 게이트에 전기적으로 접속되는 배선(WL)으로서 기능한다. 도전체(265)로서는 후술하는 <<도전체>>의 항목에 기재되는 도전체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 예를 들어 텅스텐 등의 도전성이 높은 도전성 재료를 도전체(265)에 사용할 수 있다.The conductor (265) functions as a wiring (WL) electrically connected to the gate of the transistor (200). As the conductor (265), a conductor described in the item of <<Conductor>> described below can be used in a single layer or a laminated layer. For example, a highly conductive conductive material such as tungsten can be used as the conductor (265).

도전체(265)는 절연체(289)에 매립되도록 제공되는 것이 바람직하다. 이때 도전체(265)의 상면의 높이와 절연체(289)의 상면의 높이가 일치하거나 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.It is preferable that the conductor (265) be provided to be embedded in the insulator (289). At this time, it is preferable that the height of the upper surface of the conductor (265) and the height of the upper surface of the insulator (289) are identical or substantially identical.

도 1의 (B)에 있어서, 도전체(265)의 측단부가 도전체(260)의 측단부와 실질적으로 일치하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도전체(265)의 측단부는 도전체(260)의 측단부보다 외측에 위치하여도 좋고, 도전체(260)의 측단부보다 내측에 위치하여도 좋다.In (B) of Fig. 1, the side end of the conductor (265) substantially coincides with the side end of the conductor (260), but the present invention is not limited thereto. For example, the side end of the conductor (265) may be located outside the side end of the conductor (260), or may be located inside the side end of the conductor (260).

절연체(140), 절연체(280), 절연체(281), 절연체(285), 절연체(287), 및 절연체(289)는 층간막으로서 기능하기 때문에, 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막에 사용함으로써, 배선 사이에 발생하는 기생 용량을 저감할 수 있다. 절연체(140), 절연체(280), 절연체(281), 절연체(285), 절연체(287), 및 절연체(289)로서는 후술하는 <<절연체>>의 항목에 기재되는, 비유전율이 낮은 절연체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 예를 들어 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공(空孔)을 가지는 산화 실리콘 등을 사용할 수 있다. 특히 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 바람직하다.Since the insulator (140), the insulator (280), the insulator (281), the insulator (285), the insulator (287), and the insulator (289) function as an interlayer film, it is preferable that they have a low dielectric constant. By using a material with a low dielectric constant for the interlayer film, the parasitic capacitance that occurs between the wirings can be reduced. As the insulator (140), the insulator (280), the insulator (281), the insulator (285), the insulator (287), and the insulator (289), an insulator with a low dielectric constant described in the item of <<Insulator>> described below can be used in a single layer or a laminated form. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, silicon oxide with carbon and nitrogen added, silicon oxide having pores, etc. can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable.

또한 절연체(140), 절연체(280), 절연체(281), 절연체(285), 절연체(287), 및 절연체(289) 내의 물, 수소 등의 불순물의 농도는 저감되어 있는 것이 바람직하다. 이로써 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 물, 수소 등의 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다.In addition, it is preferable that the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator (140), insulator (280), insulator (281), insulator (285), insulator (287), and insulator (289) be reduced. This makes it possible to suppress impurities such as water and hydrogen from being mixed into the channel formation region of the oxide semiconductor (230).

또한 채널 형성 영역 근방에 배치되는 절연체(280)로서는 가열에 의하여 이탈되는 산소(이하, 과잉 산소라고 부르는 경우가 있음)를 포함하는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 과잉 산소를 포함하는 절연체(280)에 열처리를 수행함으로써, 절연체(280)로부터 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 산소를 공급하여, 산소 결손 및 VOH를 저감할 수 있다. 이로써, 트랜지스터(200)의 전기 특성을 안정적으로 하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, it is preferable to use an insulator (280) disposed near the channel formation region that includes oxygen that is released by heating (hereinafter, sometimes referred to as excess oxygen). By performing heat treatment on the insulator (280) that includes excess oxygen, oxygen can be supplied from the insulator (280) to the channel formation region of the oxide semiconductor (230), thereby reducing oxygen vacancies and V O H. As a result, the electrical characteristics of the transistor (200) can be stabilized and the reliability can be improved.

[용량 소자(100)][Capacitor element (100)]

용량 소자(100)는 도전체(110)와, 절연체(130)와, 도전체(120)를 가진다. 도전체(110)는 용량 소자(100)의 한 쌍의 전극 중 한쪽(하부 전극이라고도 함)으로서 기능하고, 도전체(120)는 용량 소자(100)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽(상부 전극이라고도 함)으로서 기능하고, 절연체(130)는 용량 소자(100)의 유전체로서 기능한다.The capacitor (100) has a conductor (110), an insulator (130), and a conductor (120). The conductor (110) functions as one of a pair of electrodes (also called a lower electrode) of the capacitor (100), the conductor (120) functions as the other of a pair of electrodes (also called an upper electrode) of the capacitor (100), and the insulator (130) functions as a dielectric of the capacitor (100).

도전체(110)는 절연체(140) 위에 제공된다. 도전체(110)는 배선(PL)으로서 기능하고, 예를 들어 Y방향으로 신장되어 제공될 수 있다. 도전체(110)로서는 후술하는 <<도전체>>의 항목에 기재되는 도전체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 예를 들어 텅스텐 등의 도전성이 높은 도전성 재료를 도전체(110)에 사용할 수 있다. 이와 같이 도전성이 높은 도전성 재료를 사용함으로써, 도전체(110)의 도전성을 향상시켜, 배선(PL)으로서 충분히 기능시킬 수 있다.A conductor (110) is provided on an insulator (140). The conductor (110) functions as a wiring (PL) and may be provided by extending in the Y direction, for example. As the conductor (110), a conductor described in the item of <<Conductor>> described below may be used in a single layer or a laminated form. For example, a highly conductive conductive material such as tungsten may be used for the conductor (110). By using a highly conductive conductive material in this way, the conductivity of the conductor (110) is improved, and it can sufficiently function as a wiring (PL).

또한 도전체(110)에는 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료 등을 적층시켜 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 텅스텐 위에 질화 타이타늄을 적층시킨 구조로 하여도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 절연체(130)에 의하여 도전체(110)가 과잉으로 산화되는 것을 저감할 수 있다.In addition, it is preferable to use a conductive material that is difficult to oxidize or a conductive material that has a function of suppressing the diffusion of oxygen by laminating it on the conductor (110). For example, it may be a structure in which titanium nitride is laminated on tungsten. By using such a configuration, it is possible to reduce excessive oxidation of the conductor (110) by the insulator (130).

절연체(130)는 도전체(110) 위에 제공된다. 절연체(130)에는 고유전율(high-k) 재료(비유전율이 높은 재료)를 사용하는 것이 바람직하다.An insulator (130) is provided on the conductor (110). It is preferable to use a high-k material (a material having a high relative permittivity) for the insulator (130).

또한 고유전율(high-k) 재료의 절연체로서는 알루미늄, 하프늄, 지르코늄, 및 갈륨 등에서 선택된 금속 원소를 1종류 이상 포함하는 산화물, 산화질화물, 질화산화물, 또는 질화물을 사용할 수 있다. 또한 상기 산화물, 산화질화물, 질화산화물, 또는 질화물에 실리콘을 함유시켜도 좋다. 또한 상기 재료로 이루어지는 절연층을 적층시켜 사용할 수도 있다.In addition, as an insulator of a high-k material, an oxide, an oxynitride, an oxynitride, or a nitride containing at least one metal element selected from aluminum, hafnium, zirconium, and gallium may be used. In addition, silicon may be contained in the oxide, oxynitride, oxynitride, or nitride. In addition, an insulating layer made of the above materials may be laminated and used.

예를 들어 고유전율(high-k) 재료의 절연체로서 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 지르코늄, 알루미늄 및 하프늄을 가지는 산화물, 알루미늄 및 하프늄을 가지는 산화질화물, 실리콘 및 하프늄을 가지는 산화물, 실리콘 및 하프늄을 가지는 산화질화물, 실리콘 및 지르코늄을 가지는 산화물, 실리콘 및 지르코늄을 가지는 산화질화물, 하프늄 및 지르코늄을 가지는 산화물, 하프늄 및 지르코늄을 가지는 산화질화물 등을 사용할 수 있다. 이러한 high-k 재료를 사용함으로써, 누설 전류를 억제할 수 있을 정도로 절연체(130)를 두껍게 하며, 용량 소자(100)의 정전 용량을 충분히 확보할 수 있다.For example, as an insulator of a high-k material, aluminum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, an oxide having aluminum and hafnium, an oxynitride having aluminum and hafnium, an oxide having silicon and hafnium, an oxynitride having silicon and hafnium, an oxide having silicon and zirconium, an oxynitride having silicon and zirconium, an oxide having hafnium and zirconium, an oxynitride having hafnium and zirconium, and an oxynitride having hafnium and zirconium can be used. By using such a high-k material, the insulator (130) can be made thick enough to suppress leakage current, and the electrostatic capacitance of the capacitor element (100) can be sufficiently secured.

또한 상기 재료로 이루어지는 절연층을 적층시켜 사용하는 것이 바람직하고, 고유전율(high-k) 재료와 상기 고유전율(high-k) 재료보다 절연 내력이 큰 재료의 적층 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(130)로서는, 산화 지르코늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄이 이 순서대로 적층된 절연막을 사용할 수 있다. 또한 예를 들어, 산화 지르코늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 알루미늄이 이 순서대로 적층된 절연막을 사용할 수 있다. 또한 예를 들어, 하프늄 지르코늄 산화물, 산화 알루미늄, 하프늄 지르코늄 산화물, 산화 알루미늄이 이 순서대로 적층된 절연막을 사용할 수 있다. 산화 알루미늄과 같은 절연 내력이 비교적 큰 절연체를 적층시켜 사용함으로써, 절연 내력이 향상되어 용량 소자(100)의 정전 파괴를 억제할 수 있다.In addition, it is preferable to laminate and use an insulating layer made of the above materials, and it is preferable to use a laminated structure of a high-k material and a material having a higher dielectric strength than the high-k material. For example, as the insulator (130), an insulating film in which zirconium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide are laminated in this order can be used. In addition, for example, an insulating film in which zirconium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, and aluminum oxide are laminated in this order can be used. In addition, for example, an insulating film in which hafnium zirconium oxide, aluminum oxide, hafnium zirconium oxide, and aluminum oxide are laminated in this order can be used. By laminating and using an insulator having a relatively high dielectric strength such as aluminum oxide, the dielectric strength is improved, so that electrostatic breakdown of the capacitor element (100) can be suppressed.

또한 도전체(110)의 측단부와 절연체(130)의 측단부가 실질적으로 일치하는 구조로 하여도 좋다. 이와 같은 구조로 함으로써, 도전체(110)와 절연체(130)를 동일한 마스크를 사용하여 형성할 수 있어, 기억 장치의 제작 공정을 간략화할 수 있다.In addition, a structure may be adopted in which the side end of the conductor (110) and the side end of the insulator (130) substantially coincide with each other. By adopting such a structure, the conductor (110) and the insulator (130) can be formed using the same mask, thereby simplifying the manufacturing process of the memory device.

또는 절연체(130)가 도전체(110)의 측단부를 덮는 구조로 하여도 좋다. 이에 의하여 도전체(110)와 도전체(120)가 단락되는 것을 방지할 수 있다.Alternatively, the insulator (130) may be structured to cover the side end of the conductor (110). This can prevent the conductor (110) and the conductor (120) from being short-circuited.

도전체(120)는 [트랜지스터(200)]의 항목에서 설명한 바와 같이 제공하면 좋다. 여기서 용량 소자(100)의 정전 용량은 도전체(120)의 면적에 의존하기 때문에, 용량 소자(100)의 설곗값에 맞추어 섬 형상의 도전체(120)의 면적을 적절히 설정하면 좋다. 예를 들어 섬 형상의 도전체(120)의 면적을 크게 함으로써, 용량 소자(100)의 정전 용량을 크게 할 수 있다. 이와 같이 용량 소자(100)의 단위 면적당 정전 용량을 크게 함으로써, 기억 장치의 판독 동작을 안정적으로 할 수 있다.It is preferable to provide the conductor (120) as described in the item of [Transistor (200)]. Here, since the electrostatic capacitance of the capacitive element (100) depends on the area of the conductor (120), it is preferable to appropriately set the area of the island-shaped conductor (120) according to the design value of the capacitive element (100). For example, by increasing the area of the island-shaped conductor (120), the electrostatic capacitance of the capacitive element (100) can be increased. In this way, by increasing the electrostatic capacitance per unit area of the capacitive element (100), the read operation of the memory device can be performed stably.

<기억 장치의 구성 재료><Materials of memory devices>

이하에서는, 기억 장치에 사용할 수 있는 구성 재료에 대하여 설명한다.Below, the constituent materials that can be used in the memory device are described.

<<기판>><<Board>>

트랜지스터(200) 및 용량 소자(100)를 형성하는 기판으로서는 예를 들어 절연체 기판, 반도체 기판, 또는 도전체 기판을 사용하면 좋다. 절연체 기판으로서는 예를 들어 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 안정화 지르코니아 기판(이트리아 안정화 지르코니아 기판 등), 수지 기판 등이 있다. 또한 반도체 기판으로서는 예를 들어 실리콘, 저마늄을 재료로서 사용한 반도체 기판, 또는 탄소화 실리콘, 실리콘 저마늄, 비소화 갈륨, 인화 인듐, 산화 아연, 산화 갈륨으로 이루어지는 화합물 반도체 기판 등이 있다. 또한 상술한 반도체 기판 내부에 절연체 영역을 가지는 반도체 기판, 예를 들어 SOI(Silicon On Insulator) 기판 등이 있다. 도전체 기판으로서는 흑연 기판, 금속 기판, 합금 기판, 도전성 수지 기판 등이 있다. 또는 금속의 질화물을 가지는 기판, 금속의 산화물을 가지는 기판 등이 있다. 또한 절연체 기판에 도전체 또는 반도체가 제공된 기판, 반도체 기판에 도전체 또는 절연체가 제공된 기판, 도전체 기판에 반도체 또는 절연체가 제공된 기판 등이 있다. 또는 이들 기판에 소자가 제공된 것을 사용하여도 좋다. 기판에 제공되는 소자로서는 용량 소자, 저항 소자, 스위칭 소자, 발광 소자, 기억 소자 등이 있다.As a substrate forming the transistor (200) and the capacitor element (100), for example, an insulating substrate, a semiconductor substrate, or a conductive substrate may be used. As an insulating substrate, for example, a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as an yttria-stabilized zirconia substrate), a resin substrate, etc. In addition, as a semiconductor substrate, for example, a semiconductor substrate using silicon or germanium as a material, or a compound semiconductor substrate composed of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide, etc. In addition, there is a semiconductor substrate having an insulating region inside the semiconductor substrate described above, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, etc. In addition, as a conductive substrate, there is a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, a conductive resin substrate, etc. In addition, there is a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, etc. In addition, there is a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulating substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided on a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided on a conductive substrate, etc. Alternatively, elements provided on these substrates may be used. Elements provided on the substrate include capacitive elements, resistive elements, switching elements, light-emitting elements, memory elements, etc.

<<절연체>><<Insulator>>

절연체로서는, 절연성을 가지는 산화물, 질화물, 산화질화물, 질화산화물, 금속 산화물, 금속 산화질화물, 금속 질화산화물 등이 있다.As insulators, there are oxides, nitrides, oxynitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxynitrides, and metal nitride oxides that have insulating properties.

예를 들어 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연체가 박막화됨으로써 누설 전류 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 게이트 절연체로서 기능하는 절연체에 high-k 재료를 사용함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 전압을 저감할 수 있다. 한편, 층간막으로서 기능하는 절연체에는 비유전율이 낮은 재료를 사용함으로써, 배선 사이에서 발생하는 기생 용량을 저감할 수 있다. 따라서 절연체의 기능에 따라 재료를 선택하는 것이 좋다.For example, as transistors become more miniaturized and highly integrated, problems such as leakage current may occur as the gate insulator becomes thinner. By using a high-k material for the insulator that functions as the gate insulator, the voltage during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness. On the other hand, by using a material with low dielectric constant for the insulator that functions as the interlayer film, the parasitic capacitance that occurs between the wiring can be reduced. Therefore, it is advisable to select a material according to the function of the insulator.

비유전율이 높은 절연체로서는 산화 갈륨, 산화 하프늄, 산화 지르코늄, 알루미늄 및 하프늄을 가지는 산화물, 알루미늄 및 하프늄을 가지는 산화질화물, 실리콘 및 하프늄을 가지는 산화물, 실리콘 및 하프늄을 가지는 산화질화물, 또는 실리콘 및 하프늄을 가지는 질화물 등이 있다.Insulators with high dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, oxynitrides having aluminum and hafnium, oxides having silicon and hafnium, oxynitrides having silicon and hafnium, or nitrides having silicon and hafnium.

비유전율이 낮은 절연체로서는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘, 또는 수지 등이 있다.Insulators with low dielectric constants include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with added fluorine, silicon oxide with added carbon, silicon oxide with added carbon and nitrogen, silicon oxide with vacancies, or resins.

또한 게이트 절연체로서 기능하는 절연체는, 가열에 의하여 이탈되는 산소를 포함한 영역을 가지는 절연체인 것이 바람직하다. 예를 들어 가열에 의하여 이탈되는 산소를 포함하는 영역을 가지는 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘이 산화물 반도체(230)와 접함으로써, 산화물 반도체(230)가 가지는 산소 결손을 보상할 수 있다.In addition, it is preferable that the insulator functioning as a gate insulator be an insulator having a region including oxygen that is released by heating. For example, when silicon oxide or silicon oxynitride having a region including oxygen that is released by heating is in contact with the oxide semiconductor (230), the oxygen vacancy of the oxide semiconductor (230) can be compensated for.

<<도전체>><<Challenge Full Story>>

도전체에는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄, 이리듐, 스트론튬, 및 란타넘 등 중에서 선택된 금속 원소, 또는 상술한 금속 원소를 성분으로 하는 합금이나, 상술한 금속 원소를 조합한 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 텅스텐, 타이타늄과 알루미늄을 포함하는 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함하는 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함하는 산화물, 란타넘과 니켈을 포함하는 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 타이타늄과 알루미늄을 포함하는 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함하는 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함하는 산화물, 란타넘과 니켈을 포함하는 산화물은 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소를 흡수하여도 도전성을 유지하는 재료이기 때문에 바람직하다. 또한 인 등의 불순물 원소를 함유시킨 다결정 실리콘으로 대표되는, 전기 전도도가 높은 반도체, 니켈 실리사이드 등의 실리사이드를 사용하여도 좋다.For the conductor, it is preferable to use a metal element selected from among aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, and lanthanum, or an alloy containing the above-mentioned metal elements as a component, or an alloy combining the above-mentioned metal elements. For example, it is preferable to use tantalum nitride, titanium nitride, a nitride containing tungsten, titanium, and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, or the like. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are preferable because they are conductive materials that are difficult to oxidize or materials that maintain conductivity even when absorbing oxygen. In addition, a semiconductor with high electrical conductivity, represented by polycrystalline silicon containing impurity elements such as phosphorus, and a silicide such as nickel silicide may be used.

또한 상기 재료로 형성되는 도전층을 복수로 적층시켜 사용하여도 좋다. 예를 들어 상술한 금속 원소를 포함하는 재료와 산소를 포함하는 도전성 재료를 조합한 적층 구조로 하여도 좋다. 또한 상술한 금속 원소를 포함하는 재료와 질소를 포함하는 도전성 재료를 조합한 적층 구조로 하여도 좋다. 또한 상술한 금속 원소를 포함하는 재료와, 산소를 포함하는 도전성 재료와, 질소를 포함하는 도전성 재료를 조합한 적층 구조로 하여도 좋다.In addition, the conductive layers formed of the above materials may be laminated and used in multiple layers. For example, a laminated structure may be used in which the material including the above-described metal element and the conductive material including oxygen are combined. In addition, a laminated structure may be used in which the material including the above-described metal element and the conductive material including nitrogen are combined. In addition, a laminated structure may be used in which the material including the above-described metal element, the conductive material including oxygen, and the conductive material including nitrogen are combined.

<<금속 산화물>><<Metal oxide>>

산화물 반도체(230)로서는, 반도체로서 기능하는 금속 산화물(산화물 반도체)을 사용하는 것이 바람직하다. 이하에서는, 본 발명에 따른 산화물 반도체(230)에 적용할 수 있는 금속 산화물에 대해서는 앞의 기재를 참조할 수 있다.As the oxide semiconductor (230), it is preferable to use a metal oxide (oxide semiconductor) that functions as a semiconductor. Hereinafter, reference may be made to the above description for the metal oxide that can be applied to the oxide semiconductor (230) according to the present invention.

또한 본 명세서 등에서 질소를 가지는 금속 산화물도 금속 산화물(metal oxide)이라고 총칭하는 경우가 있다. 또한 질소를 가지는 금속 산화물을 금속 산질화물(metal oxynitride)이라고 불러도 좋다.In addition, in this specification and elsewhere, metal oxides containing nitrogen are sometimes collectively referred to as metal oxides. Additionally, metal oxides containing nitrogen may also be referred to as metal oxynitrides.

이하에서는, 금속 산화물의 일례로서 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물에 대하여 설명한다. 또한 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물을 In-Ga-Zn 산화물이라고 부르는 경우가 있다.Hereinafter, oxides containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) will be described as examples of metal oxides. In addition, oxides containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) are sometimes called In-Ga-Zn oxides.

<결정 구조의 분류><Classification of crystal structures>

산화물 반도체의 결정 구조로서는 비정질(completely amorphous를 포함함), CAAC(c-axis-aligned crystalline), nc(nanocrystalline), 단결정(single crystal), 및 다결정(poly crystal) 등을 들 수 있다.The crystal structures of oxide semiconductors include amorphous (including completely amorphous), CAAC (c-axis-aligned crystalline), nc (nanocrystalline), single crystal, and poly crystal.

또한 막 또는 기판의 결정 구조는 X선 회절(XRD: X-Ray Diffraction) 스펙트럼을 사용하여 평가할 수 있다. 예를 들어 GIXD(Grazing-Incidence XRD) 측정에 의하여 얻어지는 XRD 스펙트럼을 사용하여 평가할 수 있다. 또한 GIXD법은 박막법 또는 Seemann-Bohlin법이라고도 한다. 또한 이하에서는 GIXD 측정에 의하여 얻어지는 XRD 스펙트럼을 단순히 XRD 스펙트럼이라고 기재하는 경우가 있다.In addition, the crystal structure of a film or substrate can be evaluated using an X-ray diffraction (XRD) spectrum. For example, it can be evaluated using an XRD spectrum obtained by a GIXD (Grazing-Incidence XRD) measurement. The GIXD method is also called a thin film method or a Seemann-Bohlin method. In addition, in the following, the XRD spectrum obtained by a GIXD measurement is sometimes simply referred to as an XRD spectrum.

예를 들어 석영 유리 기판에서는 XRD 스펙트럼의 피크의 형상이 거의 좌우 대칭이다. 한편, 결정 구조를 가지는 In-Ga-Zn 산화물막에서는 XRD 스펙트럼의 피크의 형상이 좌우 비대칭이다. XRD 스펙트럼의 피크의 형상이 좌우 비대칭이라는 것은, 막 내 또는 기판 내의 결정의 존재를 명시한다. 바꿔 말하면, XRD 스펙트럼의 피크의 형상이 좌우 대칭이 아니면, 막 또는 기판은 비정질 상태라고 할 수 없다.For example, in a quartz glass substrate, the shape of the peak of the XRD spectrum is almost symmetrical. On the other hand, in an In-Ga-Zn oxide film having a crystal structure, the shape of the peak of the XRD spectrum is asymmetrical. The asymmetrical shape of the peak of the XRD spectrum indicates the presence of crystals in the film or the substrate. In other words, if the shape of the peak of the XRD spectrum is not symmetrical, the film or the substrate cannot be said to be in an amorphous state.

또한 막 또는 기판의 결정 구조는 나노빔 전자 회절법(NBED: Nano Beam Electron Diffraction)으로 관찰되는 회절 패턴(나노빔 전자 회절 패턴이라고도 함)으로 평가할 수 있다. 예를 들어 석영 유리 기판의 회절 패턴에서는 헤일로(halo)가 관찰되므로, 석영 유리가 비정질 상태인 것을 확인할 수 있다. 또한 실온에서 성막한 In-Ga-Zn 산화물막의 회절 패턴에서는 헤일로가 아니라 스폿 형상의 패턴이 관찰된다. 그러므로 실온에서 성막한 In-Ga-Zn 산화물은 단결정도 다결정도 아니고 비정질 상태도 아닌 중간 상태이고, 비정질 상태라고 결론을 내릴 수 없는 것으로 추정된다.In addition, the crystal structure of a film or substrate can be evaluated by a diffraction pattern (also called a nanobeam electron diffraction pattern) observed by a nanobeam electron diffraction (NBED) method. For example, a halo is observed in the diffraction pattern of a quartz glass substrate, so it can be confirmed that the quartz glass is in an amorphous state. In addition, a spot-shaped pattern, not a halo, is observed in the diffraction pattern of an In-Ga-Zn oxide film formed at room temperature. Therefore, it is presumed that the In-Ga-Zn oxide film formed at room temperature is in an intermediate state that is neither a single crystal nor a polycrystalline nor an amorphous state, and that it cannot be concluded that it is in an amorphous state.

<<산화물 반도체의 구조>><<Structure of oxide semiconductor>>

또한 산화물 반도체는 구조에 주목한 경우, 상기와는 다른 식으로 분류되는 경우가 있다. 예를 들어 산화물 반도체는 단결정 산화물 반도체와, 그 외의 비단결정 산화물 반도체로 분류된다. 비단결정 산화물 반도체로서는, 예를 들어 상술한 CAAC-OS 및 nc-OS가 있다. 또한 비단결정 산화물 반도체에는 다결정 산화물 반도체, a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor), 비정질 산화물 반도체 등이 포함된다.In addition, oxide semiconductors are sometimes classified in a different way from the above when focusing on the structure. For example, oxide semiconductors are classified into single-crystal oxide semiconductors and other non-single-crystal oxide semiconductors. Non-single-crystal oxide semiconductors include, for example, the CAAC-OS and nc-OS described above. In addition, non-single-crystal oxide semiconductors include polycrystalline oxide semiconductors, a-like OS (amorphous-like oxide semiconductors), amorphous oxide semiconductors, etc.

여기서 상술한 CAAC-OS, nc-OS, 및 a-like OS에 대하여 자세히 설명한다.Here we describe in detail the CAAC-OS, nc-OS, and a-like OS described above.

[CAAC-OS][CAAC-OS]

CAAC-OS는 복수의 결정 영역을 가지고, 상기 복수의 결정 영역은 c축이 특정 방향으로 배향되는 산화물 반도체이다. 또한 특정 방향이란, CAAC-OS막의 두께 방향, CAAC-OS막의 피형성면의 법선 방향, 또는 CAAC-OS막의 표면의 법선 방향을 말한다. 또한 결정 영역이란, 원자 배열에 주기성을 가지는 영역을 말한다. 또한 원자 배열을 격자 배열로 간주하면, 결정 영역은 격자 배열이 정렬된 영역이기도 하다. 또한 CAAC-OS는 a-b면 방향에서 복수의 결정 영역이 연결되는 영역을 가지고, 상기 영역은 변형을 가지는 경우가 있다. 또한 변형이란, 복수의 결정 영역이 연결되는 영역에서, 격자 배열이 정렬된 영역과, 격자 배열이 정렬된 다른 영역 사이에서 격자 배열의 방향이 변화되는 부분을 가리킨다. 즉 CAAC-OS는 c축 배향을 가지고, a-b면 방향으로는 명확한 배향을 가지지 않는 산화물 반도체이다.CAAC-OS has a plurality of crystal regions, and the plurality of crystal regions are oxide semiconductors whose c-axis is oriented in a specific direction. In addition, the specific direction refers to the thickness direction of the CAAC-OS film, the normal direction of the formation surface of the CAAC-OS film, or the normal direction of the surface of the CAAC-OS film. In addition, the crystal region refers to a region having periodicity in the atomic arrangement. In addition, if the atomic arrangement is regarded as a lattice arrangement, the crystal region is also a region where the lattice arrangement is aligned. In addition, CAAC-OS has a region where a plurality of crystal regions are connected in the a-b plane direction, and the region may have strain. In addition, strain refers to a part where the direction of the lattice arrangement changes between the region where the lattice arrangement is aligned and another region where the lattice arrangement is aligned in the region where the plurality of crystal regions are connected. In other words, CAAC-OS is an oxide semiconductor that has a c-axis orientation and does not have a clear orientation in the a-b plane direction.

또한 상기 복수의 결정 영역은 각각 하나 또는 복수의 미소한 결정(최대 직경이 10nm 미만인 결정)으로 구성된다. 결정 영역이 하나의 미소한 결정으로 구성되는 경우, 상기 결정 영역의 최대 직경은 10nm 미만이 된다. 또한 결정 영역이 다수의 미소한 결정으로 구성되는 경우, 상기 결정 영역의 최대 직경은 수십nm 정도가 되는 경우가 있다.In addition, each of the plurality of crystal regions is composed of one or more microcrystals (crystals having a maximum diameter of less than 10 nm). When the crystal region is composed of one microcrystal, the maximum diameter of the crystal region is less than 10 nm. In addition, when the crystal region is composed of a plurality of microcrystals, the maximum diameter of the crystal region may be on the order of several tens of nm.

또한 In-Ga-Zn 산화물에서, CAAC-OS는 인듐(In) 및 산소를 가지는 층(이하, In층)과, 갈륨(Ga), 아연(Zn), 및 산소를 가지는 층(이하, (Ga,Zn)층)이 적층된 층상의 결정 구조(층상 구조라고도 함)를 가지는 경향이 있다. 또한 인듐과 갈륨은 서로 치환될 수 있다. 따라서 (Ga,Zn)층에는 인듐이 포함되는 경우가 있다. 또한 In층에는 갈륨이 포함되는 경우가 있다. 또한 In층에는 아연이 포함되는 경우도 있다. 상기 층상 구조는 예를 들어 고분해능 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지에서, 격자상(格子像)으로 관찰된다.Also in In-Ga-Zn oxide, CAAC-OS tends to have a layered crystal structure (also referred to as a layered structure) in which a layer having indium (In) and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having gallium (Ga), zinc (Zn), and oxygen (hereinafter, (Ga,Zn) layer) are stacked. Also, indium and gallium can substitute for each other. Therefore, indium may be included in the (Ga,Zn) layer. Also, gallium may be included in the In layer. Also, zinc may be included in the In layer. The layered structure is observed as a lattice pattern, for example, in a high-resolution TEM (Transmission Electron Microscope) image.

예를 들어 XRD 장치를 사용하여 CAAC-OS막의 구조 해석을 수행할 때, θ/2θ 스캔을 사용한 Out-of-plane XRD 측정에서는, c축 배향을 나타내는 피크가 2θ=31° 또는 그 근방에서 검출된다. 또한 c축 배향을 나타내는 피크의 위치(2θ의 값)는 CAAC-OS를 구성하는 금속 원소의 종류, 조성 등에 따라 변동되는 경우가 있다.For example, when performing structural analysis of a CAAC-OS film using an XRD device, in an out-of-plane XRD measurement using a θ/2θ scan, a peak indicating the c-axis orientation is detected at or near 2θ=31°. In addition, the position (value of 2θ) of the peak indicating the c-axis orientation may vary depending on the type and composition of the metal elements constituting the CAAC-OS.

또한 예를 들어 CAAC-OS막의 전자 회절 패턴에서 복수의 휘점(스폿)이 관측된다. 또한 어떤 스폿과 다른 스폿은 시료를 투과한 입사 전자선의 스폿(디렉트 스폿이라고도 함)을 대칭 중심으로 하여 점대칭의 위치에서 관측된다.In addition, for example, multiple bright points (spots) are observed in the electron diffraction pattern of a CAAC-OS film. In addition, some spots and others are observed at positions that are point-symmetrical about the spot of the incident electron beam that has passed through the sample (also called a direct spot) as the center of symmetry.

상기 특정 방향에서 결정 영역을 관찰한 경우, 상기 결정 영역 내의 격자 배열은 기본적으로 육방 격자이지만, 단위 격자는 정육각형에 한정되지 않고, 비정육각형인 경우가 있다. 또한 오각형, 칠각형 등의 격자 배열이 상기 변형에 포함되는 경우가 있다. 또한 CAAC-OS에서는, 변형 근방에서도 명확한 결정립계(그레인 바운더리)를 확인할 수는 없다. 즉 격자 배열의 변형에 의하여 결정립계의 형성이 억제되는 것을 알 수 있다. 이는, a-b면 방향에서 산소 원자의 배열이 조밀하지 않은 것, 금속 원자가 치환됨으로써 원자 사이의 결합 거리가 변화되는 것 등에 의하여 CAAC-OS가 변형을 허용할 수 있기 때문이라고 생각된다.When the crystal region is observed from the above-mentioned specific direction, the lattice arrangement within the crystal region is basically a hexagonal lattice, but the unit cell is not limited to a regular hexagon and may be an irregular hexagon. In addition, there are cases where a lattice arrangement such as a pentagon or a heptagon is included in the above-mentioned deformation. In addition, in CAAC-OS, a clear grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the deformation. In other words, it can be seen that the formation of the grain boundary is suppressed by the deformation of the lattice arrangement. This is thought to be because CAAC-OS can tolerate deformation due to the fact that the arrangement of oxygen atoms in the a-b plane direction is not dense and the bonding distance between atoms changes due to the substitution of metal atoms.

또한 명확한 결정립계가 확인되는 결정 구조는 소위 다결정이다. 결정립계는 재결합 중심이 되고, 캐리어가 포획되어 트랜지스터의 온 전류의 저하, 전계 효과 이동도의 저하 등을 일으킬 가능성이 높다. 따라서 명확한 결정립계가 확인되지 않는 CAAC-OS는 트랜지스터의 반도체층에 적합한 결정 구조를 가지는 결정성 산화물의 하나이다. 또한 CAAC-OS를 구성하기 위해서는, Zn을 가지는 구성이 바람직하다. 예를 들어 In-Zn 산화물 및 In-Ga-Zn 산화물은 In 산화물보다 결정립계의 발생을 더 억제할 수 있기 때문에 적합하다.Also, a crystal structure in which clear grain boundaries are identified is the so-called polycrystal. The grain boundaries become recombination centers, and there is a high possibility that carriers will be captured, causing a decrease in the on-state current of the transistor, a decrease in the field-effect mobility, etc. Therefore, CAAC-OS in which clear grain boundaries are not identified is one of the crystalline oxides having a crystal structure suitable for the semiconductor layer of the transistor. Also, in order to form a CAAC-OS, a composition having Zn is preferable. For example, In-Zn oxide and In-Ga-Zn oxide are suitable because they can suppress the occurrence of grain boundaries more than In oxide.

CAAC-OS는 결정성이 높고, 명확한 결정립계가 확인되지 않는 산화물 반도체이다. 따라서 CAAC-OS는 결정립계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 일어나기 어렵다고 할 수 있다. 또한 산화물 반도체의 결정성은 불순물의 혼입, 결함의 생성 등으로 인하여 저하되는 경우가 있기 때문에, CAAC-OS는 불순물 및 결함(산소 결손 등)이 적은 산화물 반도체라고 할 수도 있다. 따라서 CAAC-OS를 가지는 산화물 반도체는 물리적 성질이 안정된다. 그러므로 CAAC-OS를 가지는 산화물 반도체는 열에 강하고 신뢰성이 높다. 또한 CAAC-OS는 제조 공정에서의 높은 온도(소위 thermal budget)에 대해서도 안정적이다. 따라서 채널 형성 영역에 금속 산화물을 가지는 트랜지스터(OS 트랜지스터라고 부르는 경우가 있음)에 CAAC-OS를 사용하면, 제조 공정의 자유도를 높일 수 있다.CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity and no clear grain boundaries. Therefore, it can be said that CAAC-OS is unlikely to experience a decrease in electron mobility due to grain boundaries. In addition, since the crystallinity of oxide semiconductors can be reduced due to the mixing of impurities, the creation of defects, etc., CAAC-OS can also be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (oxygen vacancies, etc.). Therefore, oxide semiconductors having CAAC-OS have stable physical properties. Therefore, oxide semiconductors having CAAC-OS are resistant to heat and have high reliability. In addition, CAAC-OS is stable even against high temperatures (so-called thermal budget) in the manufacturing process. Therefore, if CAAC-OS is used in a transistor having a metal oxide in the channel formation region (sometimes called an OS transistor), the degree of freedom in the manufacturing process can be increased.

[nc-OS][nc-OS]

nc-OS는 미소한 영역(예를 들어 1nm 이상 10nm 이하의 영역, 특히 1nm 이상 3nm 이하의 영역)에서 원자 배열에 주기성을 가진다. 바꿔 말하면, nc-OS는 미소한 결정을 가진다. 또한 상기 미소한 결정은 크기가 예를 들어 1nm 이상 10nm 이하, 특히 1nm 이상 3nm 이하이기 때문에 나노 결정이라고도 한다. 또한 nc-OS에서는 상이한 나노 결정 간에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는다. 그러므로 막 전체에서 배향성이 보이지 않는다. 따라서 nc-OS는 분석 방법에 따라서는 a-like OS 또는 비정질 산화물 반도체와 구별할 수 없는 경우가 있다. 예를 들어 XRD 장치를 사용하여 nc-OS막의 구조 해석을 수행할 때, θ/2θ 스캔을 사용한 Out-of-plane XRD 측정에서는, 결정성을 나타내는 피크가 검출되지 않는다. 또한 nc-OS막에 대하여 나노 결정보다 큰 프로브 직경(예를 들어 50nm 이상)의 전자선을 사용하는 전자 회절(제한 시야 전자 회절이라고도 함)을 수행하면, 헤일로 패턴과 같은 회절 패턴이 관측된다. 한편, nc-OS막에 대하여 나노 결정의 크기와 가깝거나 나노 결정보다 작은 프로브 직경(예를 들어 1nm 이상 30nm 이하)의 전자선을 사용하는 전자 회절(나노빔 전자 회절이라고도 함)을 수행하면, 디렉트 스폿을 중심으로 하는 링 형상의 영역 내에서 복수의 스폿이 관측되는 전자 회절 패턴이 취득되는 경우가 있다.nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a microscopic region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In other words, nc-OS has microscopic crystals. In addition, since the microscopic crystals have a size of, for example, 1 nm to 10 nm, particularly 1 nm to 3 nm, they are also called nanocrystals. In addition, in nc-OS, there is no regularity in the crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed throughout the film. Therefore, nc-OS may not be distinguished from a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method. For example, when performing structural analysis of a nc-OS film using an XRD device, no peak indicating crystallinity is detected in an out-of-plane XRD measurement using a θ/2θ scan. Also, when electron diffraction (also called limited-field electron diffraction) is performed on an nc-OS film using an electron beam with a probe diameter larger than the nanocrystal (for example, 50 nm or more), a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. On the other hand, when electron diffraction (also called nanobeam electron diffraction) is performed on an nc-OS film using an electron beam with a probe diameter close to the size of the nanocrystal or smaller than the nanocrystal (for example, 1 nm or more and 30 nm or less), an electron diffraction pattern in which multiple spots are observed within a ring-shaped region centered on a direct spot is sometimes acquired.

[a-like OS][a-like OS]

a-like OS는 nc-OS와 비정질 산화물 반도체의 중간의 구조를 가지는 산화물 반도체이다. a-like OS는 공동 또는 저밀도 영역을 가진다. 즉 a-like OS는 nc-OS 및 CAAC-OS보다 결정성이 낮다. 또한 a-like OS는 nc-OS 및 CAAC-OS보다 막 내의 수소 농도가 높다.a-like OS is an oxide semiconductor having a structure intermediate between nc-OS and amorphous oxide semiconductor. a-like OS has a cavity or low-density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS. In addition, a-like OS has a higher hydrogen concentration in the film than nc-OS and CAAC-OS.

산화물 반도체는 다양한 구조를 취하고, 각각이 다른 특성을 가진다. 본 발명의 일 형태의 산화물 반도체에는 비정질 산화물 반도체, 다결정 산화물 반도체, a-like OS, nc-OS, CAAC-OS 중 2종류 이상이 포함되어도 좋다.Oxide semiconductors take on various structures, each of which has different characteristics. An oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more types of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, a nc-OS, and a CAAC-OS.

<산화물 반도체를 가지는 트랜지스터><Transistor having oxide semiconductor>

상기 산화물 반도체를 트랜지스터에 사용함으로써, 전계 효과 이동도가 높은 트랜지스터를 실현할 수 있다. 또한 신뢰성이 높은 트랜지스터를 실현할 수 있다.By using the above oxide semiconductor in a transistor, a transistor with high field effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

트랜지스터의 채널 형성 영역에는 캐리어 농도가 낮은 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물 반도체의 캐리어 농도는 1×1017cm-3 이하, 바람직하게는 1×1015cm-3 이하, 더 바람직하게는 1×1013cm-3 이하, 더 바람직하게는 1×1011cm-3 이하, 더 바람직하게는 1×1010cm-3 미만이고, 1×10-9cm-3 이상이다. 또한 산화물 반도체막의 캐리어 농도를 낮추는 경우에는, 산화물 반도체막 내의 불순물 농도를 낮추고, 결함 준위 밀도를 낮추면 좋다.It is preferable to use an oxide semiconductor having a low carrier concentration for the channel formation region of the transistor. For example, the carrier concentration of the oxide semiconductor is 1×10 17 cm -3 or less, preferably 1×10 15 cm -3 or less, more preferably 1×10 13 cm -3 or less, more preferably 1×10 11 cm -3 or less, more preferably less than 1×10 10 cm -3 and 1×10 -9 cm -3 or more. In addition, when lowering the carrier concentration of the oxide semiconductor film, it is preferable to lower the impurity concentration in the oxide semiconductor film and lower the defect state density.

또한 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체막은 결함 준위 밀도가 낮기 때문에, 트랩 준위 밀도도 낮아지는 경우가 있다.In addition, since high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide semiconductor films have a low defect state density, the trap state density may also be low.

또한 산화물 반도체의 트랩 준위에 포획된 전하는 소실되는 데 걸리는 시간이 길고, 마치 고정 전하처럼 작용하는 경우가 있다. 그러므로 트랩 준위 밀도가 높은 산화물 반도체에 채널 형성 영역이 형성되는 트랜지스터는 전기 특성이 불안정해지는 경우가 있다.In addition, charges captured in the trap states of oxide semiconductors take a long time to disappear and sometimes act like fixed charges. Therefore, transistors in which a channel formation region is formed in an oxide semiconductor with a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

따라서 트랜지스터의 전기 특성을 안정적으로 하기 위해서는, 산화물 반도체 내의 불순물 농도를 저감하는 것이 유효하다. 또한 산화물 반도체 내의 불순물 농도를 저감하기 위해서는, 근접한 막 내의 불순물 농도도 저감하는 것이 바람직하다. 불순물로서는 수소, 질소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 철, 니켈, 실리콘 등이 있다. 또한 산화물 반도체 내의 불순물이란 예를 들어 산화물 반도체를 구성하는 주성분 외의 것을 말한다. 예를 들어 농도가 0.1atomic% 미만인 원소는 불순물이라고 할 수 있다.Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor. In addition, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is also desirable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon, etc. In addition, an impurity in the oxide semiconductor refers to, for example, a substance other than the main component that constitutes the oxide semiconductor. For example, an element with a concentration of less than 0.1 atomic% can be called an impurity.

<불순물><Impurity>

여기서, 산화물 반도체 내에서의 각 불순물의 영향에 대하여 설명한다.Here, the influence of each impurity within the oxide semiconductor is explained.

산화물 반도체에 14족 원소 중 하나인 실리콘 또는 탄소가 포함되면, 산화물 반도체에서 결함 준위가 형성된다. 그러므로 산화물 반도체 내의 실리콘 또는 탄소의 농도(이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의하여 얻어지는 농도)를 2×1018atoms/cm3 이하, 바람직하게는 2×1017atoms/cm3 이하로 한다.When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is included in an oxide semiconductor, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the oxide semiconductor (the concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) is set to 2×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 17 atoms/cm 3 or less.

또한 산화물 반도체에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 포함되면, 결함 준위가 형성되고 캐리어가 생성되는 경우가 있다. 따라서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 포함되는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 가지기 쉽다. 그러므로 SIMS에 의하여 얻어지는 산화물 반도체 내의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 농도를 1×1018atoms/cm3 이하, 바람직하게는 2×1016atoms/cm3 이하로 한다.In addition, when an alkali metal or alkaline earth metal is included in an oxide semiconductor, a defect state may be formed and a carrier may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or alkaline earth metal tends to have normally-on characteristics. Therefore, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 16 atoms/cm 3 or less.

또한 산화물 반도체에 질소가 포함되면, 캐리어인 전자가 발생하고 캐리어 농도가 증가되어 n형화되기 쉽다. 그러므로 질소가 포함되는 산화물 반도체를 반도체로서 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 가지기 쉽다. 또는 산화물 반도체에 질소가 포함되면, 트랩 준위가 형성되는 경우가 있다. 이 결과, 트랜지스터의 전기 특성이 불안정해지는 경우가 있다. 그러므로 SIMS에 의하여 얻어지는 산화물 반도체 내의 질소 농도를 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하로 한다.In addition, when nitrogen is included in the oxide semiconductor, carrier electrons are generated and the carrier concentration increases, making it easy to become n-type. Therefore, a transistor that uses an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor tends to have normally-on characteristics. Or, when nitrogen is included in the oxide semiconductor, a trap level may be formed. As a result, the electrical characteristics of the transistor may become unstable. Therefore, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to less than 5×10 19 atoms/cm 3 , preferably 5×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less, and more preferably 5×10 17 atoms/cm 3 or less.

또한 산화물 반도체에 포함되는 수소는 금속 원자와 결합하는 산소와 반응하여 물이 되기 때문에, 산소 결손을 형성하는 경우가 있다. 상기 산소 결손에 수소가 들어감으로써, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합하는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 따라서 수소가 포함되는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 가지기 쉽다. 그러므로 산화물 반도체 내의 수소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, SIMS에 의하여 얻어지는 산화물 반도체 내의 수소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 한다.In addition, since hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, there are cases where an oxygen vacancy is formed. When hydrogen enters the oxygen vacancy, there are cases where electrons as carriers are generated. In addition, there are cases where some of the hydrogen bonds with oxygen bonded to a metal atom, electrons as carriers are generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is desirable that the hydrogen in the oxide semiconductor be reduced as much as possible. Specifically, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to less than 1×10 20 atoms/cm 3 , preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 , more preferably less than 5×10 18 atoms/cm 3 , and even more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 .

불순물이 충분히 저감된 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.By using an oxide semiconductor with sufficiently reduced impurities in the channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

<<기타 반도체 재료>><<Other semiconductor materials>>

산화물 반도체(230)에 사용할 수 있는 반도체 재료는 상술한 금속 산화물에 한정되지 않는다. 산화물 반도체(230)에는 밴드 갭을 가지는 반도체 재료(제로 갭 반도체가 아닌 반도체 재료)를 사용하여도 좋다. 예를 들어 실리콘 등의 단일 원소의 반도체, 비소화 갈륨 등의 화합물 반도체, 반도체로서 기능하는 층상 물질(원자층 물질, 2차원 재료 등이라고도 함) 등을 반도체 재료로서 사용하는 것이 바람직하다. 특히 반도체로서 기능하는 층상 물질을 반도체 재료로서 사용하는 것이 적합하다.The semiconductor material that can be used for the oxide semiconductor (230) is not limited to the metal oxide described above. A semiconductor material having a band gap (a semiconductor material other than a zero gap semiconductor) may be used for the oxide semiconductor (230). For example, it is preferable to use a single-element semiconductor such as silicon, a compound semiconductor such as gallium arsenide, a layered material (also called an atomic layer material, a two-dimensional material, etc.) that functions as a semiconductor, etc. as the semiconductor material. In particular, it is suitable to use a layered material that functions as a semiconductor as the semiconductor material.

여기서, 본 명세서 등에서 층상 물질이란, 층상의 결정 구조를 가지는 재료군의 총칭이다. 층상의 결정 구조에서는, 공유 결합 또는 이온 결합에 의하여 형성되는 층이 반데르발스의 힘(Van der Waals force)과 같은 공유 결합 또는 이온 결합보다 약한 결합에 의하여 적층되어 있다. 층상 물질은 단위 층(monolayer) 내에서의 전기 전도성이 높고, 즉 2차원 전기 전도성이 높다. 반도체로서 기능하고, 2차원 전기 전도성이 높은 재료를 채널 형성 영역에 사용함으로써, 온 전류가 높은 트랜지스터를 제공할 수 있다.Here, in this specification and the like, the layered material is a general term for a group of materials having a layered crystal structure. In the layered crystal structure, layers formed by covalent bonds or ionic bonds are laminated by bonds weaker than covalent bonds or ionic bonds, such as van der Waals forces. The layered material has high electrical conductivity within a unit layer (monolayer), that is, high two-dimensional electrical conductivity. By using a material that functions as a semiconductor and has high two-dimensional electrical conductivity in a channel forming region, a transistor with high on-state current can be provided.

층상 물질로서는 그래핀, 실리센, 칼코젠화물 등이 있다. 칼코젠화물은 칼코젠을 포함하는 화합물이다. 또한 칼코젠은 16족에 속하는 원소의 총칭이고, 산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄, 리버모륨이 포함된다. 또한 칼코젠화물로서는 전이 금속 칼코제나이드, 13족 칼코제나이드 등을 들 수 있다.Layered materials include graphene, silicene, and chalcogenides. Chalcogenides are compounds containing chalcogen. Chalcogen is a general term for elements belonging to Group 16, including oxygen, sulfur, selenium, tellurium, polonium, and livermorium. Chalcogenides include transition metal chalcogenides and Group 13 chalcogenides.

산화물 반도체(230)에는 예를 들어 반도체로서 기능하는 전이 금속 칼코제나이드를 사용하는 것이 바람직하다. 산화물 반도체(230)로서 적용할 수 있는 전이 금속 칼코제나이드로서, 구체적으로는 황화 몰리브데넘(대표적으로는 MoS2), 셀레늄화 몰리브데넘(대표적으로는 MoSe2), 몰리브데넘 텔루륨(대표적으로는 MoTe2), 황화 텅스텐(대표적으로는 WS2), 셀레늄화 텅스텐(대표적으로는 WSe2), 텅스텐 텔루륨(대표적으로는 WTe2), 황화 하프늄(대표적으로는 HfS2), 셀레늄화 하프늄(대표적으로는 HfSe2), 황화 지르코늄(대표적으로는 ZrS2), 셀레늄화 지르코늄(대표적으로는 ZrSe2) 등을 들 수 있다. 상술한 전이 금속 칼코제나이드를 산화물 반도체(230)에 적용함으로써, 온 전류가 높은 기억 장치를 제공할 수 있다.For the oxide semiconductor (230), it is preferable to use, for example, a transition metal chalcogenide that functions as a semiconductor. Specific examples of the transition metal chalcogenide that can be applied as the oxide semiconductor (230) include molybdenum sulfide (typically MoS 2 ), molybdenum selenide (typically MoSe 2 ), molybdenum tellurium (typically MoTe 2 ), tungsten sulfide (typically WS 2 ), tungsten selenide (typically WSe 2 ), tungsten tellurium (typically WTe 2 ), hafnium sulfide (typically HfS 2 ), hafnium selenide (typically HfSe 2 ), zirconium sulfide (typically ZrS 2 ), and zirconium selenide (typically ZrSe 2 ). By applying the above-described transition metal chalcogenide to an oxide semiconductor (230), a memory device having a high on-state current can be provided.

<반도체 장치의 제작 방법예><Example of a method for manufacturing a semiconductor device>

다음으로 도 1의 (A) 내지 (D)에 나타낸 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 제작 방법에 대하여 도 2의 (A) 내지 도 8의 (C)를 사용하여 설명한다.Next, a method for manufacturing a memory device, which is one embodiment of the present invention, shown in (A) to (D) of Figs. 1 will be described using (A) to (C) of Figs. 2 to 8.

각 도면의 (A)는 평면도이다. 또한 각 도면의 (B)는 각 도면의 (A)에서 일점쇄선 A1-A2로 나타낸 부분에 대응하는 단면도이다. 또한 각 도면의 (C)는 각 도면의 (A)에서 일점쇄선 A3-A4로 나타낸 부분에 대응하는 단면도이다. 또한 각 도면의 (A)의 평면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부 요소를 생략하였다.(A) of each drawing is a plan view. In addition, (B) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to the part indicated by the dashed-dotted line A1-A2 in (A) of each drawing. In addition, (C) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to the part indicated by the dashed-dotted line A3-A4 in (A) of each drawing. In addition, in the plan view of (A) of each drawing, some elements are omitted for clarity of the drawing.

이하에서, 절연체를 형성하기 위한 절연성 재료, 도전체를 형성하기 위한 도전성 재료, 또는 반도체를 형성하기 위한 반도체 재료는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하여 성막할 수 있다.Hereinafter, an insulating material for forming an insulator, a conductive material for forming a conductor, or a semiconductor material for forming a semiconductor can be formed into a film by appropriately using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

또한 스퍼터링법으로서는, 스퍼터링용 전원에 고주파 전원을 사용하는 RF 스퍼터링법, 직류 전원을 사용하는 DC 스퍼터링법, 그리고 전극에 인가하는 전압을 펄스적으로 변화시키는 펄스 DC 스퍼터링법이 있다. RF 스퍼터링법은 주로 절연막을 성막하는 경우에 사용되고, DC 스퍼터링법은 주로 금속 도전막을 성막하는 경우에 사용된다. 또한 펄스 DC 스퍼터링법은 주로 산화물, 질화물, 탄화물 등의 화합물을 반응성 스퍼터링법으로 성막하는 경우에 사용된다.In addition, as a sputtering method, there are RF sputtering method that uses high-frequency power as a power source for sputtering, DC sputtering method that uses direct current power, and pulse DC sputtering method that changes the voltage applied to the electrode in a pulsed manner. RF sputtering method is mainly used when forming an insulating film, and DC sputtering method is mainly used when forming a metal conductive film. In addition, pulse DC sputtering method is mainly used when forming a film of compounds such as oxides, nitrides, and carbides by a reactive sputtering method.

또한 CVD법은 플라스마를 이용하는 플라스마 CVD(PECVD)법, 열을 이용하는 열 CVD(TCVD: Thermal CVD)법, 광을 이용하는 광 CVD(Photo CVD)법 등으로 분류할 수 있다. 또한 사용하는 원료 가스에 따라 금속 CVD(MCVD: Metal CVD)법, 유기 금속 CVD(MOCVD: Metal Organic CVD)법으로 분류할 수 있다.In addition, the CVD method can be classified into the plasma CVD (PECVD) method that uses plasma, the thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method that uses heat, and the photo CVD (Photo CVD) method that uses light. In addition, depending on the raw material gas used, it can be classified into the metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and the metal organic CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method.

플라스마 CVD법에 의하여, 비교적 낮은 온도에서 고품질의 막을 얻을 수 있다. 또한 열 CVD법은 플라스마를 사용하지 않기 때문에, 피처리물에 대한 플라스마 대미지를 작게 할 수 있는 성막 방법이다. 예를 들어 기억 장치에 포함되는 배선, 전극, 소자(트랜지스터, 용량 소자 등) 등은 플라스마로부터 전하를 받아 차지 업하는 경우가 있다. 이때 축적된 전하로 인하여 기억 장치에 포함되는 배선, 전극, 소자 등이 파괴되는 경우가 있다. 한편, 플라스마를 사용하지 않는 열 CVD법의 경우, 이와 같은 플라스마 대미지가 생기지 않기 때문에, 기억 장치의 수율을 높일 수 있다. 또한 열 CVD법에서는 성막 시에 플라스마 대미지가 생기지 않기 때문에, 결함이 적은 막을 얻을 수 있다.By the plasma CVD method, a high-quality film can be obtained at a relatively low temperature. In addition, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film formation method that can reduce plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitor elements, etc.) included in a memory device may receive charges from plasma and be charged up. At this time, the accumulated charges may cause the wiring, electrodes, elements, etc. included in the memory device to be destroyed. On the other hand, in the case of the thermal CVD method that does not use plasma, since such plasma damage does not occur, the yield of the memory device can be increased. In addition, since the thermal CVD method does not cause plasma damage during film formation, a film with fewer defects can be obtained.

또한 ALD법으로서는, 전구체 및 반응제의 반응을 열 에너지만으로 수행하는 열 ALD법, 플라스마 여기된 반응제를 사용하는 PEALD법 등을 사용할 수 있다.In addition, as ALD methods, thermal ALD methods that perform the reaction of precursors and reactants using only thermal energy, and PEALD methods that use plasma-excited reactants can be used.

CVD법 및 ALD법은 타깃 등으로부터 방출되는 입자가 퇴적되는 스퍼터링법과는 다르다. 따라서 피처리물의 형상의 영향을 받기 어렵고, 단차 피복성이 양호한 성막 방법이다. 특히 ALD법은 단차 피복성과 두께 균일성이 우수하기 때문에, 가로세로비가 높은 개구부의 표면을 피복하는 경우 등에 적합하다. 다만 ALD법은 성막 속도가 비교적 느리기 때문에, 성막 속도가 빠른 CVD법 등의 다른 성막 방법과 조합하여 사용하는 것이 바람직한 경우도 있다.The CVD method and the ALD method are different from the sputtering method in which particles emitted from a target, etc. are deposited. Therefore, they are film-forming methods that are less affected by the shape of the object to be treated and have good step coverage. In particular, the ALD method is suitable for covering the surface of an opening with a high aspect ratio, etc., because it has excellent step coverage and thickness uniformity. However, since the ALD method has a relatively slow film-forming speed, it is sometimes desirable to use it in combination with other film-forming methods such as the CVD method that has a fast film-forming speed.

또한 CVD법은 원료 가스의 유량비를 변화시킴으로써, 임의의 조성을 가지는 막을 성막할 수 있다. 예를 들어 CVD법은 성막하면서 원료 가스의 유량비를 변화시킴으로써, 조성이 연속적으로 변화된 막을 성막할 수 있다. 원료 가스의 유량비를 변화시키면서 성막을 하는 경우, 반송 또는 압력 조정에 걸리는 시간이 생략되기 때문에, 복수의 성막실을 사용하여 성막을 하는 경우보다 성막에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 따라서 기억 장치의 생산성을 높일 수 있는 경우가 있다.In addition, the CVD method can form a film having an arbitrary composition by changing the flow rate ratio of the raw material gas. For example, the CVD method can form a film with a continuously changed composition by changing the flow rate ratio of the raw material gas while forming a film. When forming a film while changing the flow rate ratio of the raw material gas, the time required for return or pressure adjustment is omitted, so the time required for forming a film can be shortened compared to when forming a film using multiple film forming chambers. Therefore, there are cases where the productivity of the memory device can be increased.

또한 ALD법에서는, 상이한 복수 종류의 전구체를 동시에 도입함으로써, 임의의 조성을 가지는 막을 성막할 수 있다. 또는 상이한 복수 종류의 전구체를 도입하는 경우, 전구체 각각의 사이클 수를 제어함으로써, 임의의 조성을 가지는 막을 성막할 수 있다.In addition, in the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed by simultaneously introducing multiple different types of precursors. Or, when multiple different types of precursors are introduced, a film having an arbitrary composition can be formed by controlling the number of cycles of each precursor.

우선 기판(도시하지 않았음)을 준비하고, 상기 기판 위에 절연체(140)를 형성한다(도 2의 (A) 내지 (C) 참조). 절연체(140)에는 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(140)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다.First, a substrate (not shown) is prepared, and an insulator (140) is formed on the substrate (see (A) to (C) of FIG. 2). The insulating material described above may be used appropriately for the insulator (140). The film formation of the insulator (140) may be formed using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

다음으로, 절연체(140) 위에 도전체(110)를 형성한다. 도전체(110)에는 상술한 도전성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 도전체(110)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 도전체(110)로서 CVD법을 사용하여 텅스텐, 질화 타이타늄이 이 순서대로 성막된 적층막을 형성하면 좋다.Next, a conductor (110) is formed on an insulator (140). The conductor (110) may be formed by appropriately using the conductive material described above. The film forming of the conductor (110) may be formed by appropriately using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, it may be formed by using a CVD method as the conductor (110) to form a laminated film in which tungsten and titanium nitride are formed in this order.

또한 도전체(110)를 가공하여 X방향 또는 Y방향으로 신장되는 형상으로 하여도 좋다. 도전체(110)의 가공은 리소그래피법을 사용하여 수행하면 좋다. 상기 가공에는 드라이 에칭법 또는 웨트 에칭법을 사용할 수 있다. 드라이 에칭법에 의한 가공은 미세 가공에 적합하다.In addition, the conductor (110) may be processed into a shape that extends in the X direction or Y direction. The processing of the conductor (110) may be performed using a lithography method. A dry etching method or a wet etching method may be used for the processing. Processing using a dry etching method is suitable for fine processing.

다음으로 도전체(110) 위에 절연체(130)를 형성한다. 절연체(130)에는 상술한 High-k 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(130)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 절연체(130)로서 ALD법을 사용하여 산화 지르코늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄이 이 순서대로 성막된 적층막을 형성하면 좋다.Next, an insulator (130) is formed on the conductor (110). It is preferable to use the above-described High-k material appropriately for the insulator (130). It is preferable to use a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, etc. appropriately for the film formation of the insulator (130). For example, it is preferable to form a laminated film in which zirconium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide are formed in this order using the ALD method as the insulator (130).

다음으로 절연체(130) 위에 도전체(120)가 되는 도전막을 형성한다. 도전체(120)가 되는 도전막에는 상술한 도전성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 도전체(120)가 되는 도전막의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 도전체(120)가 되는 도전막으로서 CVD법을 사용하여 질화 타이타늄, 질화 탄탈럼이 이 순서대로 성막된 적층막을 형성하면 좋다.Next, a conductive film to be a conductor (120) is formed on an insulator (130). The conductive material described above may be used appropriately for the conductive film to be the conductor (120). The sputtering method, CVD method, MBE method, PLD method, ALD method, etc. may be used appropriately for the formation of the conductive film to be the conductor (120). For example, as the conductive film to be the conductor (120), it may be preferable to form a laminated film in which titanium nitride and tantalum nitride are formed in this order using the CVD method.

다음으로 도전체(120)가 되는 도전막을 가공하여 도전체(120)를 형성한다(도 2의 (A) 내지 (C) 참조). 도전체(120)의 형성은 리소그래피법으로 수행하면 좋다. 상기 가공에는 드라이 에칭법 또는 웨트 에칭법을 사용할 수 있다. 드라이 에칭법에 의한 가공은 미세 가공에 적합하다. 여기서 도전체(120)는 섬 형상으로 형성하면 좋다. 용량 소자(100)의 정전 용량은 도전체(120)의 면적에 의존하기 때문에, 용량 소자(100)의 설곗값에 맞추어 섬 형상의 도전체(120)의 면적을 적절히 설정하면 좋다.Next, the conductive film to be the conductor (120) is processed to form the conductor (120) (see (A) to (C) of FIG. 2). The formation of the conductor (120) may be performed by a lithography method. A dry etching method or a wet etching method may be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for microprocessing. Here, the conductor (120) may be formed in an island shape. Since the electrostatic capacitance of the capacitor (100) depends on the area of the conductor (120), it may be appropriate to set the area of the island-shaped conductor (120) according to the design value of the capacitor (100).

이상과 같이 하여 도전체(110), 절연체(130), 및 도전체(120)를 가지는 용량 소자(100)를 형성할 수 있다.In this manner, a capacitor (100) having a conductor (110), an insulator (130), and a conductor (120) can be formed.

또한 리소그래피법에서는, 먼저 마스크를 통하여 레지스트를 노광한다. 다음으로, 노광된 영역을 현상액을 사용하여 제거 또는 잔존시켜 레지스트 마스크를 형성한다. 그리고 상기 레지스트 마스크를 사용하여 에칭 처리를 수행함으로써, 도전체, 반도체, 또는 절연체 등을 원하는 형상으로 가공할 수 있다. 예를 들어 KrF 엑시머 레이저 광, ArF 엑시머 레이저 광, EUV(Extreme Ultraviolet) 광 등을 사용하여 레지스트를 노광함으로써 레지스트 마스크를 형성하면 좋다. 또한 기판과 투영 렌즈 사이에 액체(예를 들어 물)를 채우고 노광하는 액침 기술을 사용하여도 좋다. 또한 상술한 광 대신에 전자 빔 또는 이온 빔을 사용하여도 좋다. 또한 전자 빔 또는 이온 빔을 사용하는 경우에는 마스크는 불필요하다. 또한 레지스트 마스크는 애싱 등의 드라이 에칭 처리를 수행하거나, 웨트 에칭 처리를 수행하거나, 드라이 에칭 처리 후에 웨트 에칭 처리를 수행하거나, 웨트 에칭 처리 후에 드라이 에칭 처리를 수행함으로써 제거할 수 있다.In addition, in the lithography method, first, a resist is exposed through a mask. Next, the exposed area is removed or left using a developer to form a resist mask. Then, by performing an etching process using the resist mask, a conductor, a semiconductor, or an insulator, etc., can be processed into a desired shape. For example, it is preferable to form a resist mask by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, etc. In addition, an immersion technique may be used in which a liquid (e.g., water) is filled between the substrate and the projection lens and then exposed. In addition, an electron beam or an ion beam may be used instead of the light described above. In addition, a mask is unnecessary when an electron beam or an ion beam is used. In addition, the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after a dry etching process, or performing a dry etching process after a wet etching process.

또한 드라이 에칭 장치로서는 평행 평판형 전극을 가지는 용량 결합형 플라스마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 에칭 장치를 사용할 수 있다. 평행 평판형 전극을 가지는 용량 결합형 플라스마 에칭 장치는, 평행 평판형 전극 중 한쪽에 고주파 전압을 인가하는 구성을 가져도 좋다. 또는 평행 평판형 전극 중 한쪽에 복수의 상이한 고주파 전압을 인가하는 구성을 가져도 좋다. 또는 평행 평판형 전극의 각각에 주파수가 같은 고주파 전압을 인가하는 구성을 가져도 좋다. 또는 평행 평판형 전극의 각각에 주파수가 상이한 고주파 전압을 인가하는 구성을 가져도 좋다. 또는 고밀도 플라스마원을 가지는 드라이 에칭 장치를 사용할 수 있다. 고밀도 플라스마원을 가지는 드라이 에칭 장치로서는, 예를 들어 유도 결합형 플라스마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 에칭 장치 등을 사용할 수 있다.In addition, as a dry etching device, a capacitively coupled plasma (CCP) etching device having parallel plate electrodes can be used. The capacitively coupled plasma etching device having parallel plate electrodes may have a configuration that applies a high-frequency voltage to one of the parallel plate electrodes. Or, it may have a configuration that applies a plurality of different high-frequency voltages to one of the parallel plate electrodes. Or, it may have a configuration that applies a high-frequency voltage having the same frequency to each of the parallel plate electrodes. Or, it may have a configuration that applies high-frequency voltages having different frequencies to each of the parallel plate electrodes. Or, a dry etching device having a high-density plasma source can be used. As a dry etching device having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching device can be used.

다음으로 절연체(130) 및 도전체(120) 위에 절연체(280)를 형성한다(도 3의 (A) 내지 (C) 참조). 절연체(280)에는 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(280)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 절연체(280)로서, 스퍼터링법을 사용하여 산화 실리콘막을 성막하면 좋다. 또한 절연체(280)는 성막 후에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 수행하여 상면을 평탄화하는 것이 바람직하다.Next, an insulator (280) is formed on the insulator (130) and the conductor (120) (see (A) to (C) of FIG. 3). The insulating material described above may be suitably used for the insulator (280). The sputtering method, the CVD method, the MBE method, the PLD method, the ALD method, etc. may be suitably used for the film formation of the insulator (280). For example, as the insulator (280), it may be suitably used to form a silicon oxide film using the sputtering method. In addition, it is preferable to perform a CMP (Chemical Mechanical Polishing) treatment on the insulator (280) after the film formation to flatten the upper surface.

여기서 도전체(120) 위의 절연체(280)의 막 두께가 트랜지스터(200)의 채널 길이에 대응하기 때문에, 트랜지스터(200)의 채널 길이의 설곗값에 맞추어 절연체(280)의 막 두께를 적절히 설정하면 좋다.Here, since the film thickness of the insulator (280) on the conductor (120) corresponds to the channel length of the transistor (200), it is good to appropriately set the film thickness of the insulator (280) according to the design value of the channel length of the transistor (200).

또한 절연체(280)를 산소를 포함하는 분위기에서 스퍼터링법으로 성막함으로써, 과잉 산소를 포함하는 절연체(280)를 형성할 수 있다. 또한 수소를 포함하는 분자를 성막 가스로서 사용하지 않아도 되는 스퍼터링법을 사용함으로써, 절연체(280) 내의 수소 농도를 저감할 수 있다. 이러한 식으로 절연체(280)를 성막함으로써, 절연체(280)로부터 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 산소를 공급하여, 산소 결손 및 VoH를 저감할 수 있다.In addition, by forming a film of the insulator (280) by a sputtering method in an atmosphere containing oxygen, an insulator (280) containing excess oxygen can be formed. In addition, by using a sputtering method that does not require the use of a molecule containing hydrogen as a film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator (280) can be reduced. By forming a film of the insulator (280) in this manner, oxygen can be supplied from the insulator (280) to the channel forming region of the oxide semiconductor (230), thereby reducing oxygen vacancies and VoH.

다음으로 절연체(280) 위에 절연체(281)를 형성한다. 절연체(281)에는 절연체(280)와 마찬가지로 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(281)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 절연체(281)로서, 스퍼터링법을 사용하여 산화 실리콘막을 성막하면 좋다. 또한 절연체(281)를 성막한 후에 CMP 처리를 수행하여 상면을 평탄화하는 것이 바람직하다.Next, an insulator (281) is formed on the insulator (280). As with the insulator (280), it is preferable to use the insulating material described above for the insulator (281). For the film formation of the insulator (281), a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like is preferably used. For example, as the insulator (281), it is preferable to form a silicon oxide film using a sputtering method. In addition, after forming the insulator (281), it is preferable to perform a CMP process to flatten the upper surface.

다음으로 절연체(281)에, 절연체(280)에 달하는 홈 형상의 개구를 형성한다(도 3의 (A) 내지 (C) 참조). 상기 개구 내에 배선으로서 기능하는 도전체(240)가 형성되기 때문에, 상기 개구는 X방향으로 신장되어 제공되면 좋다. 상기 개구의 형성은 리소그래피법을 사용하여 수행하면 좋다. 또한 상기 개구의 에칭에는 드라이 에칭법 또는 웨트 에칭법을 사용할 수 있다. 드라이 에칭법에 의한 가공은 미세 가공에 적합하다.Next, a groove-shaped opening reaching the insulator (280) is formed in the insulator (281) (see (A) to (C) of FIG. 3). Since a conductor (240) functioning as a wiring is formed within the opening, it is preferable that the opening be provided to extend in the X direction. It is preferable that the formation of the opening be performed using a lithography method. In addition, a dry etching method or a wet etching method can be used for the etching of the opening. Processing by the dry etching method is suitable for microprocessing.

또한 절연체(280)를 적층 구조로 하고, 절연체(280)의 가장 상면에 에칭 스토퍼막으로서 기능하는 절연체를 제공하는 구성으로 하여도 좋다. 예를 들어 홈을 형성하는 절연체(281)에 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘을 사용한 경우에는, 에칭 스토퍼막으로서 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 또는 산화 하프늄 등을 사용하는 것이 좋다.In addition, it is also possible to configure the insulator (280) to have a laminated structure and provide an insulator that functions as an etching stopper film on the uppermost surface of the insulator (280). For example, when silicon oxide or silicon oxynitride is used for the insulator (281) forming the groove, it is preferable to use silicon nitride, aluminum oxide, or hafnium oxide as the etching stopper film.

다음으로 절연체(281)의 개구를 매립하도록 도전체(240)가 되는 도전막을 성막한다. 도전체(240)가 되는 도전막에는 상술한 도전성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 도전체(240)가 되는 도전막의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 도전체(240)가 되는 도전막으로서 스퍼터링법을 사용하여 질화 탄탈럼, 텅스텐이 이 순서대로 성막된 적층막을 형성하면 좋다.Next, a conductive film to be a conductor (240) is formed to fill the opening of the insulator (281). The conductive material described above may be used appropriately for the conductive film to be the conductor (240). The sputtering method, the CVD method, the MBE method, the PLD method, the ALD method, etc. may be used appropriately for the formation of the conductive film to be the conductor (240). For example, it may be preferable to form a laminated film in which tantalum nitride and tungsten are formed in this order using the sputtering method as the conductive film to be the conductor (240).

다음으로 절연체(281) 위의 도전체(240)가 되는 도전막의 일부를 제거하여 절연체(281)의 개구 내에 도전체(240)를 형성한다(도 3의 (A) 내지 (C) 참조). 도전체(240)의 형성으로서는, 절연체(281)의 상면이 노출될 때까지 도전체(240)가 되는 도전막에 대하여 CMP 처리를 수행하면 좋다.Next, a part of the conductive film that becomes the conductor (240) on the insulator (281) is removed to form the conductor (240) within the opening of the insulator (281) (see (A) to (C) of FIG. 3). For the formation of the conductor (240), it is preferable to perform CMP treatment on the conductive film that becomes the conductor (240) until the upper surface of the insulator (281) is exposed.

다음으로 도전체(240) 및 절연체(281) 위에 절연체(285)를 형성한다. 절연체(285)에는 절연체(280)와 마찬가지로 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(285)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 절연체(285)로서, 스퍼터링법을 사용하여 산화 실리콘막을 성막하면 좋다. 또한 절연체(285)를 성막한 후에 CMP 처리를 수행하여 상면을 평탄화하는 것이 바람직하다.Next, an insulator (285) is formed on the conductor (240) and the insulator (281). As with the insulator (280), the insulating material described above may be suitably used for the insulator (285). For the film formation of the insulator (285), a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like may be suitably used. For example, as the insulator (285), a silicon oxide film may be formed using a sputtering method. In addition, after the film formation of the insulator (285), it is preferable to perform CMP treatment to flatten the upper surface.

다음으로 절연체(285)의 일부, 도전체(240)의 일부, 및 절연체(280)의 일부를 가공하여 도전체(120)에 달하는 개구(290)를 형성한다(도 4의 (A) 내지 (C) 참조). 개구(290)의 형성은 리소그래피법으로 수행하면 좋다. 또한 도 4의 (A)에서 개구(290)는 평면에서 보았을 때 원 형상으로 하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 상기 개구는, 평면에서 보았을 때 타원 등의 대략 원형, 사각형 등의 다각형, 사각형 등의 다각형의 모서리 부분을 둥글게 한 형상이어도 좋다.Next, a part of the insulator (285), a part of the conductor (240), and a part of the insulator (280) are processed to form an opening (290) that reaches the conductor (120) (see (A) to (C) of FIG. 4). The formation of the opening (290) may be performed by a lithography method. In addition, although the opening (290) in FIG. 4 (A) has a circular shape when viewed from a planar surface, it is not limited thereto. For example, the opening may have a roughly circular shape such as an ellipse, a polygon such as a square, or a shape in which the corners of a polygon such as a square are rounded when viewed from a planar surface.

개구(290)의 폭은 미세한 것이 바람직하다. 예를 들어 개구(290)의 폭이 60nm 이하, 50nm 이하, 40nm 이하, 30nm 이하, 또는 20nm 이하이며 1nm 이상, 또는 5nm 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이 개구(290)를 미세하게 가공하기 위해서는 EUV 광 등의 단파장 광 또는 전자 빔을 사용한 리소그래피법을 이용하는 것이 바람직하다.It is preferable that the width of the opening (290) is fine. For example, it is preferable that the width of the opening (290) is 60 nm or less, 50 nm or less, 40 nm or less, 30 nm or less, or 20 nm or less, and 1 nm or more, or 5 nm or more. In order to finely process the opening (290) in this way, it is preferable to use a lithography method using short-wavelength light such as EUV light or an electron beam.

개구(290)는 가로세로비가 높기 때문에, 이방성 에칭을 사용하여 절연체(285)의 일부, 도전체(240)의 일부, 및 절연체(280)의 일부를 가공하는 것이 바람직하다. 특히 드라이 에칭법에 의한 가공은 미세 가공에 적합하므로 바람직하다. 또한 상기 가공은 각각 다른 조건으로 수행하여도 좋다.Since the opening (290) has a high aspect ratio, it is preferable to process a part of the insulator (285), a part of the conductor (240), and a part of the insulator (280) using anisotropic etching. In particular, processing by a dry etching method is preferable because it is suitable for micro-processing. In addition, the processing may be performed under different conditions.

이어서, 가열 처리를 수행하여도 좋다. 가열 처리는 250℃ 이상 650℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이상 500℃ 이하, 더 바람직하게는 320℃ 이상 450℃ 이하에서 수행하면 좋다. 또한 가열 처리는 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스 분위기, 혹은 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행한다. 예를 들어 질소 가스와 산소 가스의 혼합 분위기에서 가열 처리를 수행하는 경우, 산소 가스를 20% 정도로 하면 좋다. 또한 가열 처리는 감압 상태에서 수행하여도 좋다. 또는 가열 처리는 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 이탈된 산소를 보충하기 위하여 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행하여도 좋다. 상기와 같은 가열 처리를 수행함으로써, 후술하는 산화물 반도체막(230A)의 성막 전에 절연체(280) 등에 포함되는 물 등의 불순물을 저감할 수 있다.Next, heat treatment may be performed. The heat treatment may be performed at 250°C or more and 650°C or less, preferably 300°C or more and 500°C or less, and more preferably 320°C or more and 450°C or less. In addition, the heat treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. For example, when the heat treatment is performed in a mixed atmosphere of nitrogen gas and oxygen gas, the oxygen gas may be used at about 20%. In addition, the heat treatment may be performed under a reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to replenish the released oxygen after the heat treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere. By performing the heat treatment as described above, impurities such as water included in the insulator (280), etc., can be reduced before the deposition of the oxide semiconductor film (230A) described later.

또한 상기 가열 처리에서 사용하는 가스는 고순도화되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 가열 처리에서 사용하는 가스에 포함되는 수분량을 1ppb 이하, 바람직하게는 0.1ppb 이하, 더 바람직하게는 0.05ppb 이하로 하면 좋다. 고순도화된 가스를 사용하여 가열 처리를 수행함으로써, 절연체(280) 등에 수분 등이 들어가는 것을 최대한 방지할 수 있다.In addition, it is preferable that the gas used in the above heat treatment be highly purified. For example, it is preferable that the moisture content contained in the gas used in the above heat treatment be 1 ppb or less, preferably 0.1 ppb or less, and more preferably 0.05 ppb or less. By performing the heat treatment using a highly purified gas, moisture, etc. can be prevented from entering the insulator (280) or the like as much as possible.

다음으로 개구(290)의 바닥면 및 내벽에 접하여 산화물 반도체막(230A)을 성막한다(도 5의 (A) 내지 (C) 참조). 산화물 반도체막(230A)에는 상술한 산화물 반도체(230)에 사용할 수 있는 금속 산화물을 적절히 사용하면 좋다. 산화물 반도체막(230A)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 여기서 산화물 반도체막(230A)은 가로세로비가 큰 개구(290)의 바닥면 및 내벽에 접하여 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 산화물 반도체막(230A)의 성막에는 피복성이 양호한 성막 방법을 사용하는 것이 바람직하고, CVD법 또는 ALD법 등을 사용하는 것이 더 바람직하다. 예를 들어 산화물 반도체막(230A)으로서, ALD법을 사용하여 In-Ga-Zn 산화물을 성막하면 좋다. 또한 ALD법을 사용한 금속 산화물의 성막 방법의 자세한 사항에 대해서는, 추후의 실시형태에서 설명한다.Next, an oxide semiconductor film (230A) is formed in contact with the bottom surface and inner wall of the opening (290) (see (A) to (C) of FIG. 5). For the oxide semiconductor film (230A), it is preferable to use an appropriate metal oxide that can be used for the oxide semiconductor (230) described above. For the formation of the oxide semiconductor film (230A), a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like is preferably used. Here, it is preferable that the oxide semiconductor film (230A) is formed in contact with the bottom surface and inner wall of the opening (290) having a large aspect ratio. Therefore, for the formation of the oxide semiconductor film (230A), it is preferable to use a formation method having good coverage, and it is more preferable to use a CVD method or an ALD method. For example, as the oxide semiconductor film (230A), it is preferable to form an In-Ga-Zn oxide film using an ALD method. In addition, details of a method for forming a metal oxide film using an ALD method will be described in a later embodiment.

여기서 산화물 반도체막(230A)은 도전체(120)의 상면, 절연체(280)의 측면, 도전체(240)의 측면, 절연체(285)의 측면, 및 절연체(285)의 상면에 접하여 형성되는 것이 바람직하다. 산화물 반도체막(230A)이 도전체(120)에 접하여 형성됨으로써, 도전체(120)는 트랜지스터(200)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로서 기능한다. 또한 산화물 반도체막(230A)이 도전체(240)에 접하여 형성됨으로써, 도전체(240)는 트랜지스터(200)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽으로서 기능한다.Here, the oxide semiconductor film (230A) is preferably formed in contact with the upper surface of the conductor (120), the side surface of the insulator (280), the side surface of the conductor (240), the side surface of the insulator (285), and the upper surface of the insulator (285). By forming the oxide semiconductor film (230A) in contact with the conductor (120), the conductor (120) functions as one of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200). In addition, by forming the oxide semiconductor film (230A) in contact with the conductor (240), the conductor (240) functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200).

다음으로 산화물 반도체막(230A)의 상면에 접하여 절연막(250A)을 성막한다(도 5의 (A) 내지 (C) 참조). 절연막(250A)에는 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연막(250A)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 여기서 절연막(250A)은 가로세로비가 큰 개구(290)의 내측에 제공된 산화물 반도체막(230A)에 접하여 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 절연막(250A)의 성막에는 피복성이 양호한 성막 방법을 사용하는 것이 바람직하고, CVD법 또는 ALD법 등을 사용하는 것이 더 바람직하다. 예를 들어 절연막(250A)으로서 ALD법을 사용하여 산화 실리콘을 성막하면 좋다.Next, an insulating film (250A) is formed in contact with the upper surface of the oxide semiconductor film (230A) (see (A) to (C) of FIG. 5). It is preferable to use the insulating material described above for the insulating film (250A). It is preferable to use a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like for the formation of the insulating film (250A). Here, it is preferable that the insulating film (250A) is formed in contact with the oxide semiconductor film (230A) provided on the inside of the opening (290) having a large aspect ratio. Therefore, it is preferable to use a film formation method having good covering properties for the formation of the insulating film (250A), and it is more preferable to use a CVD method or an ALD method. For example, it is preferable to form a silicon oxide film using an ALD method as the insulating film (250A).

여기서 절연막(250A)의 성막은, 산화물 반도체막(230A)의 성막 후에 대기에 노출시키지 않고 연속하여 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어 멀티 체임버 방식의 성막 장치를 사용하면 좋다. 이에 의하여, 산화물 반도체막(230A) 및 절연막(250A)에 대하여 각 성막 공정 사이에 막 내에 수소 등의 불순물이 혼입되는 것을 저감할 수 있다.Here, it is preferable that the formation of the insulating film (250A) is performed continuously without exposing it to the atmosphere after the formation of the oxide semiconductor film (230A). For example, a multi-chamber type deposition device may be used. As a result, the inclusion of impurities such as hydrogen into the film between each deposition process for the oxide semiconductor film (230A) and the insulating film (250A) can be reduced.

다음으로 가열 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 가열 처리는 산화물 반도체막(230A)이 다결정화되지 않는 온도 범위에서 수행하면 좋고, 250℃ 이상 650℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이상 600℃ 이하에서 수행하면 좋다. 또한 가열 처리는 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스 분위기, 혹은 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행한다. 예를 들어 질소 가스와 산소 가스의 혼합 분위기에서 가열 처리를 수행하는 경우, 산소 가스를 20% 정도로 하면 좋다. 또한 가열 처리는 감압 상태에서 수행하여도 좋다. 또는 가열 처리는 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 이탈된 산소를 보충하기 위하여 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행하여도 좋다.Next, it is preferable to perform a heat treatment. The heat treatment is preferably performed in a temperature range in which the oxide semiconductor film (230A) does not polycrystallize, and is preferably performed at a temperature of 250° C. or more and 650° C. or less, preferably 400° C. or more and 600° C. or less. In addition, the heat treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. For example, when the heat treatment is performed in a mixed atmosphere of nitrogen gas and oxygen gas, it is preferable to use about 20% of oxygen gas. In addition, the heat treatment may be performed under a reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to supplement the released oxygen after performing the heat treatment in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere.

또한 상기 가열 처리에서 사용하는 가스는 고순도화되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 가열 처리에서 사용하는 가스에 포함되는 수분량을 1ppb 이하, 바람직하게는 0.1ppb 이하, 더 바람직하게는 0.05ppb 이하로 하면 좋다. 고순도화된 가스를 사용하여 가열 처리를 수행함으로써, 산화물 반도체막(230A) 등에 수분 등이 들어가는 것을 최대한 방지할 수 있다.In addition, it is preferable that the gas used in the above heat treatment be highly purified. For example, it is preferable that the moisture content contained in the gas used in the above heat treatment be 1 ppb or less, preferably 0.1 ppb or less, and more preferably 0.05 ppb or less. By performing the heat treatment using a highly purified gas, moisture, etc. can be prevented from entering the oxide semiconductor film (230A) or the like as much as possible.

여기서 과잉 산소를 포함하는 절연체(280)를 산화물 반도체막(230A)에 접하도록 제공한 상태로 상기 가열 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 식으로 가열 처리를 수행함으로써, 절연체(280)로부터 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 산소를 공급하여 산소 결손 및 VoH를 저감할 수 있다.Here, it is preferable to perform the heat treatment in a state where the insulator (280) containing excess oxygen is provided in contact with the oxide semiconductor film (230A). By performing the heat treatment in this manner, oxygen can be supplied from the insulator (280) to the channel formation region of the oxide semiconductor (230), thereby reducing oxygen vacancies and VoH.

또한 상기에서는 절연막(250A)의 성막 후에 가열 처리를 수행하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 추후의 공정에서 가열 처리를 수행하는 구성으로 하여도 좋다.In addition, although the heat treatment was performed after the formation of the insulating film (250A) in the above, the present invention is not limited to this. It may be configured to perform the heat treatment in a subsequent process.

다음으로 산화물 반도체막(230A) 및 절연막(250A)을 리소그래피법을 사용하여 가공하여, 산화물 반도체(230) 및 절연체(250)를 형성한다(도 6의 (A) 내지 (C) 참조). 이에 의하여, 산화물 반도체(230)의 일부가 개구(290) 위에 형성되고, 절연체(285)의 상면의 일부에 접한다. 또한 절연체(250)의 일부가 개구(290) 위에 형성된다. 이와 같이, 산화물 반도체(230) 및 절연체(250)를 일괄적으로 형성함으로써, 도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이 평면에서 보았을 때 산화물 반도체(230)의 측단부와 절연체(250)의 측단부가 실질적으로 일치한다. 이러한 구성으로 함으로써, 산화물 반도체(230)와 절연체(250)를 동일한 마스크를 사용하여 형성할 수 있어, 기억 장치의 제작 공정을 간략화할 수 있다.Next, the oxide semiconductor film (230A) and the insulating film (250A) are processed using a lithography method to form the oxide semiconductor (230) and the insulator (250) (see (A) to (C) of FIG. 6). As a result, a part of the oxide semiconductor (230) is formed over the opening (290) and comes into contact with a part of the upper surface of the insulator (285). In addition, a part of the insulator (250) is formed over the opening (290). In this way, by forming the oxide semiconductor (230) and the insulator (250) in one piece, as shown in (A) of FIG. 6, the side edge of the oxide semiconductor (230) and the side edge of the insulator (250) substantially coincide when viewed from the plane. By forming it in this configuration, the oxide semiconductor (230) and the insulator (250) can be formed using the same mask, which simplifies the manufacturing process of the memory device.

또한 앞에서 산화물 반도체막(230A) 및 절연막(250A)을 성막한 후에 산화물 반도체(230) 및 절연체(250)를 일괄적으로 형성하는 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 산화물 반도체(230)를 형성한 후에 절연막(250A)을 성막하는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우, 산화물 반도체(230)의 측단부가 절연막(250A)으로 덮이기 때문에, 산화물 반도체(230)와 도전체(260)의 단락을 방지할 수 있다.In addition, although the configuration in which the oxide semiconductor (230) and the insulator (250) are formed simultaneously after the oxide semiconductor film (230A) and the insulating film (250A) are formed in the foregoing has been shown, the present invention is not limited thereto. For example, a configuration in which the insulating film (250A) is formed after the oxide semiconductor (230) is formed may be used. In this case, since the side end of the oxide semiconductor (230) is covered with the insulating film (250A), short-circuiting between the oxide semiconductor (230) and the conductor (260) can be prevented.

다음으로, 절연체(250)의 오목부를 매립하도록 도전체(260)가 되는 도전막을 성막한다. 도전체(260)가 되는 도전막에는 상술한 도전성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 도전체(260)가 되는 도전막의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 여기서 도전체(260)가 되는 도전막은 가로세로비가 큰 개구(290)의 내측에 제공된 절연체(250)에 접하여 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 도전체(260)가 되는 도전막의 성막에는 피복성 또는 매립성이 양호한 성막 방법을 사용하는 것이 바람직하고, CVD법 또는 ALD법 등을 사용하는 것이 더 바람직하다. 예를 들어 도전체(260)가 되는 도전막으로서 CVD법 또는 ALD법을 사용하여 질화 타이타늄을 성막하면 좋다.Next, a conductive film to become a conductor (260) is formed to fill the concave portion of the insulator (250). The conductive material described above may be used appropriately for the conductive film to become the conductor (260). The sputtering method, the CVD method, the MBE method, the PLD method, the ALD method, or the like may be used appropriately for the formation of the conductive film to become the conductor (260). Here, it is preferable that the conductive film to become the conductor (260) be formed in contact with the insulator (250) provided on the inside of the opening (290) having a large aspect ratio. Therefore, it is preferable to use a film formation method having good covering or filling properties for the formation of the conductive film to become the conductor (260), and it is more preferable to use the CVD method or the ALD method. For example, it is preferable to form a titanium nitride film using the CVD method or the ALD method as the conductive film to become the conductor (260).

또한 CVD법을 사용하여 도전체(260)가 되는 도전막을 성막한 경우, 도전체(260)가 되는 도전막의 상면의 평균 면 거칠기가 커지는 경우가 있다. 이 경우, CMP법을 사용하여 도전체(260)가 되는 도전막을 평탄화하는 것이 바람직하다. 이때 CMP 처리를 수행하기 전에 도전체(260)가 되는 도전막 위에 산화 실리콘막 또는 산화질화 실리콘막을 성막하고, 상기 산화 실리콘막 또는 산화질화 실리콘막이 제거될 때까지 CMP 처리를 수행하여도 좋다.In addition, when a conductive film to be a conductor (260) is formed using a CVD method, there are cases where the average surface roughness of the upper surface of the conductive film to be a conductor (260) increases. In this case, it is preferable to flatten the conductive film to be a conductor (260) using a CMP method. At this time, before performing the CMP treatment, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film may be formed on the conductive film to be a conductor (260), and the CMP treatment may be performed until the silicon oxide film or the silicon oxynitride film is removed.

또한 상기에 있어서는 도전체(260)가 되는 도전막이 개구(290)를 매립하도록 제공되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도전체(260)가 되는 도전막의 중앙부에 개구(290)의 형상을 반영한 오목부가 형성되는 경우가 있다. 또한 상기 오목부를 무기 절연 재료 등으로 충전하는 구성으로 하여도 좋다.In addition, in the above, the conductive film that becomes the conductor (260) is provided to fill the opening (290), but the present invention is not limited thereto. For example, there is a case where a concave portion reflecting the shape of the opening (290) is formed in the central portion of the conductive film that becomes the conductor (260). In addition, the concave portion may be filled with an inorganic insulating material, etc.

다음으로 도전체(260)가 되는 도전막을 가공하여 도전체(260)를 형성한다(도 7의 (A) 내지 (C) 참조). 도전체(260)의 형성은 리소그래피법으로 수행하면 좋다. 상기 가공에는 드라이 에칭법 또는 웨트 에칭법을 사용할 수 있다. 드라이 에칭법에 의한 가공은 미세 가공에 적합하다.Next, the conductive film that becomes the conductor (260) is processed to form the conductor (260) (see (A) to (C) of FIG. 7). The formation of the conductor (260) can be performed by a lithography method. A dry etching method or a wet etching method can be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for micro-processing.

여기서 도 7의 (A)에 나타낸 바와 같이, 도전체(260)의 측단부가 평면에서 보았을 때 산화물 반도체(230)의 측단부 및 절연체(250)의 측단부보다 내측에 위치하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 도전체(260)와 산화물 반도체(230)가 단락되는 것을 방지할 수 있다.Here, as shown in (A) of Fig. 7, it is preferable that the side end of the conductor (260) is positioned closer to the side end of the oxide semiconductor (230) and the side end of the insulator (250) when viewed from the plane. As a result, the conductor (260) and the oxide semiconductor (230) can be prevented from being short-circuited.

이상과 같이 하여, 도전체(120), 도전체(240), 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)를 가지는 트랜지스터(200)를 형성할 수 있다.In this manner, a transistor (200) having a conductor (120), a conductor (240), an oxide semiconductor (230), an insulator (250), and a conductor (260) can be formed.

또한 상기에 있어서, 산화물 반도체막(230A) 및 절연막(250A)을 성막한 후, 산화물 반도체(230) 및 절연체(250)를 형성하고 나서 도전체(260)가 되는 도전막을 성막하는 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 산화물 반도체막(230A), 절연막(250A), 및 도전체(260)가 되는 도전막을 연속적으로 성막하고 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)를 패턴 형성하는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우, 산화물 반도체(230), 절연체(250), 및 도전체(260)를 포토리소그래피로 형성한 후, 도전체(260)의 측단부가 산화물 반도체(230) 및 절연체(250)의 내측에 위치하도록 포토리소그래피 공정을 다시 한 번 수행하여 도전체(260)를 가공하는 것이 바람직하다.In addition, in the above, the configuration in which the oxide semiconductor film (230A) and the insulating film (250A) are formed, and then the oxide semiconductor (230) and the insulator (250) are formed, and then the conductive film to become the conductor (260) is formed, is shown, but the present invention is not limited thereto. For example, the configuration in which the oxide semiconductor film (230A), the insulating film (250A), and the conductive film to become the conductor (260) are continuously formed and the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) are pattern-formed may be used. In this case, after the oxide semiconductor (230), the insulator (250), and the conductor (260) are formed by photolithography, it is preferable to process the conductor (260) by performing the photolithography process once again so that the side edge of the conductor (260) is positioned on the inner side of the oxide semiconductor (230) and the insulator (250).

다음으로 도전체(260), 절연체(250), 산화물 반도체(230), 및 절연체(285)를 덮어 절연체(287)가 되는 절연막을 성막한다. 절연체(287)가 되는 절연막에는 절연체(280)와 마찬가지로 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(287)가 되는 절연막의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 절연체(287)가 되는 절연막으로서 스퍼터링법을 사용하여 산화 실리콘막을 성막하면 좋다.Next, an insulating film to become an insulator (287) is formed by covering the conductor (260), the insulator (250), the oxide semiconductor (230), and the insulator (285). For the insulating film to become the insulator (287), the insulating material described above may be used appropriately, similarly to the insulator (280). For the formation of the insulating film to become the insulator (287), a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like may be used appropriately. For example, a silicon oxide film may be formed using a sputtering method as the insulating film to become the insulator (287).

다음으로 절연체(287)가 되는 절연막에 대하여 CMP 처리를 수행하여 절연체(287)를 형성한다(도 8의 (A) 내지 (C) 참조). 상기 CMP 처리는 도전체(260)의 상면이 노출될 때까지 수행하면 좋다. 이때 도전체(260)의 상면의 높이와 절연체(287)의 상면의 높이가 일치하거나 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.Next, CMP treatment is performed on the insulating film to become the insulator (287) to form the insulator (287) (see (A) to (C) of FIG. 8). It is preferable that the CMP treatment is performed until the upper surface of the conductor (260) is exposed. At this time, it is preferable that the height of the upper surface of the conductor (260) and the height of the upper surface of the insulator (287) are identical or substantially identical.

다음으로 절연체(287) 및 도전체(260) 위에 절연체(289)를 형성한다. 절연체(289)에는 절연체(280)와 마찬가지로 상술한 절연성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 절연체(289)의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 절연체(289)로서, 스퍼터링법을 사용하여 산화 실리콘막을 성막하면 좋다. 또한 절연체(289)를 성막한 후에 CMP 처리를 수행하여 상면을 평탄화하는 것이 바람직하다.Next, an insulator (289) is formed on the insulator (287) and the conductor (260). As with the insulator (280), the insulating material described above may be suitably used for the insulator (289). For the film formation of the insulator (289), a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like may be suitably used. For example, as the insulator (289), a silicon oxide film may be formed using a sputtering method. In addition, after the film formation of the insulator (289), it is preferable to perform CMP treatment to flatten the upper surface.

다음으로 절연체(289)에 도전체(260) 및 절연체(287)에 달하는 홈 형상의 개구를 형성한다(도 1의 (A) 내지 (C) 참조). 상기 개구 내에 배선으로서 기능하는 도전체(265)가 형성되기 때문에, 상기 개구는 Y방향으로 신장되어 제공되면 좋다. 상기 개구의 형성은 리소그래피법을 사용하여 수행하면 좋다. 또한 상기 개구의 에칭에는 드라이 에칭법 또는 웨트 에칭법을 사용할 수 있다. 드라이 에칭법에 의한 가공은 미세 가공에 적합하다.Next, a groove-shaped opening is formed in the insulator (289) to reach the conductor (260) and the insulator (287) (see (A) to (C) of FIG. 1). Since a conductor (265) functioning as a wiring is formed in the opening, it is preferable that the opening be provided to extend in the Y direction. It is preferable that the formation of the opening be performed using a lithography method. In addition, a dry etching method or a wet etching method can be used for the etching of the opening. Processing by the dry etching method is suitable for microprocessing.

다음으로 절연체(289)의 개구를 매립하도록 도전체(265)가 되는 도전막을 성막한다. 도전체(265)가 되는 도전막에는 상술한 도전성 재료를 적절히 사용하면 좋다. 도전체(265)가 되는 도전막의 성막에는 스퍼터링법, CVD법, MBE법, PLD법, ALD법 등을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 도전체(265)가 되는 도전막으로서 CVD법을 사용하여 질화 타이타늄, 텅스텐이 이 순서대로 성막된 적층막을 형성하면 좋다.Next, a conductive film to be a conductor (265) is formed to fill the opening of the insulator (289). The conductive material described above may be used appropriately for the conductive film to be the conductor (265). The sputtering method, the CVD method, the MBE method, the PLD method, the ALD method, etc. may be used appropriately for the formation of the conductive film to be the conductor (265). For example, it may be preferable to form a laminated film in which titanium nitride and tungsten are formed in this order using the CVD method as the conductive film to be the conductor (265).

다음으로 절연체(289) 위의 도전체(265)가 되는 도전막의 일부를 제거하여 절연체(289)의 개구 내에 도전체(265)를 형성한다(도 1의 (A) 내지 (C) 참조). 도전체(265)의 형성으로서는, 절연체(289)의 상면이 노출될 때까지 도전체(265)가 되는 도전막에 대하여 CMP 처리를 수행하면 좋다.Next, a part of the conductive film that becomes the conductor (265) on the insulator (289) is removed to form the conductor (265) within the opening of the insulator (289) (see (A) to (C) of FIG. 1). For the formation of the conductor (265), it is preferable to perform CMP treatment on the conductive film that becomes the conductor (265) until the upper surface of the insulator (289) is exposed.

이러한 식으로, 도 1의 (A) 내지 (D)에 나타낸 트랜지스터(200) 및 용량 소자(100)를 가지는 기억 장치를 제작할 수 있다.In this way, a memory device having a transistor (200) and a capacitor element (100) as shown in (A) to (D) of FIG. 1 can be manufactured.

<기억 장치의 변형예><Variations of memory devices>

이하에서는 도 9를 사용하여 본 발명의 일 형태인 기억 장치의 일례에 대하여 설명한다.Below, an example of a memory device, which is one form of the present invention, is described using FIG. 9.

도 9의 (A) 내지 (C)에 나타낸 기억 장치는 도 1의 (A) 내지 (D)에 나타낸 기억 장치의 변형예이다. 도 9의 (A) 내지 (C)는 도 1의 (B) 내지 (D)에 대응하고, 도 9에 나타낸 기억 장치에 있어서 도 1에 나타낸 기억 장치를 구성하는 구조와 같은 기능을 가지는 구조에는 같은 부호를 부기한다. 또한 본 항목에서도 기억 장치의 구성 재료로서는 <기억 장치의 구성예>에서 자세히 설명한 재료를 사용할 수 있다.The memory devices shown in (A) to (C) of Fig. 9 are modifications of the memory devices shown in (A) to (D) of Fig. 1. (A) to (C) of Fig. 9 correspond to (B) to (D) of Fig. 1, and in the memory device shown in Fig. 9, structures having the same function as the structures constituting the memory device shown in Fig. 1 are given the same reference numerals. In addition, in this item, as the constituent materials of the memory device, the materials described in detail in <Configuration Examples of Memory Devices> can be used.

도 9의 (A) 내지 (C)에 나타낸 기억 장치는 절연체(254)를 가지는 점에서 도 1의 (A) 내지 (D)에 나타낸 기억 장치와 다르다. 절연체(254)는 절연체(250)와 함께 게이트 절연체로서 기능한다.The memory device shown in (A) to (C) of FIG. 9 differs from the memory device shown in (A) to (D) of FIG. 1 in that it has an insulator (254). The insulator (254) functions as a gate insulator together with the insulator (250).

절연체(254)는 절연체(250)와 도전체(260) 사이에 제공되어 있다. 또한 절연체(254)는 산화물 반도체(230)의 측단부 및 절연체(250)의 측단부를 덮어 제공되는 것이 바람직하다. 이 경우, 절연체(254)는 절연체(250)의 상면 및 측면, 산화물 반도체(230)의 측면, 절연체(285)의 상면, 도전체(260)의 하면, 그리고 절연체(287)의 하면에 접하는 것이 바람직하다.An insulator (254) is provided between the insulator (250) and the conductor (260). In addition, it is preferable that the insulator (254) be provided to cover the side end of the oxide semiconductor (230) and the side end of the insulator (250). In this case, it is preferable that the insulator (254) be in contact with the upper surface and the side surface of the insulator (250), the side surface of the oxide semiconductor (230), the upper surface of the insulator (285), the lower surface of the conductor (260), and the lower surface of the insulator (287).

절연체(254)는 산소에 대한 배리어성을 가지는 것이 바람직하다. 또한 절연체(254)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 것이 더 바람직하다. 이러한 절연체로서는, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를, 단층으로, 또는 적층으로 사용하면 좋다. 구체적으로는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼, 인듐 갈륨 아연 산화물, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트), 하프늄 및 실리콘을 포함하는 산화물(하프늄 실리케이트) 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘 등의 금속 질화물을 사용할 수 있다.It is preferable that the insulator (254) have a barrier property against oxygen. It is more preferable that the insulator (254) have a barrier property against hydrogen. As such an insulator, an insulator containing boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in a single layer or in a laminated form. Specifically, metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, indium gallium zinc oxide, oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), oxides containing hafnium and silicon (hafnium silicate), and metal nitrides such as aluminum nitride, silicon nitride oxide, and silicon nitride can be used.

또한 본 명세서 등에서 배리어성이란, 대응하는 물질의 확산을 억제하는 기능(투과성이 낮다고도 함)을 말한다. 또는 대응하는 물질을 포획 및 고착하는(게터링이라고도 함) 기능을 말한다.In addition, in this specification and elsewhere, barrier property refers to a function of inhibiting the diffusion of a corresponding substance (also called low permeability) or a function of capturing and fixing a corresponding substance (also called gettering).

절연체(254)가 산소에 대한 배리어성을 가짐으로써, 절연체(250) 및 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 포함되는 산소가 도전체(260)로 확산되어 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 산소 결손이 형성되는 것을 억제할 수 있다. 또한 절연체(250) 및 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역에 포함되는 산소가 도전체(260)로 확산되어 도전체(260)가 산화되는 것을 억제할 수 있다. 여기서 절연체(254)는 적어도 절연체(280)보다 산소를 투과시키기 어려우면 좋다. 예를 들어 절연체(254)로서는 PEALD법으로 성막된 질화 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다.Since the insulator (254) has a barrier property against oxygen, it is possible to suppress oxygen included in the channel formation region of the insulator (250) and the oxide semiconductor (230) from diffusing into the conductor (260) and forming oxygen vacancies in the channel formation region of the oxide semiconductor (230). In addition, it is possible to suppress oxygen included in the channel formation region of the insulator (250) and the oxide semiconductor (230) from diffusing into the conductor (260) and oxidizing the conductor (260). Here, it is preferable that the insulator (254) be at least less permeable to oxygen than the insulator (280). For example, it is preferable to use silicon nitride formed by the PEALD method as the insulator (254).

또한 절연체(254)가 수소에 대한 배리어성을 가짐으로써, 절연체(254)보다 위의 층으로부터 수소 등의 불순물이 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역으로 확산되는 것을 저감할 수 있다. 따라서 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역 내의 산소 결손 및 VOH를 저감할 수 있다. 이로써, 트랜지스터(200)의 전기 특성을 안정적으로 하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the insulator (254) has a barrier property against hydrogen, diffusion of impurities such as hydrogen from a layer above the insulator (254) into the channel formation region of the oxide semiconductor (230) can be reduced. Accordingly, oxygen vacancies and V O H in the channel formation region of the oxide semiconductor (230) can be reduced. As a result, the electrical characteristics of the transistor (200) can be stabilized and the reliability can be improved.

또한 상술한 바와 같은, 산소 및 수소 중 적어도 한쪽에 대하여 배리어성을 가지는 절연체(이하, 배리어 절연막이라고 부르는 경우가 있음)는 층간막으로서 기능하는 절연체(140), 절연체(280), 절연체(281), 절연체(285), 절연체(287), 및 절연체(289) 중 어느 하나 또는 복수에 적층시켜 제공하여도 좋다. 예를 들어 절연체(280)의 하면에 제공하여도 좋고, 이 경우 배리어 절연막이 절연체(130)의 상면, 도전체(120)의 상면, 및 도전체(120)의 측면에 접하여 제공된다. 또한 예를 들어 절연체(140)의 상면에 제공하여도 좋고, 이 경우, 배리어 절연막이 도전체(110)의 하면에 접하여 제공된다. 이와 같이 배리어 절연막을 제공함으로써 절연체(140)보다 아래의 층으로부터 수소 등의 불순물이 산화물 반도체(230)의 채널 형성 영역으로 확산되는 것을 저감할 수 있다.In addition, as described above, an insulator having a barrier property against at least one of oxygen and hydrogen (hereinafter, sometimes referred to as a barrier insulating film) may be provided by laminating one or more of the insulators (140), (280), (281), (285), (287), and (289) that function as an interlayer film. For example, it may be provided on the lower surface of the insulator (280), and in this case, the barrier insulating film is provided in contact with the upper surface of the insulator (130), the upper surface of the conductor (120), and the side surface of the conductor (120). In addition, for example, it may be provided on the upper surface of the insulator (140), and in this case, the barrier insulating film is provided in contact with the lower surface of the conductor (110). By providing the barrier insulating film in this way, it is possible to reduce diffusion of impurities such as hydrogen from a layer lower than the insulator (140) into the channel formation region of the oxide semiconductor (230).

본 발명의 일 형태에 의하여, 신규 트랜지스터, 신규 반도체 장치, 및 신규 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 미세화 또는 고집적화가 가능한 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 주파수 특성이 양호한 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 동작 속도가 빠른 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 신뢰성이 양호한 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 소비 전력이 낮은 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 온 전류가 높은 트랜지스터를 가지는 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 트랜지스터 특성의 편차가 적은 기억 장치를 제공할 수 있다. 또는 양호한 전기 특성을 가지는 기억 장치를 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a novel transistor, a novel semiconductor device, and a novel memory device can be provided. Or, a memory device capable of miniaturization or high integration can be provided. Or, a memory device having good frequency characteristics can be provided. Or, a memory device having a high operating speed can be provided. Or, a memory device having good reliability can be provided. Or, a memory device having low power consumption can be provided. Or, a memory device having a transistor with high on-state current can be provided. Or, a memory device having little variation in transistor characteristics can be provided. Or, a memory device having good electrical characteristics can be provided.

본 실시형태에서 설명하는 트랜지스터(200) 및 용량 소자(100)를 가지는 메모리 셀(150)은 기억 장치의 메모리 셀로서 사용될 수 있다. 트랜지스터(200)는 산화물 반도체를 가지는 반도체층에 채널이 형성되는 트랜지스터이다. 트랜지스터(200)는 오프 전류가 낮기 때문에, 이를 기억 장치에 사용함으로써 장기간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있다. 즉 리프레시 동작이 불필요하거나 리프레시 동작의 빈도가 매우 낮기 때문에, 기억 장치의 소비 전력을 충분히 저감할 수 있다. 또한 트랜지스터(200)의 주파수 특성이 높기 때문에, 기억 장치의 판독 및 기록을 고속으로 수행할 수 있다.The memory cell (150) having the transistor (200) and the capacitor element (100) described in this embodiment can be used as a memory cell of a memory device. The transistor (200) is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer having an oxide semiconductor. Since the transistor (200) has a low off-state current, by using it in a memory device, memory contents can be maintained for a long period of time. That is, since a refresh operation is unnecessary or the frequency of the refresh operation is very low, the power consumption of the memory device can be sufficiently reduced. In addition, since the frequency characteristic of the transistor (200) is high, reading and writing of the memory device can be performed at high speed.

또한 2개의 메모리 셀(150)(이하, 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)이라고 부름)을 공통의 배선에 접속하는 기억 장치의 예에 대하여, 도 10의 (A) 및 (B)를 사용하여 설명한다. 도 10의 (A)는 기억 장치의 평면도이다. 또한 도 10의 (B)는 도 10의 (A)에서 일점쇄선 A1-A2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 10의 (A)의 평면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부 요소를 생략하였다.Also, an example of a memory device that connects two memory cells (150) (hereinafter, referred to as memory cell (150a) and memory cell (150b)) to a common wiring will be described using Figs. 10(A) and (B). Fig. 10(A) is a plan view of the memory device. Also, Fig. 10(B) is a cross-sectional view of a portion indicated by a dashed-dotted line A1-A2 in Fig. 10(A). Also, in the plan view of Fig. 10(A), some elements are omitted for clarity of the drawing.

여기서 도 10의 (A) 및 (B)에 나타낸 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)은 메모리 셀(150)과 같은 구성을 가진다. 메모리 셀(150a)은 용량 소자(100a) 및 트랜지스터(200a)를 가지고, 메모리 셀(150b)은 용량 소자(100b) 및 트랜지스터(200b)를 가진다. 따라서 도 10의 (A) 및 (B)에 나타낸 기억 장치에서 도 1에 나타낸 기억 장치를 구성하는 구조와 같은 기능을 가지는 구조에는 같은 부호를 부기한다. 또한 본 항목에서도 기억 장치의 구성 재료로서는 <기억 장치의 구성예>에서 자세히 설명한 재료를 사용할 수 있다.Here, the memory cell (150a) and the memory cell (150b) shown in (A) and (B) of Fig. 10 have the same configuration as the memory cell (150). The memory cell (150a) has a capacitive element (100a) and a transistor (200a), and the memory cell (150b) has a capacitive element (100b) and a transistor (200b). Therefore, in the memory devices shown in (A) and (B) of Fig. 10, the same reference numerals are given to structures having the same function as the structure constituting the memory device shown in Fig. 1. In addition, in this item, as the constituent material of the memory device, the materials described in detail in <Configuration Example of Memory Device> can be used.

도 10의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이 배선(WL)으로서 기능하는 도전체(265)는 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)에 각각 제공된다. 또한 배선(BL)의 일부로서 기능하는 도전체(240)는 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)에 공통적으로 제공된다. 즉 도전체(240)는 메모리 셀(150a)의 산화물 반도체(230)와, 메모리 셀(150b)의 산화물 반도체(230)에 접한다.As shown in (A) and (B) of Fig. 10, a conductor (265) functioning as a wiring (WL) is provided to each of the memory cell (150a) and the memory cell (150b). In addition, a conductor (240) functioning as a part of the wiring (BL) is provided in common to the memory cell (150a) and the memory cell (150b). That is, the conductor (240) is in contact with the oxide semiconductor (230) of the memory cell (150a) and the oxide semiconductor (230) of the memory cell (150b).

여기서 도 10의 (A) 및 (B)에 나타낸 기억 장치는 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)과 전기적으로 접속되어 플러그(접속 전극이라고 부를 수도 있음)로서 기능하는 도전체(245) 및 도전체(246)를 가진다. 도전체(245)는 절연체(280) 및 절연체(140)에 형성된 개구 내에 배치되고, 도전체(240)의 하면에 접한다. 또한 도전체(246)는 절연체(289), 절연체(287), 및 절연체(285)에 형성된 개구 내에 배치되고, 도전체(240)의 상면에 접한다. 또한 도전체(245) 및 도전체(246)에는 도전체(240)에 사용할 수 있는 도전성 재료 등을 사용할 수 있다.Here, the memory device shown in (A) and (B) of FIG. 10 has a conductor (245) and a conductor (246) that are electrically connected to the memory cell (150a) and the memory cell (150b) and function as a plug (which may also be called a connection electrode). The conductor (245) is arranged in an opening formed in the insulator (280) and the insulator (140) and is in contact with the lower surface of the conductor (240). In addition, the conductor (246) is arranged in an opening formed in the insulator (289), the insulator (287), and the insulator (285) and is in contact with the upper surface of the conductor (240). In addition, a conductive material that can be used for the conductor (240) can be used for the conductor (245) and the conductor (246).

여기서 도전체(245) 및 도전체(246)는 스위치, 트랜지스터, 용량 소자, 인덕터, 저항 소자, 및 다이오드 등의 회로 소자, 배선, 전극, 또는 단자와, 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)을 전기적으로 접속하기 위한 플러그 또는 배선으로서 기능한다. 예를 들어 도전체(245)가, 도 10에 나타낸 기억 장치 아래에 제공된 감지 증폭기에 전기적으로 접속되고, 도전체(246)가, 도 10에 나타낸 기억 장치 위에 제공된 위와 같은 기억 장치와 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수 있다. 이 경우, 도전체(245) 및 도전체(246)는 배선(BL)의 일부로서 기능한다. 이와 같이 도 10에 나타낸 기억 장치의 위 또는 아래에 기억 장치 등을 제공함으로써, 단위 면적당 기억 용량을 크게 할 수 있다.Here, the conductor (245) and the conductor (246) function as a plug or a wire for electrically connecting circuit elements, wiring, electrodes, or terminals such as switches, transistors, capacitive elements, inductors, resistor elements, and diodes, and the memory cells (150a) and the memory cells (150b). For example, the conductor (245) may be electrically connected to a sense amplifier provided below the memory device shown in Fig. 10, and the conductor (246) may be electrically connected to a memory device such as the above provided above the memory device shown in Fig. 10. In this case, the conductor (245) and the conductor (246) function as a part of the wiring (BL). By providing a memory device or the like above or below the memory device shown in Fig. 10 in this way, the memory capacity per unit area can be increased.

또한 메모리 셀(150a)과 메모리 셀(150b)은 일점쇄선 A1-A2의 수직 이등분선을 대칭축으로 한 선대칭의 구성이 되어 있다. 따라서 트랜지스터(200a)와 트랜지스터(200b)도 도전체(245) 및 도전체(246)를 사이에 두고 선대칭의 위치에 배치된다. 여기서 트랜지스터(200a)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽과, 트랜지스터(200b)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽을 도전체(240)가 겸하는 구성이 되어 있다. 또한 트랜지스터(200a)와 트랜지스터(200b)가, 플러그로서 기능하는 도전체(245) 및 도전체(246)를 공유하는 구성이 되어 있다. 이와 같이, 2개의 트랜지스터와 플러그의 접속에 상술한 구성을 적용함으로써, 미세화 또는 고집적화가 가능한 기억 장치를 제공할 수 있다.In addition, the memory cell (150a) and the memory cell (150b) are configured to be line-symmetrical with the vertical bisector of the dashed-dotted line A1-A2 as the axis of symmetry. Accordingly, the transistor (200a) and the transistor (200b) are also arranged at line-symmetrical positions with the conductor (245) and the conductor (246) therebetween. Here, the configuration is such that one of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200a) and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200b) are also served by the conductor (240). In addition, the transistor (200a) and the transistor (200b) are configured to share the conductor (245) and the conductor (246) that function as a plug. In this way, by applying the above-described configuration to the connection of two transistors and a plug, it is possible to provide a memory device capable of miniaturization or high integration.

또한 배선(PL)으로서 기능하는 도전체(110)는 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)에 각각 제공하여도 좋고, 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150b)에 공통적으로 제공하여도 좋다. 다만 도 10의 (B)에 나타낸 바와 같이 도전체(110)는 도전체(245)와 이격하여 제공하고, 도전체(110)와 도전체(245)가 단락되지 않도록 한다.In addition, the conductor (110) functioning as a wiring (PL) may be provided to each of the memory cell (150a) and the memory cell (150b), or may be provided commonly to the memory cell (150a) and the memory cell (150b). However, as shown in (B) of Fig. 10, the conductor (110) is provided apart from the conductor (245), and the conductor (110) and the conductor (245) are prevented from being short-circuited.

또한 메모리 셀(150)을 3차원적으로 매트릭스로 배치함으로써, 메모리 셀 어레이를 구성할 수 있다. 메모리 셀 어레이의 일례로서 도 11의 (A) 및 (B)에 X방향, Y방향, 및 Z방향으로 4개×2개×2개의 메모리 셀(150)을 배치한 기억 장치를 나타내었다. 도 11의 (A)는 기억 장치의 평면도이다. 또한 도 11의 (B)는 도 11의 (A)에서 일점쇄선 A1-A2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 11의 (A)의 평면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부 요소를 생략하였다.In addition, a memory cell array can be configured by arranging memory cells (150) in a three-dimensional matrix. As an example of a memory cell array, a memory device in which 4×2×2 memory cells (150) are arranged in the X direction, the Y direction, and the Z direction is shown in (A) and (B) of Figs. (A) of Fig. 11 is a plan view of the memory device. In addition, (B) of Fig. 11 is a cross-sectional view of a portion indicated by the dashed-dotted line A1-A2 in (A) of Fig. 11. In addition, some elements are omitted in the plan view of (A) of Fig. 11 for clarity of the drawing.

여기서 도 11의 (A) 및 (B)에 나타낸 메모리 셀(150a) 내지 메모리 셀(150d)은 메모리 셀(150)과 같은 구성을 가진다. 메모리 셀(150a)은 용량 소자(100a) 및 트랜지스터(200a)를 가지고, 메모리 셀(150b)은 용량 소자(100b) 및 트랜지스터(200b)를 가지고, 메모리 셀(150c)은 용량 소자(100c) 및 트랜지스터(200c)를 가지고, 메모리 셀(150d)은 용량 소자(100d) 및 트랜지스터(200d)를 가진다. 따라서 도 11의 (A) 및 (B)에 나타낸 기억 장치에서 도 1에 나타낸 기억 장치를 구성하는 구조와 같은 기능을 가지는 구조에는 같은 부호를 부기한다. 또한 본 항목에서도 기억 장치의 구성 재료로서는 <기억 장치의 구성예>에서 자세히 설명한 재료를 사용할 수 있다.Here, the memory cells (150a) to (150d) shown in (A) and (B) of Fig. 11 have the same configuration as the memory cell (150). The memory cell (150a) has a capacitive element (100a) and a transistor (200a), the memory cell (150b) has a capacitive element (100b) and a transistor (200b), the memory cell (150c) has a capacitive element (100c) and a transistor (200c), and the memory cell (150d) has a capacitive element (100d) and a transistor (200d). Therefore, in the memory devices shown in (A) and (B) of Fig. 11, structures having the same function as the structure constituting the memory device shown in Fig. 1 are given the same reference numerals. In addition, in this item, as the constituent materials of the memory device, the materials described in detail in <Configuration Example of Memory Device> can be used.

이하에서 메모리 셀(150a) 내지 메모리 셀(150d)로 이루어지는 기억 장치를 메모리 유닛이라고 부른다. 도 11의 (A) 및 (B)에 나타낸 기억 장치는 메모리 유닛(160a) 내지 메모리 유닛(160d)을 가진다. 또한 이하에서 메모리 유닛(160a) 내지 메모리 유닛(160d)을 통틀어 메모리 유닛(160)이라고 부르는 경우가 있다. 메모리 유닛(160b)은 메모리 유닛(160a) 위에 제공된다. 메모리 유닛(160c)은 메모리 유닛(160a)의 y축 방향으로 인접하여 제공된다. 메모리 유닛(160d)은 메모리 유닛(160c) 위에 제공된다.Hereinafter, a memory device composed of memory cells (150a) to memory cells (150d) is called a memory unit. The memory device shown in (A) and (B) of Fig. 11 has a memory unit (160a) to a memory unit (160d). Also, hereafter, the memory unit (160a) to the memory unit (160d) may be collectively called a memory unit (160). The memory unit (160b) is provided above the memory unit (160a). The memory unit (160c) is provided adjacent to the memory unit (160a) in the y-axis direction. The memory unit (160d) is provided above the memory unit (160c).

메모리 유닛(160)은 도 11의 (B)에 나타낸 바와 같이 도전체(245)를 중심으로 하여 메모리 셀(150a)의 외측에 메모리 셀(150c)이 배치되고, 메모리 셀(150b)의 외측에 메모리 셀(150d)이 배치되어 있다. 즉 도 10에 나타낸 기억 장치에 있어서, 메모리 셀(150a)에 인접하여 메모리 셀(150c)이 제공되고, 메모리 셀(150b)에 인접하여 메모리 셀(150d)이 제공된 기억 장치라고도 할 수 있다.As shown in (B) of Fig. 11, the memory unit (160) has memory cells (150c) arranged on the outside of memory cells (150a) centered around conductors (245), and memory cells (150d) arranged on the outside of memory cells (150b). That is, in the memory device shown in Fig. 10, it can also be said to be a memory device in which memory cells (150c) are provided adjacent to memory cells (150a), and memory cells (150d) are provided adjacent to memory cells (150b).

도 11의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 배선(WL)으로서 기능하는 도전체(265)는 Y방향으로 인접한 메모리 셀들(150) 사이에서 공유되어 있다. 또한 배선(BL)의 일부로서 기능하는 도전체(240)는 동일 메모리 유닛 내에서 공유되어 있다. 도전체(240)는 메모리 셀(150a) 내지 메모리 셀(150d)에 공통적으로 제공된다. 즉 도전체(240)는 메모리 셀(150a) 내지 메모리 셀(150d) 각각의 산화물 반도체(230)에 접한다.As shown in (A) and (B) of FIG. 11, a conductor (265) functioning as a wiring (WL) is shared between adjacent memory cells (150) in the Y direction. In addition, a conductor (240) functioning as a part of a wiring (BL) is shared within the same memory unit. The conductor (240) is commonly provided to the memory cells (150a) to (150d). That is, the conductor (240) contacts the oxide semiconductor (230) of each of the memory cells (150a) to (150d).

Z축 방향으로 인접한 메모리 유닛이 가지는 도전체(240) 사이에 도전체(245)가 제공된다. 예를 들어 도 11의 (B)에 나타낸 바와 같이, 도전체(245)는 메모리 유닛(160a)의 도전체(240)의 상면과 메모리 유닛(160b)의 도전체(240)의 하면에 접하여 제공된다. 이와 같이 각 메모리 유닛(160)에 제공된 도전체(240)와 도전체(245)로 배선(BL)이 형성된다. 도전체(245)는 도 11에 나타낸 기억 장치 아래에 제공된 감지 증폭기에 전기적으로 접속된다. 이와 같이 도 11에 나타낸 기억 장치에 있어서 복수의 메모리 유닛을 적층시킴으로써, 단위 면적당 기억 용량을 크게 할 수 있다.A conductor (245) is provided between conductors (240) of adjacent memory units in the Z-axis direction. For example, as shown in (B) of FIG. 11, the conductor (245) is provided in contact with the upper surface of the conductor (240) of the memory unit (160a) and the lower surface of the conductor (240) of the memory unit (160b). In this way, a wiring (BL) is formed by the conductor (240) and the conductor (245) provided in each memory unit (160). The conductor (245) is electrically connected to a sense amplifier provided below the memory device shown in FIG. 11. In this way, by stacking a plurality of memory units in the memory device shown in FIG. 11, the memory capacity per unit area can be increased.

또한 메모리 셀(150a) 및 메모리 셀(150c)과, 메모리 셀(150b) 및 메모리 셀(150d)은 일점쇄선 A1-A2의 수직 이등분선을 대칭축으로 한 선대칭의 구성이 되어 있다. 따라서 트랜지스터(200a) 및 트랜지스터(200c)와, 트랜지스터(200b) 및 트랜지스터(200d)도 도전체(245)를 사이에 두고 선대칭의 위치에 배치된다. 여기서 트랜지스터(200a) 내지 트랜지스터(200d)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽을 도전체(240)가 겸하는 구성이 되어 있다. 또한 트랜지스터(200a) 내지 트랜지스터(200d)가, 플러그로서 기능하는 도전체(245)를 공유하는 구성이 되어 있다. 이와 같이, 4개의 트랜지스터와 플러그의 접속에 상술한 구성을 적용함으로써, 미세화 또는 고집적화가 가능한 기억 장치를 제공할 수 있다.In addition, the memory cell (150a) and the memory cell (150c), and the memory cell (150b) and the memory cell (150d) are configured to be line-symmetrical with the vertical bisector of the dashed-dotted line A1-A2 as the axis of symmetry. Accordingly, the transistor (200a) and the transistor (200c), and the transistor (200b) and the transistor (200d) are also arranged at line-symmetrical positions with the conductor (245) therebetween. Here, the configuration is such that one of the source electrode and the drain electrode of the transistor (200a) to the transistor (200d) is also performed by the conductor (240). In addition, the transistor (200a) to the transistor (200d) are configured to share the conductor (245) that functions as a plug. In this way, by applying the above-described configuration to the connection of four transistors and the plug, it is possible to provide a memory device capable of miniaturization or high integration.

도 11에 나타낸 바와 같이 복수의 메모리 셀을 적층시킴으로써, 메모리 셀 어레이의 점유 면적을 증가시키지 않고 셀을 집적하여 배치할 수 있다. 즉 3D 메모리 셀 어레이를 구성할 수 있다.As shown in Fig. 11, by stacking a plurality of memory cells, cells can be integrated and arranged without increasing the occupied area of the memory cell array. In other words, a 3D memory cell array can be configured.

3D 메모리 셀 어레이를 가지는 기억 장치에 대해서는 추후의 실시형태에서 자세히 설명한다.A memory device having a 3D memory cell array will be described in detail in a later embodiment.

본 실시형태에 나타낸 구성, 방법 등은 적어도 그 일부를 본 명세서 중에 기재하는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.The configurations, methods, etc. shown in this embodiment can be implemented by appropriately combining at least some of them with other embodiments described in this specification.

(실시형태 2)(Embodiment 2)

본 실시형태에서는 도 12 내지 도 15를 사용하여 앞의 실시형태에 나타낸 기억 장치의 트랜지스터의 반도체층에 적용할 수 있는 금속 산화물(이하, 산화물 반도체 또는 산화물이라고 부르는 경우도 있음) 및 그 성막 방법에 대하여 설명한다.In this embodiment, a metal oxide (hereinafter, sometimes referred to as oxide semiconductor or oxide) that can be applied to a semiconductor layer of a transistor of a memory device shown in the preceding embodiment and a film formation method thereof are described using FIGS. 12 to 15.

본 발명의 일 형태의 반도체 장치에 있어서는, 채널 형성 영역을 포함하는 금속 산화물에 결정성이 높은 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 결정은 복수의 층(예를 들어 제 1 층과, 제 2 층과, 제 3 층)이 적층된 결정 구조를 가지는 것이 바람직하다. 즉 상기 결정은 층상의 결정 구조(층상 결정, 층상 구조라고도 함)를 가진다. 이때 상기 결정의 c축의 방향은 복수의 층이 적층되는 방향이 된다.In one embodiment of the semiconductor device of the present invention, it is preferable to use a metal oxide having high crystallinity as the metal oxide including the channel forming region. In addition, it is preferable that the crystal has a crystal structure in which a plurality of layers (for example, a first layer, a second layer, and a third layer) are laminated. That is, the crystal has a layered crystal structure (also called a layered crystal or a layered structure). At this time, the direction of the c-axis of the crystal becomes the direction in which the plurality of layers are laminated.

상기 층상의 결정 구조를 가지는 금속 산화물을 형성하기 위해서는 한 층씩 원자를 퇴적하는 것이 바람직하다. 예를 들어 금속 산화물의 형성 방법으로서 ALD(Atomic Layer Deposition)법을 사용할 수 있다.In order to form a metal oxide having the above layered crystal structure, it is desirable to deposit atoms one layer at a time. For example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method can be used as a method for forming a metal oxide.

ALD법에서는 전구체 분자 또는 전구체에 포함되는 원자의 자기 제어성을 이용하여 한 층씩 원자를 퇴적할 수 있기 때문에, 매우 얇게 성막할 수 있고, 종횡비가 높은 구조에 대한 성막이 가능하고, 핀홀 등의 결함이 적은 성막이 가능하고, 피복성이 우수한 성막이 가능하고, 저온에서의 성막이 가능하다는 등의 효과가 있다. 또한 ALD법에는 열을 이용한 성막 방법인 열 ALD(thermal ALD)법 및 플라스마를 이용한 성막 방법인 플라스마 ALD(PEALD: Plasma Enhanced ALD)법도 포함된다. 플라스마를 이용함으로써, 더 낮은 온도에서 성막할 수 있기 때문에 바람직한 경우가 있다. 또한 ALD법에서 사용하는 전구체에는 탄소 또는 염소 등의 원소가 포함되는 경우가 있다. 그러므로 ALD법에 의하여 제공된 막은, 다른 성막법에 의하여 제공된 막과 비교하여 탄소 또는 염소 등의 원소를 많이 포함하는 경우가 있다. 또한 이들 원소의 정량은 X선 광전자 분광법(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy) 또는 이차 이온 질량 분석법을 사용하여 수행할 수 있다.Since the ALD method can deposit atoms one layer at a time by utilizing the self-controlling property of precursor molecules or atoms included in the precursor, it has the effects of being able to form a very thin film, forming a film on a structure with a high aspect ratio, forming a film with fewer defects such as pinholes, forming a film with excellent coverage, and forming a film at low temperatures, etc. In addition, the ALD method also includes the thermal ALD method, which is a film forming method using heat, and the plasma ALD (PEALD: Plasma Enhanced ALD) method, which is a film forming method using plasma. By using plasma, a film can be formed at a lower temperature, which is sometimes preferable. In addition, the precursor used in the ALD method sometimes contains elements such as carbon or chlorine. Therefore, a film provided by the ALD method sometimes contains more elements such as carbon or chlorine than a film provided by another film forming method. Additionally, quantification of these elements can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or secondary ion mass spectrometry.

ALD법은 타깃 등으로부터 방출되는 입자가 퇴적되는 성막 방법과는 달리, 피처리물의 표면에서의 반응에 의하여 막이 형성되는 성막 방법이다. 따라서 피처리물의 형상의 영향을 받기 어렵고, 단차 피복성이 양호한 성막 방법이다. 특히 ALD법은 단차 피복성과 두께 균일성이 우수하기 때문에, 가로세로비가 높은 개구부의 표면을 피복하는 경우 등에 적합하다.Unlike other film-forming methods in which particles emitted from a target are deposited, the ALD method is a film-forming method in which a film is formed by a reaction on the surface of a target. Therefore, it is a film-forming method that is difficult to be affected by the shape of a target and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and thickness uniformity, so it is suitable for covering the surface of an opening with a high aspect ratio.

<ALD법을 사용한 금속 산화물의 성막 방법><Method for forming a metal oxide film using ALD method>

여기서, 본 발명의 일 형태에 사용할 수 있는, ALD법을 사용한 금속 산화물의 성막 방법에 대하여 설명한다.Here, a method for forming a metal oxide film using the ALD method that can be used in one embodiment of the present invention is described.

여기서는 3층의 층상의 결정 구조를 가지는 금속 산화물을 ALD법을 사용하여 성막하는 방법의 일례에 대하여, 도 12의 (A) 내지 (E)를 사용하여 설명한다. 먼저, 전구체(611a)를 체임버에 도입하고, 기판(610)의 표면에 전구체(611a)를 흡착시킨다(도 12의 (A) 참조. 이하에서 상기 공정을 제 1 단계라고 부르는 경우가 있음). 여기서, 도 12의 (A)에 나타낸 바와 같이, 전구체(611a)가 기판(610)의 표면에 흡착됨으로써, 표면 화학 반응의 자기 정지 기구가 작용하므로, 기판(610) 위의 전구체(611a)의 층 위에 전구체(611a)가 더 흡착되지는 않는다. 또한 표면 화학 반응의 자기 정지 기구가 작용하는 기판 온도의 적정 범위를 ALD Window라고도 한다. ALD Window는 전구체의 온도 특성, 증기압, 분해 온도 등에 따라 결정되지만, 예를 들어 100℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 400℃ 이하가 되는 경우가 있다.Here, an example of a method for forming a film of a metal oxide having a three-layered crystal structure using the ALD method is described using Figs. 12(A) to (E). First, a precursor (611a) is introduced into a chamber, and the precursor (611a) is adsorbed onto the surface of a substrate (610) (see Fig. 12(A) . Hereinafter, the above process may be referred to as the first step). Here, as shown in Fig. 12(A), since the precursor (611a) is adsorbed onto the surface of the substrate (610), a self-stopping mechanism of the surface chemical reaction operates, so that the precursor (611a) is not further adsorbed onto the layer of the precursor (611a) on the substrate (610). In addition, an appropriate range of the substrate temperature in which the self-stopping mechanism of the surface chemical reaction operates is also called the ALD Window. The ALD Window is determined by the temperature characteristics of the precursor, vapor pressure, decomposition temperature, etc., but is, for example, in the range of 100°C to 600°C, preferably 200°C to 400°C.

다음으로, 불활성 가스(아르곤, 헬륨, 또는 질소 등) 등을 체임버에 도입하고, 과잉한 전구체(611a) 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다(이하에서 상기 공정을 제 2 단계라고 부르는 경우가 있음). 또한 불활성 가스를 체임버에 도입하는 대신에 진공 배기에 의하여 과잉한 전구체 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출하여도 좋다. 제 2 단계는 퍼지(purge)라고도 불린다.Next, an inert gas (such as argon, helium, or nitrogen) is introduced into the chamber, and excess precursor (611a) and reaction products are discharged from the chamber (hereinafter, the above process may be referred to as the second step). In addition, instead of introducing an inert gas into the chamber, excess precursor and reaction products may be discharged from the chamber by vacuum exhaust. The second step is also referred to as a purge.

다음으로, 반응제(612a)(예를 들어 산화제(오존(O3), 산소(O2), 물(H2O), 및 이들의 플라스마, 라디칼, 이온 등))를 체임버에 도입하여, 기판(610)의 표면에 흡착된 전구체(611a)와 반응시킴으로써, 전구체(611a)의 구성 분자를 기판(610)에 흡착시킨 채로, 전구체(611a)에 포함되는 성분의 일부를 이탈시킨다(도 12의 (B) 참조. 이하에서 상기 공정을 제 3 단계라고 부르는 경우가 있음). 이에 의하여, 전구체(611a)의 일부가 산화되어 형성된 산화물(613a)의 층이 기판(610)의 표면에 형성된다.Next, a reactant (612a) (e.g., an oxidizing agent (ozone (O 3 ), oxygen (O 2 ), water (H 2 O), and plasma, radicals, ions, etc. thereof)) is introduced into the chamber to react with the precursor (611a) adsorbed on the surface of the substrate (610), thereby causing some of the components included in the precursor (611a) to be removed while leaving the constituent molecules of the precursor (611a) adsorbed on the substrate (610) (see (B) of FIG. 12; the above process may be referred to as the third step hereinafter). As a result, a layer of an oxide (613a) formed by oxidizing a part of the precursor (611a) is formed on the surface of the substrate (610).

다음으로, 불활성 가스의 도입 또는 진공 배기에 의하여, 과잉한 반응제(612a) 또는 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다(이하에서 상기 공정을 제 4 단계라고 부르는 경우가 있음).Next, by introducing an inert gas or by vacuum exhaust, excess reactant (612a) or reaction products, etc. are discharged from the chamber (hereinafter, the above process is sometimes referred to as the fourth step).

다음으로, 전구체(611a)와 다른 금속 원소를 가지는 전구체(611b)를 도입하고 제 1 단계와 같은 공정을 수행하고, 산화물(613a)의 층의 표면에 전구체(611b)를 흡착시킨다(도 12의 (C) 참조). 여기서, 도 12의 (C)에 나타낸 바와 같이, 전구체(611b)가 산화물(613a)의 층에 흡착됨으로써, 표면 화학 반응의 자기 정지 기구가 작용하므로, 기판(610) 위의 전구체(611b)의 층 위에 전구체(611b)가 더 흡착되지는 않는다.Next, a precursor (611b) having a different metal element from the precursor (611a) is introduced, and the same process as the first step is performed, and the precursor (611b) is adsorbed onto the surface of the layer of oxide (613a) (see (C) of FIG. 12). Here, as shown in (C) of FIG. 12, since the precursor (611b) is adsorbed onto the layer of oxide (613a), a self-stopping mechanism of the surface chemical reaction operates, so that the precursor (611b) is not further adsorbed onto the layer of the precursor (611b) on the substrate (610).

다음으로, 제 2 단계와 마찬가지로, 불활성 가스의 도입 또는 진공 배기에 의하여, 과잉한 전구체(611b) 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, as in the second step, excess precursor (611b) and reaction products, etc. are discharged from the chamber by introduction of an inert gas or vacuum exhaust.

다음으로, 제 3 단계와 마찬가지로, 반응제(612b)를 체임버에 도입한다. 여기서, 반응제(612b)로서는 반응제(612a)와 같은 것을 사용하여도 좋고, 다른 것을 사용하여도 좋다(도 12의 (D) 참조). 이에 의하여, 전구체(611b)의 일부가 산화되어 형성된 산화물(613b)의 층이 산화물(613a)의 층 위에 형성된다.Next, similar to the third step, a reactant (612b) is introduced into the chamber. Here, the reactant (612b) may be the same as the reactant (612a), or may be a different one (see (D) of Fig. 12). As a result, a layer of an oxide (613b) formed by oxidizing a portion of the precursor (611b) is formed on the layer of the oxide (613a).

다음으로, 제 4 단계와 마찬가지로, 불활성 가스의 도입 또는 진공 배기에 의하여, 과잉한 반응제(612b) 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, as in the fourth step, excess reactant (612b) and reaction products, etc. are discharged from the chamber by introduction of an inert gas or vacuum exhaust.

또한 마찬가지로 제 1 단계 내지 제 4 단계를 수행하고, 산화물(613c)의 층을 산화물(613b)의 층 위에 형성할 수 있다. 이와 같이, 산화물(613a) 내지 산화물(613c)을 형성하는 공정을 반복적으로 수행함으로써, 산화물(613a) 내지 산화물(613c)의 적층 구조가 반복되는, 층상의 결정 구조의 금속 산화물을 형성할 수 있다(도 12의 (E) 참조). 즉, 제 1 단계 내지 제 4 단계를 한 세트로 하고 산화물의 층을 형성할 수 있고, 상기 세트를 반복함으로써 복수의 산화물의 층이 적층된 층상의 결정 구조를 형성할 수 있다.Also, similarly, steps 1 to 4 can be performed, and a layer of oxide (613c) can be formed on a layer of oxide (613b). In this way, by repeatedly performing the process of forming oxides (613a) to oxides (613c), a metal oxide having a layered crystal structure in which the stacked structure of oxides (613a) to oxides (613c) is repeated can be formed (see (E) of FIG. 12). That is, steps 1 to 4 can be performed as a set to form layers of oxides, and by repeating the set, a layered crystal structure in which a plurality of oxide layers are stacked can be formed.

또한 층상의 결정 구조의 금속 산화물의 두께는 1nm 이상 100nm 미만, 바람직하게는 3nm 이상 20nm 미만으로 하면 좋다.In addition, the thickness of the metal oxide of the layered crystal structure is preferably 1 nm or more and less than 100 nm, and preferably 3 nm or more and less than 20 nm.

또한 층상의 결정 구조의 금속 산화물을 형성하는 데에 있어서, 도 12에 나타낸 공정을 기판을 가열하면서 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어 기판 온도를 200℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이상 전구체의 분해 온도 이하로 하면 좋다. 또한 종류가 다른 복수의 전구체를 사용하여 ALD법에 의한 성막을 수행하는 경우에는, 기판 온도를 복수의 전구체의 분해 온도 중 가장 낮은 분해 온도 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, ALD법에 의한 성막 중에 사용되는 복수의 전구체가 각각 분해되지 않고, 대상물(예를 들어 기판 등)에 흡착될 수 있다.In addition, in forming a metal oxide having a layered crystal structure, it is preferable to perform the process shown in Fig. 12 while heating the substrate. For example, it is preferable to set the substrate temperature to 200°C or higher and 600°C or lower, preferably 300°C or higher and lower than the decomposition temperature of the precursor. In addition, when performing film formation by the ALD method using a plurality of different precursors, it is preferable to set the substrate temperature to a temperature lower than the lowest decomposition temperature among the decomposition temperatures of the plurality of precursors. Thereby, the plurality of precursors used in the film formation by the ALD method can be adsorbed onto the target object (e.g., substrate, etc.) without being decomposed individually.

이와 같은 온도 범위에서 기판을 가열하면서 상기 성막을 수행함으로써, 단계 1 내지 단계 4의 각 과정에서, 전구체 및 반응제 등에 포함되는 수소 또는 탄소 등의 불순물을 금속 산화물 내에서 제거할 수 있다. 예를 들어 금속 산화물 내의 탄소를 CO2 및 CO로서 방출시키고, 금속 산화물 내의 수소를 H2O로서 방출시킬 수 있다. 또한 상기 불순물의 제거와 동시에 금속 원자 및 산소 원자의 재배열이 수행되고, 각 산화물의 층을 높은 질서성으로 배열할 수 있다. 따라서, 결정성이 높은 층상의 결정 구조의 금속 산화물을 형성할 수 있다.By performing the film formation while heating the substrate in this temperature range, impurities such as hydrogen or carbon contained in the precursor and the reactant can be removed from the metal oxide in each process of steps 1 to 4. For example, carbon in the metal oxide can be released as CO 2 and CO, and hydrogen in the metal oxide can be released as H 2 O. In addition, at the same time as the removal of the impurities, rearrangement of metal atoms and oxygen atoms is performed, and each oxide layer can be arranged with a high degree of order. Therefore, a metal oxide having a layered crystal structure with high crystallinity can be formed.

상기 온도 범위에서 기판을 가열하면서 성막을 수행하기 위하여, 상기 성막에 사용하는 전구체는 분해 온도가 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 전구체의 분해 온도가 200℃ 이상 700℃ 이하인 것이 바람직하고, 300℃ 이상 600℃ 이하인 것이 더 바람직하다. 이와 같이 분해 온도가 높은 전구체로서는, 무기물로 형성되는 전구체(이하에서 무기 전구체라고 부름)를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 무기 전구체는 유기물로 형성되는 전구체(이하에서 유기 전구체라고 부름)보다 분해 온도가 높은 경향이 있기 때문에, 상기와 같은 온도 범위에 ALD Window를 가지는 경우가 있다. 또한 무기 전구체에는 수소 또는 탄소 등의 불순물이 포함되지 않기 때문에, 성막되는 금속 산화물 내의 수소 또는 탄소 등의 불순물 농도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.In order to perform film formation while heating the substrate in the above temperature range, it is preferable that the precursor used for the film formation has a high decomposition temperature. For example, it is preferable that the decomposition temperature of the precursor is 200°C or more and 700°C or less, and it is more preferable that it is 300°C or more and 600°C or less. As the precursor having such a high decomposition temperature, it is preferable to use a precursor formed of an inorganic substance (hereinafter referred to as an inorganic precursor). In general, inorganic precursors tend to have a higher decomposition temperature than precursors formed of an organic substance (hereinafter referred to as an organic precursor), and therefore there are cases where the ALD Window is provided in the above temperature range. In addition, since the inorganic precursor does not contain impurities such as hydrogen or carbon, it is possible to prevent the concentration of impurities such as hydrogen or carbon in the metal oxide to be filmed from increasing.

또한 상기 금속 산화물의 성막 후에 가열 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 특히 상기 ALD법에 의한 성막 후에 외기에 노출시키지 않고 연속하여 가열 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 상기 가열 처리는 100℃ 이상 1200℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 1000℃ 이하, 더 바람직하게는 250℃ 이상 650℃ 이하, 더 바람직하게는 300℃ 이상 600℃ 이하, 더 바람직하게는 400℃ 이상 550℃ 이하, 더 바람직하게는 420℃ 이상 480℃ 이하에서 수행하면 좋다. 또한 가열 처리는 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스 분위기, 혹은 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행한다. 또한 가열 처리는 감압 상태에서 수행하여도 좋다. 또는 가열 처리는 질소 가스 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 이탈된 산소를 보충하기 위하여 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행하여도 좋다.In addition, it is preferable to perform heat treatment after the film formation of the metal oxide. In particular, it is preferable to continuously perform heat treatment without exposure to the outside after film formation by the ALD method. The heat treatment may be performed at 100°C or more and 1200°C or less, preferably 200°C or more and 1000°C or less, more preferably 250°C or more and 650°C or less, more preferably 300°C or more and 600°C or less, more preferably 400°C or more and 550°C or less, and more preferably 420°C or more and 480°C or less. In addition, the heat treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere, an inert gas atmosphere, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. In addition, the heat treatment may be performed under a reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to supplement the lost oxygen after performing the heat treatment in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere.

이와 같이 가열 처리를 수행함으로써, 금속 산화물에 포함되는 수소 또는 탄소 등의 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들어 금속 산화물 내의 탄소를 CO2 및 CO로서 방출시키고, 금속 산화물 내의 수소를 H2O로서 방출시킬 수 있다. 또한 상기 불순물의 제거와 동시에 금속 원자 및 산소 원자의 재배열이 수행되고, 결정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 결정성이 높은 층상의 결정 구조의 금속 산화물을 형성할 수 있다.By performing heat treatment in this manner, impurities such as hydrogen or carbon contained in the metal oxide can be removed. For example, carbon in the metal oxide can be released as CO 2 and CO, and hydrogen in the metal oxide can be released as H 2 O. In addition, at the same time as the removal of the impurities, rearrangement of metal atoms and oxygen atoms is performed, and crystallinity can be improved. Therefore, a metal oxide having a layered crystal structure with high crystallinity can be formed.

또한 상기 금속 산화물의 성막 후에, 산소를 포함하는 분위기에서 마이크로파 처리를 수행함으로써 상기 금속 산화물 내의 불순물 농도를 저감하는 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 또한 불순물로서는 특히 수소 및 탄소를 들 수 있다. 여기서 마이크로파 처리란, 예를 들어 마이크로파를 사용하여 고밀도 플라스마를 발생시키는 전원을 가지는 장치를 사용하는 처리를 말한다.In addition, after the deposition of the metal oxide, it is preferable to perform a treatment to reduce the concentration of impurities in the metal oxide by performing microwave treatment in an atmosphere containing oxygen. In addition, the impurities may particularly include hydrogen and carbon. Here, microwave treatment refers to a treatment using a device having a power source that generates high-density plasma using microwaves, for example.

산소를 포함하는 분위기에서 마이크로파 처리를 수행함으로써, 마이크로파 또는 RF 등의 고주파를 사용하여 산소 가스를 플라스마화하고, 상기 산소 플라스마를 작용시킬 수 있다. 또한 금속 산화물에 작용하는 산소는 산소 원자, 산소 분자, 산소 이온, 및 산소 라디칼(O 라디칼이라고도 하고, 홀전자(unpaired electron)를 가지는 원자 또는 분자, 혹은 이온) 등의 다양한 형태를 가진다. 또한 금속 산화물에 작용하는 산소는 상술한 형태 중 어느 하나 또는 복수를 가지면 좋고, 특히 산소 라디칼인 것이 적합하다.By performing microwave treatment in an atmosphere containing oxygen, oxygen gas can be converted into plasma using high frequency such as microwave or RF, and the oxygen plasma can be acted on. In addition, the oxygen acting on the metal oxide has various forms such as an oxygen atom, an oxygen molecule, an oxygen ion, and an oxygen radical (also called an O radical, an atom or molecule having an unpaired electron, or an ion). In addition, the oxygen acting on the metal oxide preferably has one or more of the above-described forms, and an oxygen radical is particularly suitable.

또한 상술한 산소를 포함하는 분위기에서 마이크로파 처리를 수행할 때 기판을 가열함으로써 금속 산화물 내의 불순물 농도를 더 저감할 수 있기 때문에 바람직하다. 상술한 기판의 가열은 100℃ 이상 650℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 600℃ 이하, 더 바람직하게는 300℃ 이상 450℃ 이하에서 수행하면 좋다.In addition, it is preferable that the concentration of impurities in the metal oxide be further reduced by heating the substrate when performing microwave treatment in an atmosphere containing the oxygen described above. The heating of the substrate described above is preferably performed at a temperature of 100°C or higher and 650°C or lower, preferably 200°C or higher and 600°C or lower, and more preferably 300°C or higher and 450°C or lower.

상술한 산소를 포함하는 분위기에서의 마이크로파 처리를 수행할 때 기판을 가열함으로써, SIMS에 의하여 얻어지는 금속 산화물 내의 탄소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 할 수 있다.By heating the substrate when performing microwave treatment in an atmosphere containing the above-described oxygen, the carbon concentration in the metal oxide obtained by SIMS can be reduced to less than 1×10 20 atoms/cm 3 , preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 , more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 .

또한 앞에서는 금속 산화물에 대하여 산소를 포함하는 분위기에서 마이크로파 처리를 수행하는 구성에 대하여 예시하였지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 금속 산화물 근방에 위치하는 절연막, 더 구체적으로는 산화 실리콘막에 대하여 산소를 포함하는 분위기에서 마이크로파 처리를 수행하여도 좋다. 예를 들어 상기 실시형태에 따른 도 5에 나타낸 공정에 있어서, 절연막(250A)을 성막한 후에 마이크로파 처리를 수행하여도 좋다. 산화 실리콘막에 대하여 산소를 포함하는 분위기에서 마이크로파 처리를 수행함으로써, 상기 산화 실리콘막 중에 포함되는 수소를 H2O로서 외부로 방출시킬 수 있다. 금속 산화물 근방에 위치하는 산화 실리콘막으로부터 수소를 방출시킴으로써 신뢰성이 높은 반도체 장치를 제공할 수 있다.In addition, although the configuration for performing microwave treatment in an oxygen-containing atmosphere on a metal oxide has been exemplified above, it is not limited thereto. For example, microwave treatment may be performed on an insulating film located near a metal oxide, more specifically, a silicon oxide film, in an oxygen-containing atmosphere. For example, in the process shown in FIG. 5 according to the above embodiment, microwave treatment may be performed after forming an insulating film (250A). By performing microwave treatment on a silicon oxide film in an oxygen-containing atmosphere, hydrogen contained in the silicon oxide film can be released to the outside as H 2 O. By releasing hydrogen from a silicon oxide film located near a metal oxide, a highly reliable semiconductor device can be provided.

또한 도 12에서는 산화물(613a) 내지 산화물(613c)의 적층 구조가 반복되는 구조에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 단층, 2층, 또는 4층 이상의 산화물의 층이 반복적으로 형성되는 금속 산화물로 하여도 좋다.In addition, although Fig. 12 describes a structure in which a laminated structure of oxides (613a) to (613c) is repeated, the present invention is not limited thereto. For example, a metal oxide in which a single layer, two layers, or four or more layers of oxides are repeatedly formed may be used.

또한 본 명세서 등에서 특별히 기재되어 있지 않으면, 반응제 또는 산화제로서 오존, 산소, 물을 사용하는 경우, 이들은 가스 상태 또는 분자 상태에 한정되지 않고, 플라스마 상태, 라디칼 상태, 및 이온 상태의 것도 포함하는 것으로 한다. 플라스마 상태, 라디칼 상태, 또는 이온 상태의 산화제를 사용하여 성막을 수행하는 경우, 후술하는 라디칼 ALD 장치 또는 플라스마 ALD 장치를 사용하면 좋다.In addition, unless specifically described in this specification or elsewhere, when ozone, oxygen, or water are used as a reactant or oxidizing agent, they are not limited to gaseous or molecular states, and include those in plasma states, radical states, and ionic states. When film formation is performed using an oxidizing agent in a plasma state, radical state, or ionic state, it is preferable to use a radical ALD device or plasma ALD device described below.

전구체에 포함되는 탄소 또는 수소 등의 불순물을 제거하기 위해서는, 상기 전구체에 산화제를 충분히 반응시키는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화제를 도입하는 펄스 시간을 길게 하면 좋다. 또는 산화제를 여러 번 도입하면 좋다. 산화제를 여러 번 도입하는 경우, 같은 종류의 산화제를 도입하여도 좋고, 상이한 종류의 산화제를 도입하여도 좋다. 예를 들어 제 1 산화제로서 물을 체임버에 도입한 후, 진공 배기를 수행하고, 제 2 산화제로서 수소를 포함하지 않는 오존 또는 산소를 체임버에 도입한 후에 진공 배기를 수행하여도 좋다.In order to remove impurities such as carbon or hydrogen contained in the precursor, it is preferable to sufficiently react the precursor with an oxidizing agent. For example, it is preferable to lengthen the pulse time for introducing the oxidizing agent. Or, it is preferable to introduce the oxidizing agent multiple times. When introducing the oxidizing agent multiple times, the same type of oxidizing agent may be introduced, or different types of oxidizing agents may be introduced. For example, after introducing water as the first oxidizing agent into the chamber, vacuum exhaust may be performed, and after introducing ozone or oxygen that does not contain hydrogen as the second oxidizing agent into the chamber, vacuum exhaust may be performed.

이러한 식으로, 체임버 내에서 산화제의 도입과 불활성 가스의 도입(또는 진공 배기)을 단시간에 여러 번 반복함으로써, 기판 표면에 흡착된 전구체로부터, 불필요한 수소 원자, 탄소 원자, 염소 원자 등을 더 확실하게 제거하고, 체임버 외에 배제할 수 있다. 또한 산화제의 종류를 2종류로 늘림으로써, 기판 표면에 흡착된 전구체로부터 불필요한 수소 원자 등을 더 많이 제거할 수 있다. 이와 같이, 성막 중에 수소 원자가 막 내로 들어가지 않도록 함으로써, 형성된 막에 포함되는 물, 수소 등을 저감할 수 있다.In this way, by repeating the introduction of an oxidizing agent and the introduction (or vacuum exhaust) of an inert gas several times in a short period of time within the chamber, unnecessary hydrogen atoms, carbon atoms, chlorine atoms, etc., can be more reliably removed from the precursor adsorbed on the substrate surface and excluded outside the chamber. In addition, by increasing the types of oxidizing agents to two, more unnecessary hydrogen atoms, etc., can be removed from the precursor adsorbed on the substrate surface. In this way, by preventing hydrogen atoms from entering the film during film formation, it is possible to reduce water, hydrogen, etc., contained in the formed film.

ALD법은 열 에너지를 사용하여 전구체와 반응제를 반응시켜 수행하는 성막 방법이다. 전구체 및 반응제의 반응에 필요한 온도는 이들의 온도 특성, 증기압, 분해 온도 등에 따라 결정되지만, 100℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 600℃ 이하, 더 바람직하게는 300℃ 이상 600℃ 이하이다.ALD is a film forming method that uses thermal energy to react a precursor and a reactant. The temperature required for the reaction of the precursor and the reactant is determined by their temperature characteristics, vapor pressure, decomposition temperature, etc., but is 100°C or more and 600°C or less, preferably 200°C or more and 600°C or less, and more preferably 300°C or more and 600°C or less.

또한 상기 전구체 및 반응제의 반응에 더하여, 제 3 원료 가스로서 플라스마 여기된 반응제도 체임버에 도입함으로써 처리를 수행하는 ALD법을 플라스마 ALD법이라고 부르는 경우가 있다. 이 경우, 제 3 원료 가스의 도입부에는 플라스마 생성 장치가 제공된다. 플라스마의 생성에는 유도 결합 플라스마를 사용할 수 있다. 또한 한편으로 전구체 및 반응제의 반응을 열 에너지로 수행하는 ALD법을 열 ALD법이라고 부르는 경우가 있다.In addition to the above-mentioned precursor and reactant reactions, there are cases where an ALD method that performs processing by introducing a plasma-excited reactant as a third raw material gas into the chamber is called a plasma ALD method. In this case, a plasma generation device is provided at the introduction section of the third raw material gas. Inductively coupled plasma can be used to generate plasma. In addition, on the other hand, there are cases where an ALD method that performs the precursor and reactant reactions with thermal energy is called a thermal ALD method.

플라스마 ALD법에서는, 제 3 단계에서 플라스마 여기된 반응제를 도입함으로써 성막을 수행한다. 또는 제 1 단계 내지 제 4 단계를 반복하여 수행하는 것과 동시에, 플라스마 여기된 반응제(제 2 반응제)를 도입함으로써 성막을 수행한다. 이 경우, 제 3 단계에서 도입되는 반응제를 제 1 반응제라고 부른다. 플라스마 ALD법에서 제 3 원료 가스로서 사용하는 제 2 반응제에는 상기 산화제와 같은 재료를 사용할 수 있다. 즉, 제 2 반응제로서, 플라스마 여기된 오존, 산소, 및 물을 사용할 수 있다. 또한 제 2 반응제로서는, 산화제 외에 질화제를 사용하여도 좋다. 질화제로서는 질소(N2) 또는 암모니아(NH3)를 사용할 수 있다. 또한 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합 가스를 질화제로서 사용할 수 있다. 예를 들어 질소(N2) 5%, 수소(H2) 95%의 혼합 가스를 질화제로서 사용할 수 있다. 플라스마 여기된 질소 또는 암모니아를 도입하면서 성막을 수행함으로써, 금속 질화막 등의 질화막을 형성할 수 있다.In the plasma ALD method, film formation is performed by introducing a plasma excited reactant in the third stage. Or, film formation is performed by repeatedly performing the first to fourth stages and simultaneously introducing a plasma excited reactant (second reactant). In this case, the reactant introduced in the third stage is called the first reactant. The second reactant used as the third raw material gas in the plasma ALD method can use the same material as the oxidizing agent. That is, plasma excited ozone, oxygen, and water can be used as the second reactant. In addition to the oxidizing agent, a nitriding agent may be used as the second reactant. Nitrogen (N 2 ) or ammonia (NH 3 ) can be used as the nitriding agent. In addition, a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) can be used as the nitriding agent. For example, a mixed gas of 5% nitrogen (N 2 ) and 95% hydrogen (H 2 ) can be used as a nitriding agent. By performing film formation while introducing plasma-excited nitrogen or ammonia, a nitride film such as a metal nitride film can be formed.

또한 제 2 반응제의 캐리어 가스로서, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 또는 질소(N2)를 사용하여도 좋다. 아르곤, 헬륨, 또는 질소 등의 캐리어 가스를 사용함으로써, 플라스마의 방전이 용이해지고, 플라스마 여기된 제 2 반응제가 용이하게 생성되기 때문에 바람직하다. 또한 플라스마 ALD법을 사용하여 금속 산화막 등의 산화막을 형성하는 경우, 캐리어 가스로서 질소를 사용하면, 막 내에 질소가 혼입되어 원하는 막질을 얻을 수 없는 경우가 있다. 이 경우, 캐리어 가스로서 아르곤 또는 헬륨을 사용하는 것이 바람직하다.Also, as a carrier gas of the second reactant, argon (Ar), helium (He), or nitrogen (N 2 ) may be used. By using a carrier gas such as argon, helium, or nitrogen, plasma discharge becomes easy, and the plasma-excited second reactant is easily generated, which is preferable. Also, when forming an oxide film such as a metal oxide film using the plasma ALD method, if nitrogen is used as a carrier gas, nitrogen may be mixed into the film, and the desired film quality may not be obtained. In this case, it is preferable to use argon or helium as a carrier gas.

ALD법은 매우 얇은 막을 균일한 막 두께로 성막할 수 있다. 또한 요철을 가지는 면에 대해서도 표면 피복률이 높다.The ALD method can form very thin films with uniform film thickness. It also has a high surface coverage even on uneven surfaces.

여기서, 층상의 결정 구조의 금속 산화물이 In-M-Zn 산화물인 경우의, 결정 내의 원자 배열에 대하여 도 13의 (A) 내지 (D)를 사용하여 설명한다. 또한 도 13의 (B) 및 (D)에서는 원자를 공(원형)으로 나타내고, 금속 원자와 산소 원자의 결합을 선으로 나타내었다. 도 13의 (B) 및 (D)에서, In-M-Zn 산화물의 결정 구조에서의 c축(c-axis) 방향은 도면 중의 화살표로 나타내었다. 또한 In-M-Zn 산화물의 결정 구조에서의 a-b면 방향은 도 13의 (B) 및 (D)에서 화살표로 나타낸 c축 방향에 대하여 수직인 방향이다.Here, the arrangement of atoms in the crystal when the metal oxide having the layered crystal structure is In-M-Zn oxide is explained using Figs. 13(A) to (D). In addition, in Figs. 13(B) and (D), atoms are represented as spheres (circles), and bonds between metal atoms and oxygen atoms are represented as lines. In Figs. 13(B) and (D), the c-axis direction in the crystal structure of In-M-Zn oxide is indicated by an arrow in the drawing. In addition, the a-b plane direction in the crystal structure of In-M-Zn oxide is a direction perpendicular to the c-axis direction indicated by the arrow in Figs. 13(B) and (D).

도 13의 (A)는 구조체(650)에 형성된 In-M-Zn 산화물을 가지는 산화물(660)을 나타낸 도면이다. 여기서 구조체란, 트랜지스터 등의 반도체 장치를 구성하는 요소를 가리킨다. 구조체(650)에는 기판, 게이트 전극, 소스 전극, 및 드레인 전극 등의 도전체, 게이트 절연막, 층간 절연막, 하지 절연막 등의 절연체, 금속 산화물 또는 실리콘 등의 반도체 등이 포함된다. 도 13의 (A)에서는 구조체(650)의 피성막면이 기판(또는 기체, 도시하지 않았음)에 평행하게 배치되는 경우를 나타내었다.Fig. 13(A) is a drawing showing an oxide (660) having an In-M-Zn oxide formed in a structure (650). Here, the structure refers to an element constituting a semiconductor device such as a transistor. The structure (650) includes conductors such as a substrate, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, insulators such as a gate insulating film, an interlayer insulating film, and a base insulating film, and semiconductors such as a metal oxide or silicon. Fig. 13(A) shows a case where the film-forming surface of the structure (650) is arranged parallel to the substrate (or substrate, not shown).

도 13의 (B)는 도 13의 (A)에서의 산화물(660)의 일부인 영역(653)에서의 결정 내의 원자 배열을 나타낸 확대도이다. 여기서, 도 13의 (A) 및 (B)에 나타낸 산화물(660)의 조성은 In:M:Zn=1:1:1[원자수비]이고, 결정 구조는 YbFe2O4형 구조로 한다. 또한 원소 M은 +3가의 금속 원소로 한다.Fig. 13(B) is an enlarged view showing the atomic arrangement within the crystal in a region (653) which is a part of the oxide (660) in Fig. 13(A). Here, the composition of the oxide (660) shown in Figs. 13(A) and (B) is In:M:Zn=1:1:1 [atomic ratio], and the crystal structure is a YbFe 2 O 4 type structure. In addition, the element M is a +3 valent metal element.

도 13의 (B)에 나타낸 바와 같이, 산화물(660)이 가지는 결정은 인듐(In)과 산소를 가지는 층(621), 원소 M과 산소를 가지는 층(631), 아연(Zn)과 산소를 가지는 층(641)이 순차적으로 반복적으로 적층되어 있다. 층(621), 층(631), 및 층(641)은 구조체(650)의 피성막면에 실질적으로 평행하게 배치되어 있다. 즉 산화물(660)의 a-b면은 구조체(650)의 피성막면에 실질적으로 평행하고, 산화물(660)의 c축은 구조체(650)의 피성막면의 법선 방향에 실질적으로 평행하다.As shown in (B) of FIG. 13, the crystal of the oxide (660) is formed by sequentially and repeatedly stacking a layer (621) having indium (In) and oxygen, a layer (631) having element M and oxygen, and a layer (641) having zinc (Zn) and oxygen. The layers (621), (631), and (641) are arranged substantially parallel to the film-forming surface of the structure (650). That is, the a-b plane of the oxide (660) is substantially parallel to the film-forming surface of the structure (650), and the c-axis of the oxide (660) is substantially parallel to the normal direction of the film-forming surface of the structure (650).

도 13의 (B)에 나타낸 바와 같이, 상기 결정이 가지는 층(621), 층(631), 층(641)의 각각이 하나의 금속 원소와 산소로 구성됨으로써 양호한 결정성으로 배열되고, 상기 금속 산화물의 이동도를 높일 수 있다.As shown in (B) of Fig. 13, each of the layers (621), (631), and (641) of the crystal is composed of one metal element and oxygen, thereby arranging them with good crystallinity and increasing the mobility of the metal oxide.

또한 In:M:Zn=1:1:1[원자수비]의 In-M-Zn 산화물은 도 13의 (B)에 나타낸 구조에 한정되지 않는다. 층(621), 층(631), 층(641)의 적층 순서가 변경되어도 좋다. 예를 들어 층(621), 층(641), 층(631)의 순서로 반복적으로 적층되어도 좋다. 또는 층(621), 층(631), 층(641), 층(621), 층(641), 층(631)의 순서로 반복적으로 적층되어도 좋다. 또한 층(631)의 원소 M의 일부가 아연으로 치환되고, 층(641)의 아연의 일부가 원소 M으로 치환되어도 좋다.In addition, the In-M-Zn oxide of In:M:Zn=1:1:1 [atomic ratio] is not limited to the structure shown in (B) of Fig. 13. The stacking order of the layer (621), the layer (631), and the layer (641) may be changed. For example, the layers may be repeatedly stacked in the order of the layer (621), the layer (641), and the layer (631). Or, the layers may be repeatedly stacked in the order of the layer (621), the layer (631), the layer (641), the layer (621), the layer (641), and the layer (631). In addition, a part of the element M of the layer (631) may be replaced with zinc, and a part of the zinc of the layer (641) may be replaced with the element M.

상기에서는 조성이 In:M:Zn=1:1:1[원자수비]의 In-M-Zn 산화물을 형성하는 예를 나타내었지만, 조성식이 In(1+α)M(1-α)O3(ZnO)m(α는 0보다 크고 1보다 작은 실수, m은 양의 수)으로 나타내어지는 결정성의 In-M-Zn 산화물은 마찬가지로 층상의 결정 구조를 가질 수 있다. 이 예로서, 도 13의 (C) 및 (D)를 사용하여 조성이 In:M:Zn=1:3:4[원자수비]의 In-M-Zn 산화물에 대하여 설명한다.The above shows an example of forming an In-M-Zn oxide having a composition of In:M:Zn=1:1:1 [atomic ratio], but a crystalline In-M-Zn oxide having a composition formula of In (1+α) M (1-α) O 3 (ZnO) m (α is a real number greater than 0 and less than 1, and m is a positive number) can likewise have a layered crystal structure. As an example, In-M-Zn oxide having a composition of In:M:Zn=1:3:4 [atomic ratio] will be described using (C) and (D) of FIG. 13.

도 13의 (C)는 구조체(650)에 형성된 In-M-Zn 산화물을 가지는 산화물(662)을 나타낸 도면이다. 도 13의 (D)는 도 13의 (C)에서의 산화물(662)의 일부인 영역(654)에서의 결정 내의 원자 배열을 나타낸 확대도이다.Fig. 13(C) is a drawing showing an oxide (662) having an In-M-Zn oxide formed in a structure (650). Fig. 13(D) is an enlarged view showing the atomic arrangement within a crystal in a region (654) that is part of the oxide (662) in Fig. 13(C).

도 13의 (D)에 나타낸 바와 같이, 산화물(662)이 가지는 결정은 인듐(In)과 원소 M과 산소를 가지는 층(622), 아연(Zn)과 산소를 가지는 층(641), 및 원소 M과 산소를 가지는 층(631)을 가진다. 산화물(662)에서, 복수의 층은 층(622), 층(641), 층(631), 층(641)의 순서로 반복적으로 적층되어 있다. 층(622), 층(631), 및 층(641)은 구조체(650)의 피성막면에 실질적으로 평행하게 배치되어 있다. 즉 산화물(662)의 a-b면은 구조체(650)의 피성막면에 실질적으로 평행하고, 산화물(662)의 c축은 구조체(650)의 피성막면의 법선 방향에 실질적으로 평행하다.As shown in (D) of FIG. 13, the crystal of the oxide (662) has a layer (622) having indium (In) and element M and oxygen, a layer (641) having zinc (Zn) and oxygen, and a layer (631) having element M and oxygen. In the oxide (662), a plurality of layers are repeatedly laminated in the order of layer (622), layer (641), layer (631), and layer (641). The layers (622), layer (631), and layer (641) are arranged substantially parallel to the film-forming surface of the structure (650). That is, the a-b plane of the oxide (662) is substantially parallel to the film-forming surface of the structure (650), and the c-axis of the oxide (662) is substantially parallel to the normal direction of the film-forming surface of the structure (650).

또한 In:M:Zn=1:3:4[원자수비]의 In-M-Zn 산화물은 도 13의 (D)에 나타낸 구조에 한정되지 않고, In:M:Zn=1:3:4[원자수비]의 범위 내에서 구조가 변화되어도 좋다. 예를 들어 층(622), 층(631), 층(641)의 적층 순서가 변경되어도 좋다. 또한 층(631)의 원소 M의 일부가 아연으로 치환되고, 층(641)의 아연의 일부가 원소 M으로 치환되어도 좋다. 또한 층(622) 대신에 층(621) 또는 층(631)이 형성되어도 좋다.In addition, the In-M-Zn oxide of In:M:Zn=1:3:4 [atomic ratio] is not limited to the structure shown in (D) of Fig. 13, and the structure may be changed within the range of In:M:Zn=1:3:4 [atomic ratio]. For example, the stacking order of the layer (622), the layer (631), and the layer (641) may be changed. In addition, a part of the element M of the layer (631) may be replaced with zinc, and a part of the zinc of the layer (641) may be replaced with the element M. In addition, the layer (621) or the layer (631) may be formed instead of the layer (622).

다음으로 도 13의 (A) 및 (B)에 나타낸 In-M-Zn 산화물을 가지는 산화물(660)의 자세한 형성 방법을 도 14의 (A) 내지 도 15의 (C)를 사용하여 설명한다.Next, a detailed formation method of the oxide (660) having the In-M-Zn oxide shown in (A) and (B) of Fig. 13 is explained using (A) of Fig. 14 to (C) of Fig. 15.

먼저, 인듐을 포함하는 전구체를 포함하는 원료 가스를 체임버에 도입하여, 구조체(650)의 표면에 상기 전구체를 흡착시킨다(도 14의 (A) 참조). 여기서, 원료 가스에는 전구체 외에, 아르곤, 헬륨, 또는 질소 등의 캐리어 가스가 포함된다. 인듐을 가지는 전구체로서 트라이메틸인듐, 트라이에틸인듐, 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인다이온산)인듐, 사이클로펜타다이엔일인듐, 인듐(III)아세틸아세토네이트, (3-(다이메틸아미노)프로필)다이메틸인듐 등을 사용할 수 있다.First, a raw material gas containing a precursor including indium is introduced into the chamber to adsorb the precursor on the surface of the structure (650) (see (A) of FIG. 14). Here, in addition to the precursor, the raw material gas includes a carrier gas such as argon, helium, or nitrogen. As a precursor having indium, trimethylindium, triethylindium, tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedioic acid)indium, cyclopentadienylindium, indium(III) acetylacetonate, (3-(dimethylamino)propyl)dimethylindium, etc. can be used.

또한 인듐을 가지는 전구체로서 탄화수소를 가지지 않는 무기 전구체를 사용하여도 좋다. 인듐을 가지는 무기 전구체로서 삼염화 인듐, 삼브로민화 인듐, 삼아이오딘화 인듐 등의 할로젠계 인듐 화합물을 사용할 수 있다. 삼염화 인듐은 분해 온도가 500℃ 이상 700℃ 이하 정도이다. 따라서, 삼염화 인듐을 사용함으로써 400℃ 이상 600℃ 이하 정도, 예를 들어 500℃에서 기판을 가열하면서 ALD법에 의하여 성막을 수행할 수 있다.In addition, an inorganic precursor that does not have a hydrocarbon may be used as a precursor having indium. Halogen-based indium compounds such as indium trichloride, indium tribromide, and indium triiodide may be used as an inorganic precursor having indium. Indium trichloride has a decomposition temperature of approximately 500°C to 700°C. Therefore, by using indium trichloride, film formation can be performed by the ALD method while heating the substrate at approximately 400°C to 600°C, for example, at 500°C.

다음으로, 상기 원료 가스의 도입을 멈추고 체임버 내를 퍼지하여, 과잉의 전구체 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, the introduction of the raw material gas is stopped and the inside of the chamber is purged to discharge excess precursor and reaction products, etc., from the chamber.

그리고 반응제로서 산화제를 체임버에 도입하여, 흡착된 전구체와 반응시키고, 인듐을 기판에 흡착시킨 채로 인듐 이외의 성분을 이탈시킴으로써, 인듐과 산소가 결합된 층(621)을 형성한다(도 14의 (B) 참조). 산화제로서는 오존, 산소, 물 등을 사용할 수 있다. 다음으로, 상기 산화제의 도입을 멈추고, 체임버 내를 퍼지하여, 과잉의 반응제 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Then, an oxidizing agent as a reactant is introduced into the chamber, reacted with the adsorbed precursor, and a layer (621) in which indium and oxygen are combined is formed by removing components other than indium while leaving indium adsorbed on the substrate (see (B) of Fig. 14). Ozone, oxygen, water, etc. can be used as the oxidizing agent. Next, the introduction of the oxidizing agent is stopped, the inside of the chamber is purged, and excess reactant and reaction products, etc. are discharged from the chamber.

다음으로, 원소 M을 가지는 전구체를 포함하는 원료 가스를 체임버에 도입하여, 층(621) 위에 상기 전구체를 흡착시킨다(도 14의 (C) 참조). 원료 가스에는 전구체 외에, 아르곤, 헬륨, 또는 질소 등의 캐리어 가스가 포함된다. 원소 M으로서 갈륨을 사용하는 경우, 갈륨을 가지는 전구체로서 트라이메틸갈륨, 트라이에틸갈륨, 트리스(다이메틸아마이드)갈륨, 갈륨(III)아세틸아세토네이트, 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인다이온산)갈륨, 다이메틸클로로갈륨, 다이에틸클로로갈륨, 다이메틸갈륨아이소프로폭사이드 등을 사용할 수 있다.Next, a raw material gas containing a precursor having element M is introduced into the chamber to adsorb the precursor on the layer (621) (see (C) of FIG. 14). In addition to the precursor, the raw material gas contains a carrier gas such as argon, helium, or nitrogen. When gallium is used as the element M, trimethylgallium, triethylgallium, tris(dimethylamide)gallium, gallium(III) acetylacetonate, tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedioic acid)gallium, dimethylchlorogallium, diethylchlorogallium, dimethylgallium isopropoxide, or the like can be used as a precursor having gallium.

또한 갈륨을 가지는 전구체로서 탄화수소를 가지지 않는 무기 전구체를 사용하여도 좋다. 갈륨을 가지는 무기 전구체로서 삼염화 갈륨, 삼브로민화 갈륨, 삼아이오딘화 갈륨 등의 할로젠계 갈륨 화합물을 사용할 수 있다. 삼염화 갈륨은 분해 온도가 550℃ 이상 700℃ 이하 정도이다. 따라서, 삼염화 갈륨을 사용함으로써 450℃ 이상 650℃ 이하 정도, 예를 들어 550℃에서 기판을 가열하면서 ALD법에 의하여 성막을 수행할 수 있다.In addition, an inorganic precursor that does not have a hydrocarbon may be used as a precursor having gallium. Halogen-based gallium compounds such as gallium trichloride, gallium tribromide, and gallium triiodide can be used as inorganic precursors having gallium. Gallium trichloride has a decomposition temperature of approximately 550°C to 700°C. Therefore, by using gallium trichloride, a film can be formed by the ALD method while heating the substrate at approximately 450°C to 650°C, for example, at 550°C.

다음으로, 상기 원료 가스의 도입을 멈추고 체임버 내를 퍼지하여, 과잉의 전구체 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, the introduction of the raw material gas is stopped and the inside of the chamber is purged to discharge excess precursor and reaction products, etc., from the chamber.

다음으로, 반응제로서 산화제를 체임버에 도입하고, 흡착된 전구체와 반응시켜 원소 M을 기판에 흡착시킨 채로 원소 M 이외의 성분을 이탈시킴으로써, 원소 M과 산소가 결합된 층(631)을 형성한다(도 14의 (D) 참조). 이때 층(641)을 구성하는 산소의 일부가 층(631) 위에 흡착되는 경우가 있다. 다음으로, 상기 산화제의 도입을 멈추고, 체임버 내를 퍼지하여, 과잉의 반응제 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, an oxidizing agent as a reactant is introduced into the chamber and reacted with the adsorbed precursor to form a layer (631) in which element M and oxygen are combined by adsorbing element M onto the substrate and removing components other than element M (see (D) of FIG. 14). At this time, some of the oxygen constituting the layer (641) may be adsorbed onto the layer (631). Next, the introduction of the oxidizing agent is stopped, the inside of the chamber is purged, and excess reactant and reaction products, etc. are discharged from the chamber.

다음으로, 아연을 가지는 전구체를 포함하는 원료 가스를 체임버에 도입하고, 층(631) 위에 전구체를 흡착시킨다(도 15의 (A) 참조). 이때, 아연과 산소가 결합된 층(641)의 일부가 형성되는 경우가 있다. 원료 가스에는 전구체 외에, 아르곤, 헬륨, 또는 질소 등의 캐리어 가스가 포함된다. 아연을 포함하는 전구체로서 다이메틸 아연, 다이에틸 아연, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인다이온산)아연, 아세트산 아연 등을 사용할 수 있다.Next, a raw material gas containing a precursor having zinc is introduced into the chamber, and the precursor is adsorbed on the layer (631) (see (A) of FIG. 15). At this time, there are cases where a part of a layer (641) in which zinc and oxygen are combined is formed. In addition to the precursor, the raw material gas contains a carrier gas such as argon, helium, or nitrogen. As a precursor containing zinc, dimethyl zinc, diethyl zinc, bis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedioic acid)zinc, zinc acetate, etc. can be used.

또한 아연을 가지는 전구체로서 탄화수소를 가지지 않는 무기 전구체를 사용하여도 좋다. 아연을 가지는 무기 전구체로서 이염화 아연, 이브로민화 아연, 이아이오딘화 아연 등의 할로젠계 아연 화합물을 사용할 수 있다. 이염화 아연은 분해 온도가 450℃ 이상 700℃ 이하 정도이다. 따라서, 이염화 아연을 사용함으로써 350℃ 이상 550℃ 이하 정도, 예를 들어 450℃에서 기판을 가열하면서 ALD법에 의하여 성막할 수 있다.In addition, an inorganic precursor that does not have a hydrocarbon may be used as a precursor having zinc. As an inorganic precursor having zinc, a halogen-based zinc compound such as zinc dichloride, zinc dibromide, or zinc diiodide may be used. Zinc dichloride has a decomposition temperature of approximately 450°C to 700°C. Therefore, by using zinc dichloride, a film can be formed by the ALD method while heating the substrate at approximately 350°C to 550°C, for example, at 450°C.

다음으로, 상기 원료 가스의 도입을 멈추고 체임버 내를 퍼지하여, 과잉의 전구체 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, the introduction of the raw material gas is stopped and the inside of the chamber is purged to discharge excess precursor and reaction products, etc., from the chamber.

다음으로, 반응제로서 산화제를 체임버에 도입하고, 흡착된 전구체와 반응시켜 아연을 기판에 흡착시킨 채로 아연 이외의 성분을 이탈시킴으로써, 아연과 산소가 결합된 층(641)을 형성한다(도 15의 (B) 참조). 다음으로, 상기 산화제의 도입을 멈추고, 체임버 내를 퍼지하여, 과잉의 반응제 및 반응 생성물 등을 체임버에서 배출한다.Next, an oxidizing agent as a reactant is introduced into the chamber and reacted with the adsorbed precursor to form a layer (641) in which zinc and oxygen are combined by removing components other than zinc while adsorbing zinc to the substrate (see (B) of FIG. 15). Next, the introduction of the oxidizing agent is stopped, the inside of the chamber is purged, and excess reactant and reaction products, etc. are discharged from the chamber.

다음으로, 층(641) 위에 다시 상술한 방법으로 층(621)을 형성한다(도 15의 (C) 참조). 이상의 방법을 반복함으로써, 기판 또는 구조체 위에 산화물(660)을 형성할 수 있다.Next, a layer (621) is formed again on the layer (641) using the method described above (see (C) of FIG. 15). By repeating the above method, an oxide (660) can be formed on the substrate or structure.

또한 상기 전구체 중에는 금속 원소 외에, 탄소 및 염소 중 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 것이 있다. 탄소를 포함하는 전구체를 사용하여 형성된 막에는 탄소가 포함되는 경우가 있다. 또한 염소 등의 할로젠을 포함하는 전구체를 사용하여 형성된 막에는 염소 등의 할로젠이 포함되는 경우가 있다.In addition, among the above precursors, there are some that contain, in addition to metal elements, one or both of carbon and chlorine. In some cases, a film formed using a precursor containing carbon contains carbon. In some cases, a film formed using a precursor containing a halogen such as chlorine contains a halogen such as chlorine.

상술한 바와 같이, ALD법을 사용하여 산화물(660)을 형성함으로써, 피성막면의 법선 방향에 실질적으로 평행하게 c축이 배향된 금속 산화물을 형성할 수 있다. 예를 들어 상기 실시형태에 따른 도 1의 (B) 및 (C)에 나타낸 산화물 반도체(230)에서 개구(290)의 측벽, 특히 절연체(280)의 측면에 대하여 실질적으로 평행한 층상의 결정을 형성할 수 있다. 이러한 구성으로 함으로써 트랜지스터(200)의 채널 길이 방향에 대하여 산화물 반도체(230)의 층상 결정이 실질적으로 평행하게 형성되기 때문에, 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있다.As described above, by forming the oxide (660) using the ALD method, it is possible to form a metal oxide whose c-axis is oriented substantially parallel to the normal direction of the film-forming surface. For example, in the oxide semiconductor (230) shown in FIG. 1 (B) and (C) according to the above embodiment, it is possible to form a layered crystal substantially parallel to the sidewall of the opening (290), particularly, the side surface of the insulator (280). By forming it in this configuration, since the layered crystal of the oxide semiconductor (230) is formed substantially parallel to the channel length direction of the transistor (200), the on-state current of the transistor can be increased.

도 14의 (A) 내지 도 15의 (C)에 나타낸 공정을 기판을 가열하면서 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어 기판 온도를 200℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이상 전구체의 분해 온도 이하로 하면 좋다.It is preferable to perform the processes shown in Fig. 14(A) to Fig. 15(C) while heating the substrate. For example, it is preferable to set the substrate temperature to 200°C or higher and 600°C or lower, preferably 300°C or higher and lower than the decomposition temperature of the precursor.

상기 온도 범위에서 기판을 가열하면서 성막을 수행하기 위하여, 상기 성막에 사용하는 전구체는 분해 온도가 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 전구체의 분해 온도가 200℃ 이상 700℃ 이하인 것이 바람직하고, 300℃ 이상 600℃ 이하인 것이 더 바람직하다. 이와 같이 분해 온도가 높은 전구체로서는, 무기 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. 무기 전구체는 일반적으로 유기 전구체보다 분해 온도가 높은 경향이 있기 때문에, 상기와 같이 기판 거열을 하면서 성막을 하여도 전구체가 분해되기 어렵다.In order to perform film formation while heating the substrate in the above temperature range, it is preferable that the precursor used for the film formation has a high decomposition temperature. For example, it is preferable that the decomposition temperature of the precursor is 200°C or higher and 700°C or lower, and more preferably 300°C or higher and 600°C or lower. As the precursor having such a high decomposition temperature, it is preferable to use an inorganic precursor. Since inorganic precursors generally tend to have a higher decomposition temperature than organic precursors, even if film formation is performed while heating the substrate as described above, it is difficult for the precursor to decompose.

무기 전구체로서는, 예를 들어 상술한 삼염화 인듐, 삼염화 갈륨, 이염화 아연을 사용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이들 전구체는 분해 온도가 350℃ 이상 700℃ 이하 정도이고, 일반적인 유기 전구체의 분해 온도보다 상당히 높다. 다만, 상술한 바와 같이 삼염화 인듐, 삼염화 갈륨, 이염화 아연의 분해 온도는 서로 다르다. 이와 같이, 종류가 다른 복수의 전구체를 사용하여 ALD법에 의한 성막을 수행하는 경우에는, 기판 온도를 복수의 전구체의 분해 온도 중 가장 낮은 온도 이하로 하는 것이 바람직하다. 상기 예에서는 전구체의 분해 온도가 가장 낮은 이염화 아연이 분해되지 않는 범위에서 기판 온도를 설정하면 좋다. 이에 의하여, 다른 삼염화 인듐, 삼염화 갈륨도 분해시키지 않고, 대상물(예를 들어 기판 등)에 흡착시킬 수 있다.As the inorganic precursor, for example, indium trichloride, gallium trichloride, and zinc dichloride can be used. As described above, these precursors have a decomposition temperature of about 350°C or more and 700°C or less, which is considerably higher than the decomposition temperatures of general organic precursors. However, as described above, the decomposition temperatures of indium trichloride, gallium trichloride, and zinc dichloride are different from each other. In this way, when performing film formation by the ALD method using a plurality of different precursors, it is preferable to set the substrate temperature to a temperature lower than the lowest among the decomposition temperatures of the plurality of precursors. In the above example, it is preferable to set the substrate temperature in a range where zinc dichloride, which has the lowest decomposition temperature of the precursor, is not decomposed. Thereby, other indium trichlorides and gallium trichlorides can be adsorbed onto a target object (e.g., a substrate, etc.) without being decomposed.

또한 도 14의 (A) 내지 도 15의 (C)에서는 인듐을 포함하는 층으로서 층(621)을 형성하고, 그 위에 원소 M을 포함하는 층으로서 층(631)을 형성하고, 또한 그 위에 아연을 포함하는 층으로서 층(641)을 형성하는 예를 나타내었지만, 본 실시형태는 이에 한정되지 않는다. 층(631) 및 층(641) 중 한쪽을 형성하고, 그 위에 층(621)을 형성하고, 그 위에 층(631) 및 층(641) 중 다른 쪽을 더 형성하여도 좋다. 또는 층(631) 및 층(641) 중 한쪽을 형성하고, 그 위에 층(631) 및 층(641) 중 다른 쪽을 형성하고, 그 위에 층(621)을 더 형성하여도 좋다.In addition, in Fig. 14(A) to Fig. 15(C), an example is shown in which a layer (621) is formed as a layer including indium, a layer (631) is formed as a layer including element M thereon, and a layer (641) is formed as a layer including zinc thereon, but the present embodiment is not limited thereto. One of the layer (631) and the layer (641) may be formed, the layer (621) may be formed thereon, and the other of the layer (631) and the layer (641) may be further formed thereon. Alternatively, one of the layer (631) and the layer (641) may be formed, the other of the layer (631) and the layer (641) may be formed thereon, and the layer (621) may be further formed thereon.

또한 In:M:Zn=1:1:1[원자수비]과 다른 원자수비의 금속 산화물을 형성하는 경우에는 원자수비에 따라 상기 층(621), 층(631), 층(641)을 적절히 형성하면 좋다. 예를 들어 도 15의 (A)에 나타낸 층(631)의 형성 전후에 층(641)의 형성을 여러 번 반복함으로써, 2개의 층(621) 사이에 원하는 원자수, 층수, 및 두께를 가지는 층(631)과 층(641)의 적층을 형성하면 좋다.Also, in the case of forming a metal oxide having an atomic ratio different from In:M:Zn=1:1:1 [atomic ratio], it is good to appropriately form the layer (621), layer (631), and layer (641) according to the atomic ratio. For example, by repeating the formation of layer (641) several times before and after the formation of layer (631) as shown in (A) of Fig. 15, it is good to form a stack of layers (631) and (641) having a desired atomic number, layer number, and thickness between the two layers (621).

(실시형태 3)(Embodiment 3)

본 실시형태에서는 앞의 실시형태에서 설명한 메모리 셀을 사용한 기억 장치의 구성예에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는 적층된 메모리 셀을 가지는 층 사이에, 메모리 셀에 유지한 데이터 전위를 증폭하여 출력하는 기능을 가지는 기능 회로를 가지는 층이 제공된 기억 장치의 구성예에 대하여 설명한다.In this embodiment, an example of a configuration of a memory device using the memory cells described in the preceding embodiments is described. In this embodiment, an example of a configuration of a memory device is described in which a layer having a functional circuit having a function of amplifying and outputting a data potential maintained in a memory cell is provided between layers having stacked memory cells.

[기억 장치의 구성예][Example of memory device configuration]

도 16은 본 발명의 일 형태에 따른 기억 장치(300)의 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 16에 나타낸 기억 장치(300)는 구동 회로(21)와 메모리 어레이(20)를 가진다. 메모리 어레이(20)는 복수의 메모리 셀(10) 및 복수의 기능 회로(51)를 가지는 기능층(50)을 가진다.Fig. 16 is a block diagram showing an example of a configuration of a memory device (300) according to one embodiment of the present invention. The memory device (300) shown in Fig. 16 has a driving circuit (21) and a memory array (20). The memory array (20) has a functional layer (50) having a plurality of memory cells (10) and a plurality of functional circuits (51).

도 16에서는 메모리 어레이(20)가 m행 n열(m 및 n은 2 이상의 정수)의 매트릭스로 배치된 복수의 메모리 셀(10)을 가지는 예를 나타내었다. 또한 기능 회로(51)는 일례로서 비트선으로서 기능하는 배선(BL)마다 제공된다. 도 16에서는 n개의 배선(BL)에 대응하여 제공된 복수의 기능 회로(51)를 가지는 예를 나타내었다.Fig. 16 shows an example in which a memory array (20) has a plurality of memory cells (10) arranged in a matrix of m rows and n columns (m and n are integers greater than or equal to 2). In addition, a functional circuit (51) is provided for each wire (BL) that functions as a bit line, as an example. Fig. 16 shows an example in which a plurality of functional circuits (51) are provided corresponding to n wires (BL).

도 16에서는 첫 번째 행 첫 번째 열의 메모리 셀(10)을 메모리 셀(10[1,1])로 나타내고, m 번째 행 n 번째 열의 메모리 셀(10)을 메모리 셀(10[m,n])로 나타내었다. 또한 본 실시형태 등에서는 임의의 행을 가리키는 경우에 i행이라고 기재하는 경우가 있다. 또한 임의의 열을 나타내는 경우에 j열이라고 기재하는 경우가 있다. 따라서 i는 1 이상 m 이하의 정수이고, j는 1 이상 n 이하의 정수이다. 또한 본 실시형태 등에서는 i 번째 행 j 번째 열의 메모리 셀(10)을 메모리 셀(10[i,j])로 나타낸다. 또한 본 실시형태 등에서 "i+α"(α는 양 또는 음의 정수)로 나타내는 경우에는, "i+α"는 1을 밑돌지 않고 m을 웃돌지 않는다. 마찬가지로, "j+α"로 나타내는 경우에는, "j+α"는 1을 밑돌지 않고 n을 웃돌지 않는다.In Fig. 16, the memory cell (10) of the first row, first column is represented as memory cell (10[1,1]), and the memory cell (10) of the m-th row, n-th column is represented as memory cell (10[m,n]). In addition, in the present embodiment, etc., when indicating an arbitrary row, there are cases where it is described as row i. In addition, when indicating an arbitrary column, there are cases where it is described as column j. Accordingly, i is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to m, and j is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to n. In addition, in the present embodiment, etc., the memory cell (10) of the i-th row, j-th column is represented as memory cell (10[i,j]). In addition, in the present embodiment, etc., when indicating as "i+α" (α is a positive or negative integer), "i+α" does not fall below 1 and does not exceed m. Similarly, when indicating as "j+α", "j+α" does not fall below 1 and does not exceed n.

또한 메모리 어레이(20)는 행 방향으로 연장되는 m개의 배선(WL)과, 행 방향으로 연장되는 m개의 배선(PL)과, 열 방향으로 연장되는 n개의 배선(BL)을 가진다. 본 실시형태 등에서는, 첫 번째(첫 번째 행)에 제공된 배선(WL)을 배선(WL[1])으로 나타내고, m 번째(m 번째 행)에 제공된 배선(WL)을 배선(WL[m])으로 나타낸다. 마찬가지로 첫 번째(첫 번째 행)에 제공된 배선(PL)을 배선(PL[1])으로 나타내고, m 번째(m 번째 행)에 제공된 배선(PL)을 배선(PL[m])으로 나타낸다. 마찬가지로, 첫 번째(첫 번째 열)에 제공된 배선(BL)을 배선(BL[1])으로 나타내고, n 번째(n 번째 열)에 제공된 배선(BL)을 배선(BL[n])으로 나타낸다.In addition, the memory array (20) has m wirings (WL) extending in the row direction, m wirings (PL) extending in the row direction, and n wirings (BL) extending in the column direction. In the present embodiment, the wiring (WL) provided in the first (first row) is represented as wiring (WL[1]), and the wiring (WL) provided in the mth (mth row) is represented as wiring (WL[m]). Similarly, the wiring (PL) provided in the first (first row) is represented as wiring (PL[1]), and the wiring (PL) provided in the mth (mth row) is represented as wiring (PL[m]). Similarly, the wiring (BL) provided in the first (first column) is represented as wiring (BL[1]), and the wiring (BL) provided in the nth (nth column) is represented as wiring (BL[n]).

i 번째 행에 제공된 복수의 메모리 셀(10)은 i 번째 행의 배선(WL)(배선(WL[i])) 및 i 번째 행의 배선(PL)(배선(PL[i]))에 전기적으로 접속된다. j 번째 열에 제공된 복수의 메모리 셀(10)은 j 번째 열의 배선(BL)(배선(BL[j]))에 전기적으로 접속된다.A plurality of memory cells (10) provided in the ith row are electrically connected to the wiring (WL) of the ith row (wiring (WL[i])) and the wiring (PL) of the ith row (wiring (PL[i])). A plurality of memory cells (10) provided in the jth column are electrically connected to the wiring (BL) of the jth column (wiring (BL[j])).

메모리 어레이(20)에는 DOSRAM(등록 상표)(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)을 적용할 수 있다. DOSRAM은 1T(트랜지스터)1C(용량 소자)형 메모리 셀을 가지는 RAM이고, 액세스 트랜지스터가 OS 트랜지스터인 메모리를 말한다. OS 트랜지스터는 오프 상태에서 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류, 즉 누설 전류가 매우 작다. DOSRAM은 액세스 트랜지스터를 오프(비도통 상태)로 함으로써, 용량 소자(커패시터)에 유지된 데이터에 따른 전하를 장시간 유지할 수 있다. 그러므로 DOSRAM은 채널 형성 영역에 실리콘을 가지는 트랜지스터(이하, "Si 트랜지스터"라고도 부름)로 구성되는 DRAM에 비하여 리프레시 동작의 빈도를 저감할 수 있다. 그 결과, 저소비 전력화를 도모할 수 있다.The memory array (20) can be applied with DOSRAM (registered trademark) (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory). DOSRAM is a RAM having a 1T (transistor) 1C (capacitor) type memory cell, and refers to a memory in which the access transistor is an OS transistor. The OS transistor has a very small leakage current, that is, a current that flows between the source and the drain in the off state. DOSRAM can maintain a charge according to data maintained in the capacitance element (capacitor) for a long time by turning the access transistor off (non-conductive state). Therefore, DOSRAM can reduce the frequency of refresh operations compared to DRAM composed of a transistor having silicon in a channel formation region (hereinafter, also called "Si transistor"). As a result, low power consumption can be achieved.

또한 실시형태 1 등에서 설명한 바와 같이 OS 트랜지스터를 적층시켜 배치함으로써, 메모리 셀(10)을 적층시켜 제공할 수 있다. 예를 들어 도 16에 나타낸 메모리 어레이(20)에서는 복수의 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])를 적층시켜 제공할 수 있다. 메모리 어레이(20)가 가지는 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])를 구동 회로(21)가 제공되는 기판 표면의 수직 방향으로 배치함으로써, 메모리 셀(10)의 메모리 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한 메모리 어레이(20)는 같은 제조 공정을 반복적으로 사용하여 수직 방향으로 제작할 수 있다. 기억 장치(300)에서는 메모리 어레이(20)의 제조 비용을 절감할 수 있다.In addition, as described in Embodiment 1, etc., by stacking and arranging OS transistors, the memory cells (10) can be stacked and provided. For example, in the memory array (20) shown in Fig. 16, a plurality of memory arrays (20 [1] to 20 [m]) can be stacked and provided. By arranging the memory arrays (20 [1] to 20 [m]) of the memory array (20) in the vertical direction of the substrate surface on which the driving circuit (21) is provided, the memory density of the memory cell (10) can be improved. In addition, the memory array (20) can be manufactured in the vertical direction by repeatedly using the same manufacturing process. In the memory device (300), the manufacturing cost of the memory array (20) can be reduced.

배선(BL)은 데이터의 기록 및 판독을 수행하기 위한 비트선으로서 기능한다. 배선(WL)은 스위치로서 기능하는 액세스 트랜지스터의 온 또는 오프(도통 상태 또는 비도통 상태)를 제어하기 위한 워드선으로서 기능한다. 배선(PL)은 용량 소자에 접속되는 정전위선으로서의 기능을 가진다.The wiring (BL) functions as a bit line for writing and reading data. The wiring (WL) functions as a word line for controlling the on or off (conductive or non-conductive state) of the access transistor that functions as a switch. The wiring (PL) functions as a positive potential line connected to the capacitive element.

메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])가 각각 가지는 메모리 셀(10)은 배선(BL)을 통하여 기능 회로(51)에 접속된다. 배선(BL)은 구동 회로(21)가 제공되는 기판 표면의 수직 방향으로 배치할 수 있다. 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])가 가지는 메모리 셀(10)로부터 연장되어 제공되는 배선(BL)을 기판 표면의 수직 방향으로 제공함으로써, 메모리 어레이(20)와 기능 회로(51) 사이의 배선의 길이를 짧게 할 수 있다. 그러므로 비트선에 접속되는 2개의 회로 사이의 신호 전달 거리를 짧게 할 수 있어 비트선의 저항 및 기생 용량이 크게 삭감되기 때문에, 소비 전력 및 신호 지연을 저감할 수 있다. 또한 메모리 셀(10)이 가지는 용량 소자의 용량을 작게 한 경우에도 동작이 가능하다.The memory cells (10) of each of the memory arrays (20[1] to 20[m]) are connected to the functional circuit (51) via the wiring (BL). The wiring (BL) can be arranged in the vertical direction of the substrate surface on which the driving circuit (21) is provided. By providing the wiring (BL) that is extended from the memory cells (10) of the memory arrays (20[1] to 20[m]) in the vertical direction of the substrate surface, the length of the wiring between the memory array (20) and the functional circuit (51) can be shortened. Therefore, the signal transmission distance between two circuits connected to the bit line can be shortened, and since the resistance and parasitic capacitance of the bit line are greatly reduced, power consumption and signal delay can be reduced. In addition, operation is possible even if the capacity of the capacitance element of the memory cell (10) is reduced.

기능 회로(51)는 메모리 셀(10)에 유지된 데이터 전위를 증폭하여, 후술하는 배선(GBL)(도시하지 않았음)을 통하여 구동 회로(21)가 가지는 감지 증폭기(46)에 출력하는 기능을 가진다. 상기 구성으로 함으로써, 데이터 판독 시에 배선(BL)의 미세한 전위차를 증폭할 수 있다. 배선(GBL)은 배선(BL)과 마찬가지로 구동 회로(21)가 제공되는 기판 표면의 수직 방향으로 배치될 수 있다. 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])가 가지는 메모리 셀(10)로부터 연장되어 제공되는 배선(BL) 및 배선(GBL)을 기판 표면의 수직 방향으로 제공함으로써, 기능 회로(51)와 감지 증폭기(46) 사이의 배선의 길이를 짧게 할 수 있다. 그러므로 배선(GBL)에 접속되는 2개의 회로 사이의 신호 전달 거리를 짧게 할 수 있어 배선(GBL)의 저항 및 기생 용량이 크게 삭감되기 때문에, 소비 전력 및 신호 지연을 저감할 수 있다.The function circuit (51) has a function of amplifying the data potential maintained in the memory cell (10) and outputting it to the sense amplifier (46) of the driving circuit (21) through the wiring (GBL) (not shown) described later. By having the above configuration, the minute potential difference of the wiring (BL) can be amplified when reading data. The wiring (GBL), like the wiring (BL), can be arranged in the vertical direction of the substrate surface on which the driving circuit (21) is provided. By providing the wiring (BL) and the wiring (GBL) that are extended from the memory cell (10) of the memory array (20 [1] to 20 [m]) in the vertical direction of the substrate surface, the length of the wiring between the function circuit (51) and the sense amplifier (46) can be shortened. Therefore, the signal transmission distance between the two circuits connected to the wiring (GBL) can be shortened, and since the resistance and parasitic capacitance of the wiring (GBL) are greatly reduced, power consumption and signal delay can be reduced.

또한 배선(BL)은 메모리 셀(10)이 가지는 트랜지스터의 반도체층에 접하여 제공된다. 또는 배선(BL)은 메모리 셀(10)이 가지는 트랜지스터의 반도체층의 소스 또는 드레인으로서 기능하는 영역에 접하여 제공된다. 또는 배선(BL)은 메모리 셀(10)이 가지는 트랜지스터의 반도체층의 소스 또는 드레인으로서 기능하는 영역과 접하여 제공되는 도전체에 접하여 제공된다. 즉 배선(BL)은 메모리 어레이(20)의 각 층에서의 메모리 셀(10)이 가지는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 각각과 기능 회로(51)를 수직 방향으로 전기적으로 접속하기 위한 배선이라고 할 수 있다.In addition, the wiring (BL) is provided in contact with the semiconductor layer of the transistor of the memory cell (10). Or, the wiring (BL) is provided in contact with an area functioning as a source or drain of the semiconductor layer of the transistor of the memory cell (10). Or, the wiring (BL) is provided in contact with a conductor provided in contact with an area functioning as a source or drain of the semiconductor layer of the transistor of the memory cell (10). In other words, the wiring (BL) can be said to be a wiring for electrically connecting, in a vertical direction, one of the source and drain of the transistor of the memory cell (10) in each layer of the memory array (20) and the functional circuit (51).

메모리 어레이(20)는 구동 회로(21) 위에 중첩시켜 제공할 수 있다. 구동 회로(21)와 메모리 어레이(20)를 중첩시켜 제공함으로써, 구동 회로(21)와 메모리 어레이(20) 사이의 신호 전달 거리를 짧게 할 수 있다. 따라서 구동 회로(21)와 메모리 어레이(20) 사이의 저항 및 기생 용량이 저감되어 소비 전력 및 신호 지연을 저감할 수 있다. 또한 기억 장치(300)의 소형화를 실현할 수 있다.The memory array (20) can be provided by overlapping the driving circuit (21). By overlapping the driving circuit (21) and the memory array (20), the signal transmission distance between the driving circuit (21) and the memory array (20) can be shortened. Accordingly, the resistance and parasitic capacitance between the driving circuit (21) and the memory array (20) can be reduced, thereby reducing power consumption and signal delay. In addition, miniaturization of the memory device (300) can be realized.

기능 회로(51)를 DOSRAM의 메모리 셀(10)이 가지는 트랜지스터와 마찬가지로 OS 트랜지스터로 구성함으로써, 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])와 같이, Si 트랜지스터를 사용한 회로 위 등에 자유로이 배치될 수 있기 때문에 집적화가 용이해진다. 기능 회로(51)에서 신호를 증폭하는 구성으로 함으로써 후단의 회로인 감지 증폭기(46) 등의 회로를 소형화할 수 있기 때문에 기억 장치(300)의 소형화를 도모할 수 있다.By configuring the functional circuit (51) with OS transistors, similar to the transistors of the memory cell (10) of DOSRAM, it can be freely arranged on a circuit using Si transistors, such as a memory array (20 [1] to 20 [m]), thereby facilitating integration. By configuring the functional circuit (51) to amplify a signal, the circuits of the subsequent circuits, such as the sense amplifier (46), can be miniaturized, thereby facilitating miniaturization of the memory device (300).

구동 회로(21)는 PSW(22)(파워 스위치), PSW(23), 및 주변 회로(31)를 가진다. 주변 회로(31)는 주변 회로(41), 컨트롤 회로(32)(Control Circuit), 및 전압 생성 회로(33)를 가진다.The driving circuit (21) has a PSW (22) (power switch), a PSW (23), and a peripheral circuit (31). The peripheral circuit (31) has a peripheral circuit (41), a control circuit (32), and a voltage generation circuit (33).

기억 장치(300)에서 각 회로, 각 신호, 및 각 전압은 필요에 따라 적절히 취사할 수 있다. 또는 다른 회로 혹은 다른 신호를 추가하여도 좋다. 신호(BW), 신호(CE), 신호(GW), 신호(CLK), 신호(WAKE), 신호(ADDR), 신호(WDA), 신호(PON1), 신호(PON2)는 외부로부터의 입력 신호이고, 신호(RDA)는 외부에 대한 출력 신호이다. 신호(CLK)는 클록 신호이다.In the memory device (300), each circuit, each signal, and each voltage can be appropriately selected as needed. Or, other circuits or other signals may be added. Signal (BW), signal (CE), signal (GW), signal (CLK), signal (WAKE), signal (ADDR), signal (WDA), signal (PON1), and signal (PON2) are input signals from the outside, and signal (RDA) is an output signal to the outside. Signal (CLK) is a clock signal.

또한 신호(BW), 신호(CE), 및 신호(GW)는 제어 신호이다. 신호(CE)는 칩 인에이블 신호이고, 신호(GW)는 글로벌 기록 인에이블 신호이고, 신호(BW)는 바이트 기록 인에이블 신호이다. 신호(ADDR)는 어드레스 신호이다. 신호(WDA)는 기록 데이터이고, 신호(RDA)는 판독 데이터이다. 신호(PON1), 신호(PON2)는 파워 게이팅 제어용 신호이다. 또한 신호(PON1), 신호(PON2)는 컨트롤 회로(32)에서 생성하여도 좋다.In addition, signals (BW), (CE), and (GW) are control signals. Signal (CE) is a chip enable signal, signal (GW) is a global write enable signal, and signal (BW) is a byte write enable signal. Signal (ADDR) is an address signal. Signal (WDA) is write data, and signal (RDA) is read data. Signal (PON1) and signal (PON2) are signals for power gating control. In addition, signal (PON1) and signal (PON2) may be generated in the control circuit (32).

컨트롤 회로(32)는 기억 장치(300)의 동작 전반을 제어하는 기능을 가지는 로직 회로이다. 예를 들어 컨트롤 회로는 신호(CE), 신호(GW), 및 신호(BW)를 논리 연산하고 기억 장치(300)의 동작 모드(예를 들어 기록 동작, 판독 동작)를 결정한다. 또는 컨트롤 회로(32)는 이 동작 모드가 실행되도록 주변 회로(41)의 제어 신호를 생성한다.The control circuit (32) is a logic circuit that has a function of controlling the overall operation of the memory device (300). For example, the control circuit performs a logic operation on the signal (CE), the signal (GW), and the signal (BW) and determines the operation mode (e.g., write operation, read operation) of the memory device (300). Or, the control circuit (32) generates a control signal of the peripheral circuit (41) so that this operation mode is executed.

전압 생성 회로(33)는 음의 전압을 생성하는 기능을 가진다. 신호(WAKE)는 신호(CLK)의 전압 생성 회로(33)에 대한 입력을 제어하는 기능을 가진다. 예를 들어 신호(WAKE)로서 H 레벨의 신호가 공급되면, 신호(CLK)가 전압 생성 회로(33)에 입력되고, 전압 생성 회로(33)는 음의 전압을 생성한다.The voltage generation circuit (33) has a function of generating a negative voltage. The signal (WAKE) has a function of controlling the input of the signal (CLK) to the voltage generation circuit (33). For example, when a signal of H level is supplied as the signal (WAKE), the signal (CLK) is input to the voltage generation circuit (33), and the voltage generation circuit (33) generates a negative voltage.

주변 회로(41)는 메모리 셀(10)에 대한 데이터의 기록 및 판독을 수행하기 위한 회로이다. 또한 주변 회로(41)는 기능 회로(51)를 제어하기 위한 각종 신호를 출력하는 회로이다. 주변 회로(41)는 행 디코더(42)(Row Decoder), 열 디코더(44)(Column Decoder), 행 드라이버(43)(Row Driver), 열 드라이버(45)(Column Driver), 입력 회로(47)(Input Cir.), 출력 회로(48)(Output Cir.), 감지 증폭기(46)(Sense Amplifier)를 가진다.The peripheral circuit (41) is a circuit for performing recording and reading of data for the memory cell (10). In addition, the peripheral circuit (41) is a circuit for outputting various signals for controlling the functional circuit (51). The peripheral circuit (41) has a row decoder (42), a column decoder (44), a row driver (43), a column driver (45), an input circuit (47), an output circuit (48), and a sense amplifier (46).

행 디코더(42) 및 열 디코더(44)는 신호(ADDR)를 디코딩하는 기능을 가진다. 행 디코더(42)는 액세스하는 행을 지정하기 위한 회로이고, 열 디코더(44)는 액세스하는 열을 지정하기 위한 회로이다. 행 드라이버(43)는 행 디코더(42)가 지정하는 배선(WL)을 선택하는 기능을 가진다. 열 드라이버(45)는 데이터를 메모리 셀(10)에 기록하는 기능, 메모리 셀(10)로부터 데이터를 판독하는 기능, 판독한 데이터를 유지하는 기능 등을 가진다.The row decoder (42) and the column decoder (44) have a function of decoding a signal (ADDR). The row decoder (42) is a circuit for specifying a row to be accessed, and the column decoder (44) is a circuit for specifying a column to be accessed. The row driver (43) has a function of selecting a wiring (WL) specified by the row decoder (42). The column driver (45) has a function of writing data to a memory cell (10), a function of reading data from a memory cell (10), a function of maintaining the read data, etc.

입력 회로(47)는 신호(WDA)를 유지하는 기능을 가진다. 입력 회로(47)가 유지하는 데이터는 열 드라이버(45)에 출력된다. 입력 회로(47)의 출력 데이터는 메모리 셀(10)에 기록되는 데이터(Din)이다. 열 드라이버(45)가 메모리 셀(10)로부터 판독한 데이터(Dout)는 출력 회로(48)에 출력된다. 출력 회로(48)는 Dout을 유지하는 기능을 가진다. 또한 출력 회로(48)는 Dout을 기억 장치(300)의 외부에 출력하는 기능을 가진다. 출력 회로(48)로부터 출력되는 데이터는 신호(RDA)이다.The input circuit (47) has a function of maintaining a signal (WDA). The data maintained by the input circuit (47) is output to the column driver (45). The output data of the input circuit (47) is data (Din) written to the memory cell (10). The data (Dout) read by the column driver (45) from the memory cell (10) is output to the output circuit (48). The output circuit (48) has a function of maintaining Dout. In addition, the output circuit (48) has a function of outputting Dout to the outside of the memory device (300). The data output from the output circuit (48) is a signal (RDA).

PSW(22)는 주변 회로(31)에 대한 VDD의 공급을 제어하는 기능을 가진다. PSW(23)는 행 드라이버(43)에 대한 VHM의 공급을 제어하는 기능을 가진다. 여기서는 기억 장치(300)의 고전원 전압이 VDD이고, 저전원 전압이 GND(접지 전위)이다. 또한 VHM은 워드선을 고레벨로 하기 위하여 사용되는 고전원 전압이고, VDD보다 높다. 신호(PON1)에 의하여 PSW(22)의 온/오프가 제어되고, 신호(PON2)에 의하여 PSW(23)의 온/오프가 제어된다. 도 16에서는 주변 회로(31)에서 VDD가 공급되는 전원 도메인의 개수를 하나로 하였지만, 복수로 할 수도 있다. 이 경우 각 전원 도메인에 파워 스위치를 제공하면 좋다.PSW (22) has a function of controlling the supply of VDD to the peripheral circuit (31). PSW (23) has a function of controlling the supply of VHM to the row driver (43). Here, the high power voltage of the memory device (300) is VDD, and the low power voltage is GND (ground potential). Also, VHM is a high power voltage used to make the word line high level, and is higher than VDD. The on/off of PSW (22) is controlled by signal (PON1), and the on/off of PSW (23) is controlled by signal (PON2). In Fig. 16, the number of power domains to which VDD is supplied from the peripheral circuit (31) is set to one, but may be set to multiple. In this case, it is good to provide a power switch for each power domain.

메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])(m은 2 이상의 정수) 및 기능층(50)을 가지는 메모리 어레이(20)에서는 구동 회로(21) 위에 복수 층의 메모리 어레이(20)를 중첩시켜 제공할 수 있다. 복수 층의 메모리 어레이(20)를 중첩시켜 제공함으로써, 메모리 셀(10)의 메모리 밀도를 높일 수 있다. 도 17의 (A)는 구동 회로(21) 위에 기능층(50)과 5층(m=5)의 메모리 어레이(20[1] 내지 20[5])가 중첩되어 제공된 기억 장치(300)의 사시도이다.In a memory array (20) having a memory array (20[1] to 20[m]) (m is an integer of 2 or greater) and a functional layer (50), a plurality of layers of memory arrays (20) can be provided by overlapping them on a driving circuit (21). By overlapping and providing a plurality of layers of memory arrays (20), the memory density of the memory cell (10) can be increased. Fig. 17 (A) is a perspective view of a memory device (300) provided by overlapping a functional layer (50) and a five-layer (m=5) memory array (20[1] to 20[5]) on a driving circuit (21).

도 17의 (A)에서는 첫 번째 층에 제공된 메모리 어레이(20)를 메모리 어레이(20[1])로 나타내고, 두 번째 층에 제공된 메모리 어레이(20)를 메모리 어레이(20[2])로 나타내고, 5번째 층에 제공된 메모리 어레이(20)를 메모리 어레이(20[5])로 나타내었다. 또한 도 17의 (A)에서, X방향으로 연장되어 제공되는 배선(WL) 및 배선(PL)과, Z방향(구동 회로가 제공되는 기판 표면에 수직인 방향)으로 연장되어 제공되는 배선(BL)을 도시하였다. 또한 도면을 보기 쉽게 하기 위하여, 메모리 어레이(20) 각각이 가지는 배선(WL) 및 배선(PL)의 기재를 일부 생략하였다. 또한 도 17의 (A)에서는 배선(PL)을 X방향으로 연장시켜 제공하는 구성에 대하여 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 배선(PL)을 Y방향으로 연장시켜 제공하는 구성으로 하여도 좋고, 배선(PL)을 X방향 및 Y방향으로 연장시켜 제공하는 구성, 예를 들어 배선(PL)을 평면상으로 제공하는 구성으로 하여도 좋다.In (A) of Fig. 17, the memory array (20) provided in the first layer is represented as a memory array (20[1]), the memory array (20) provided in the second layer is represented as a memory array (20[2]), and the memory array (20) provided in the fifth layer is represented as a memory array (20[5]). In addition, in (A) of Fig. 17, the wiring (WL) and the wiring (PL) provided to extend in the X direction and the wiring (BL) provided to extend in the Z direction (the direction perpendicular to the substrate surface on which the driving circuit is provided) are illustrated. In addition, in order to make the drawing easier to read, some of the descriptions of the wiring (WL) and the wiring (PL) of each memory array (20) are omitted. In addition, although (A) of Fig. 17 illustrates a configuration in which the wiring (PL) is provided to extend in the X direction, the present invention is not limited thereto. For example, it may be configured to provide wiring (PL) extended in the Y direction, or it may be configured to provide wiring (PL) extended in the X and Y directions, for example, it may be configured to provide wiring (PL) in a plane.

도 17의 (B)는 도 17의 (A)에 나타낸 배선(BL)에 접속된 기능 회로(51), 및 배선(BL)에 접속된 메모리 어레이(20[1] 내지 20[5])가 가지는 메모리 셀(10)의 구성예를 설명하는 모식도이다. 또한 도 17의 (B)에서는 기능 회로(51)와 구동 회로(21) 사이에 제공되는 배선(GBL)을 나타내었다. 또한 하나의 배선(BL)에 복수의 메모리 셀(메모리 셀(10))이 전기적으로 접속되는 구성을 "메모리 스트링"이라고도 한다. 또한 도면에서 배선(GBL)은 시인성을 높이기 위하여 굵은 선으로 나타낸 경우가 있다.Fig. 17(B) is a schematic diagram explaining an example of a configuration of a memory cell (10) having a functional circuit (51) connected to a wiring (BL) shown in Fig. 17(A) and a memory array (20[1] to 20[5]) connected to the wiring (BL). In addition, Fig. 17(B) shows a wiring (GBL) provided between a functional circuit (51) and a driving circuit (21). In addition, a configuration in which a plurality of memory cells (memory cells (10)) are electrically connected to a single wiring (BL) is also called a "memory string." In addition, in the drawing, the wiring (GBL) is sometimes shown as a thick line to improve visibility.

도 17의 (B)에서는 배선(BL)에 접속되는 메모리 셀(10)의 회로 구성의 일례를 나타내었다. 메모리 셀(10)은 트랜지스터(11) 및 용량 소자(12)를 가진다. 트랜지스터(11), 용량 소자(12), 및 각 배선(BL 및 WL 등)에 대해서도 예를 들어 배선(BL[1]) 및 배선(WL[1])을 배선(BL) 및 배선(WL) 등이라고 하는 경우가 있다.Fig. 17 (B) shows an example of a circuit configuration of a memory cell (10) connected to a wiring (BL). The memory cell (10) has a transistor (11) and a capacitor (12). For the transistor (11), the capacitor (12), and each wiring (BL and WL, etc.), for example, the wiring (BL[1]) and the wiring (WL[1]) are sometimes referred to as the wiring (BL) and the wiring (WL, etc.).

메모리 셀(10)에서 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(BL)에 접속된다. 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자(12)의 한쪽 전극에 접속된다. 용량 소자(12)의 다른 쪽 전극은 배선(PL)에 접속된다. 트랜지스터(11)의 게이트는 배선(WL)에 접속된다.In the memory cell (10), one of the source and drain of the transistor (11) is connected to the wiring (BL). The other of the source and drain of the transistor (11) is connected to one electrode of the capacitor element (12). The other electrode of the capacitor element (12) is connected to the wiring (PL). The gate of the transistor (11) is connected to the wiring (WL).

예를 들어 같은 층에서 공통의 배선(BL)에 접속되는 2개의 메모리 셀(10)은 실시형태 1에 따른 도 10에 나타낸 구조로 할 수 있다.For example, two memory cells (10) connected to a common wiring (BL) on the same layer can have a structure as shown in Fig. 10 according to embodiment 1.

또한 도 17의 (B) 등에서는 같은 층에서 공통의 배선(BL)에 2개의 메모리 셀(10)이 접속되는 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 같은 층에서 공통의 배선(BL)에 4개의 메모리 셀(10)이 접속되는 구성으로 하여도 좋고, 같은 층에서 공통의 배선(BL)에 8개의 메모리 셀(10)이 접속되는 구성으로 하여도 좋다. 예를 들어 같은 층에서 공통의 배선(BL)에 접속되는 4개의 메모리 셀(10)을 제공하는 경우에는, 실시형태 1에 따른 도 11에 나타낸 구조로 할 수 있다.In addition, although Fig. 17 (B) shows a configuration in which two memory cells (10) are connected to a common wiring (BL) in the same layer, the present invention is not limited thereto. For example, a configuration in which four memory cells (10) are connected to a common wiring (BL) in the same layer may be used, or a configuration in which eight memory cells (10) are connected to a common wiring (BL) in the same layer may be used. For example, in the case of providing four memory cells (10) connected to a common wiring (BL) in the same layer, the structure shown in Fig. 11 according to Embodiment 1 may be used.

배선(PL)은 용량 소자(12)의 전위를 유지하기 위한 정전위를 공급하는 배선이다.The wiring (PL) is a wiring that supplies a constant potential to maintain the potential of the capacitive element (12).

도 17의 (B)에 나타낸 배선(GBL)은 구동 회로(21)와 기능층(50) 사이를 전기적으로 접속하도록 제공된다. 도 18의 (A)에서는 기능 회로(51) 및 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])를 반복 단위(70)로 하는 기억 장치(300)의 모식도를 나타내었다. 또한 도 18의 (A)에서는 배선(GBL)을 하나 나타내었지만, 배선(GBL)은 기능층(50)에 제공되는 기능 회로(51)의 개수에 따라 적절히 제공하면 좋다.The wiring (GBL) shown in (B) of Fig. 17 is provided to electrically connect the driving circuit (21) and the functional layer (50). Fig. 18 (A) shows a schematic diagram of a memory device (300) having a functional circuit (51) and a memory array (20 [1] to 20 [m]) as repeating units (70). In addition, although Fig. 18 (A) shows one wiring (GBL), the wiring (GBL) may be provided appropriately according to the number of functional circuits (51) provided to the functional layer (50).

또한 배선(GBL)은 기능 회로(51)가 가지는 트랜지스터의 반도체층에 접하여 제공된다. 또는 배선(GBL)은 기능 회로(51)가 가지는 트랜지스터의 반도체층의 소스 또는 드레인으로서 기능하는 영역에 접하여 제공된다. 또는 배선(GBL)은 기능 회로(51)가 가지는 트랜지스터의 반도체층의 소스 또는 드레인으로서 기능하는 영역과 접하여 제공되는 도전체에 접하여 제공된다. 즉 배선(GBL)은 기능층(50)에서의 기능 회로(51)가 가지는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽과 구동 회로(21)를 수직 방향으로 전기적으로 접속하기 위한 배선이라고 할 수 있다.In addition, the wiring (GBL) is provided in contact with the semiconductor layer of the transistor of the functional circuit (51). Or, the wiring (GBL) is provided in contact with an area functioning as a source or drain of the semiconductor layer of the transistor of the functional circuit (51). Or, the wiring (GBL) is provided in contact with a conductor provided in contact with an area functioning as a source or drain of the semiconductor layer of the transistor of the functional circuit (51). In other words, the wiring (GBL) can be said to be a wiring for electrically connecting one of the source and drain of the transistor of the functional circuit (51) in the functional layer (50) and the driving circuit (21) in the vertical direction.

또한 기능 회로(51) 및 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])를 가지는 반복 단위(70)가 더 적층되는 구성으로 하여도 좋다. 본 발명의 일 형태의 기억 장치(300A)는 도 18의 (B)에 나타낸 바와 같이 반복 단위(70[1] 내지 70[p])(p는 2 이상의 정수)를 가질 수 있다. 배선(GBL)은 반복 단위(70)가 가지는 기능층(50)에 접속된다. 배선(GBL)은 기능 회로(51)의 개수에 따라 적절히 제공하면 좋다.In addition, a configuration may be adopted in which repeating units (70) having functional circuits (51) and memory arrays (20[1] to 20[m]) are further stacked. One form of a memory device (300A) of the present invention may have repeating units (70[1] to 70[p]) (p is an integer of 2 or more) as shown in (B) of Fig. 18. The wiring (GBL) is connected to the functional layer (50) of the repeating unit (70). The wiring (GBL) may be provided appropriately according to the number of functional circuits (51).

본 발명의 일 형태에서는 OS 트랜지스터를 적층시켜 제공하면서, 비트선으로서 기능하는 배선을 구동 회로(21)가 제공되는 기판 표면의 수직 방향으로 배치한다. 메모리 어레이(20)로부터 연장되어 제공되는 비트선으로서 기능하는 배선을 기판 표면의 수직 방향으로 제공함으로써, 메모리 어레이(20)와 구동 회로(21) 사이의 배선의 길이를 짧게 할 수 있다. 그러므로 비트선의 기생 용량을 크게 삭감할 수 있다.In one embodiment of the present invention, while providing OS transistors by stacking them, wirings functioning as bit lines are arranged in a vertical direction of a substrate surface on which a driving circuit (21) is provided. By providing wirings functioning as bit lines that are extended from a memory array (20) in a vertical direction of the substrate surface, the length of the wiring between the memory array (20) and the driving circuit (21) can be shortened. Therefore, the parasitic capacitance of the bit lines can be greatly reduced.

또한 본 발명의 일 형태에서는 메모리 어레이(20)가 제공되는 층에, 메모리 셀(10)에 유지한 데이터 전위를 증폭하여 출력하는 기능을 가지는 기능 회로(51)를 가지는 기능층(50)이 포함된다. 상기 구성으로 함으로써, 데이터 판독 시에 비트선으로서 기능하는 배선(BL)의 미세한 전위차를 증폭하여 구동 회로(21)가 가지는 감지 증폭기(46)를 구동할 수 있다. 감지 증폭기 등의 회로를 소형화할 수 있기 때문에 기억 장치(300)를 소형화할 수 있다. 또한 메모리 셀(10)이 가지는 용량 소자(12)의 용량을 작게 한 경우에도 동작이 가능하다.In addition, in one embodiment of the present invention, a functional layer (50) having a functional circuit (51) having a function of amplifying and outputting a data potential maintained in a memory cell (10) is included in a layer in which a memory array (20) is provided. By forming the above configuration, a minute potential difference of a wiring (BL) functioning as a bit line can be amplified when data is read, thereby driving a sense amplifier (46) of a driving circuit (21). Since circuits such as a sense amplifier can be miniaturized, the memory device (300) can be miniaturized. In addition, operation is possible even when the capacity of a capacitance element (12) of a memory cell (10) is reduced.

[메모리 어레이(20) 및 기능 회로(51)의 구성예][Configuration example of memory array (20) and functional circuit (51)]

도 16 내지 도 18에서 설명한 기능 회로(51)의 구성예 및 메모리 어레이(20) 및 구동 회로(21)가 가지는 감지 증폭기(46)의 구성예에 대하여 도 19를 사용하여 설명한다. 도 19에서는 상이한 배선(BL)(BL_A, BL_B)에 접속된 메모리 셀(10)(메모리 셀(10_A), 메모리 셀(10_B))에 접속된 기능 회로(51)(51_A, 51_B)에 접속된 배선(GBL)(GBL_A, GBL_B)에 접속된 구동 회로(21)를 나타내었다. 도 19에 나타낸 구동 회로(21)에는 감지 증폭기(46) 외에, 프리차지 회로(71_A), 프리차지 회로(71_B), 스위치 회로(72_A), 스위치 회로(72_B), 및 기록 판독 회로(73)가 포함된다.A configuration example of the functional circuit (51) described in FIGS. 16 to 18 and a configuration example of the sense amplifier (46) of the memory array (20) and the driver circuit (21) will be described using FIG. 19. FIG. 19 shows a driver circuit (21) connected to a wiring (GBL) (GBL_A, GBL_B) connected to a functional circuit (51) (51_A, 51_B) connected to a memory cell (10) (memory cell (10_A), memory cell (10_B)) connected to different wirings (BL) (BL_A, BL_B). The driver circuit (21) shown in FIG. 19 includes, in addition to the sense amplifier (46), a precharge circuit (71_A), a precharge circuit (71_B), a switch circuit (72_A), a switch circuit (72_B), and a write/read circuit (73).

기능 회로(51_A, 51_B)에는 트랜지스터(52_a, 52_b, 53_a, 53_b, 54_a, 54_b, 55_a, 55_b)를 도시하였다. 도 19에 나타낸 트랜지스터(52_a, 52_b, 53_a, 53_b, 54_a, 54_b, 55_a, 55_b)는 메모리 셀(10)이 가지는 트랜지스터(11)와 마찬가지로 OS 트랜지스터이다. 기능 회로(51)를 가지는 기능층(50)은 메모리 어레이(20[1] 내지 20[m])와 마찬가지로 적층시켜 제공할 수 있다.Transistors (52_a, 52_b, 53_a, 53_b, 54_a, 54_b, 55_a, 55_b) are illustrated in the functional circuits (51_A, 51_B). The transistors (52_a, 52_b, 53_a, 53_b, 54_a, 54_b, 55_a, 55_b) illustrated in Fig. 19 are OS transistors, similar to the transistor (11) of the memory cell (10). The functional layer (50) having the functional circuit (51) can be provided by stacking, similar to the memory array (20[1] to 20[m]).

배선(BL_A 및 BL_B)은 트랜지스터(52_a, 52_b)의 게이트에 접속된다. 배선(GBL_A 및 GBL_B)은 트랜지스터(53_a, 53_b, 54_a, 54_b)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 접속된다. 배선(GBL_A 및 GBL_B)은 배선(BL_A 및 BL_B)과 마찬가지로 수직 방향으로 제공되고, 구동 회로(21)가 가지는 트랜지스터에 접속된다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 트랜지스터(53_a, 53_b, 54_a, 54_b, 55_a, 55_b)의 게이트에는 제어 신호(WE, RE, MUX)가 공급된다.The wirings (BL_A and BL_B) are connected to the gates of the transistors (52_a, 52_b). The wirings (GBL_A and GBL_B) are connected to one of the sources and drains of the transistors (53_a, 53_b, 54_a, 54_b). The wirings (GBL_A and GBL_B) are provided in the vertical direction like the wirings (BL_A and BL_B) and are connected to the transistors of the driving circuit (21). As shown in Fig. 19, the gates of the transistors (53_a, 53_b, 54_a, 54_b, 55_a, 55_b) are supplied with control signals (WE, RE, MUX).

도 19에 나타낸 감지 증폭기(46), 프리차지 회로(71_A), 및 프리차지 회로(71_B)를 구성하는 트랜지스터(81_1 내지 81_6) 및 트랜지스터(82_1 내지 82_4)는 Si 트랜지스터로 구성된다. 스위치 회로(72_A) 및 스위치 회로(72_B)를 구성하는 스위치(83_A 내지 83_D)도 Si 트랜지스터로 구성될 수 있다. 트랜지스터(53_a, 53_b, 54_a, 54_b)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 프리차지 회로(71_A), 프리차지 회로(71_B), 감지 증폭기(46), 스위치 회로(72_A)를 구성하는 트랜지스터 또는 스위치에 접속된다.The transistors (81_1 to 81_6) and the transistors (82_1 to 82_4) constituting the sense amplifier (46), the precharge circuit (71_A), and the precharge circuit (71_B) shown in Fig. 19 are composed of Si transistors. The switches (83_A to 83_D) constituting the switch circuit (72_A) and the switch circuit (72_B) may also be composed of Si transistors. One of the sources and drains of the transistors (53_a, 53_b, 54_a, 54_b) is connected to a transistor or switch constituting the precharge circuit (71_A), the precharge circuit (71_B), the sense amplifier (46), and the switch circuit (72_A).

프리차지 회로(71_A)는 n채널형 트랜지스터(81_1 내지 81_3)를 가진다. 프리차지 회로(71_A)는 프리차지선(PCL1)에 공급되는 프리차지 신호에 따라 배선(BL_A) 및 배선(BL_B)을 VDD와 VSS 사이의 전위(VDD/2)에 상당하는 중간 전위(VPC)로 프리차지하기 위한 회로이다.The precharge circuit (71_A) has n-channel transistors (81_1 to 81_3). The precharge circuit (71_A) is a circuit for precharging the wiring (BL_A) and the wiring (BL_B) to an intermediate potential (VPC) corresponding to a potential (VDD/2) between VDD and VSS according to a precharge signal supplied to the precharge line (PCL1).

프리차지 회로(71_B)는 n채널형 트랜지스터(81_4 내지 81_6)를 가진다. 프리차지 회로(71_B)는 프리차지선(PCL2)에 공급되는 프리차지 신호에 따라 배선(GBL_A) 및 배선(GBL_B)을 VDD와 VSS 사이의 전위(VDD/2)에 상당하는 중간 전위(VPC)로 프리차지하기 위한 회로이다.The precharge circuit (71_B) has n-channel transistors (81_4 to 81_6). The precharge circuit (71_B) is a circuit for precharging the wiring (GBL_A) and the wiring (GBL_B) to an intermediate potential (VPC) corresponding to a potential (VDD/2) between VDD and VSS according to a precharge signal supplied to the precharge line (PCL2).

감지 증폭기(46)는 배선(VHH) 또는 배선(VLL)에 접속된 p채널형 트랜지스터(82_1, 82_2) 및 n채널형 트랜지스터(82_3, 82_4)를 가진다. 배선(VHH) 또는 배선(VLL)은 VDD 또는 VSS를 공급하는 기능을 가지는 배선이다. 트랜지스터(82_1 내지 82_4)는 인버터 루프를 구성하는 트랜지스터이다. 메모리 셀(10_A, 10_B)을 선택함으로써 프리차지된 배선(BL_A) 및 배선(BL_B)의 전위가 변화되고, 상기 변화에 따라 배선(GBL_A) 및 배선(GBL_B)의 전위를 고전원 전위 VDD 또는 저전원 전위 VSS로 한다. 배선(GBL_A) 및 배선(GBL_B)의 전위는 스위치(83_C), 스위치(83_D), 및 기록 판독 회로(73)를 통하여 외부에 출력할 수 있다. 배선(BL_A) 및 배선(BL_B) 그리고 배선(GBL_A) 및 배선(GBL_B)은 비트선쌍에 상당한다. 기록 판독 회로(73)는 신호(EN_data)에 따라 데이터 신호의 기록이 제어된다.The sense amplifier (46) has p-channel transistors (82_1, 82_2) and n-channel transistors (82_3, 82_4) connected to wiring (VHH) or wiring (VLL). The wiring (VHH) or wiring (VLL) is a wiring having a function of supplying VDD or VSS. The transistors (82_1 to 82_4) are transistors constituting an inverter loop. By selecting the memory cells (10_A, 10_B), the potentials of the precharged wiring (BL_A) and wiring (BL_B) are changed, and according to the change, the potentials of the wiring (GBL_A) and wiring (GBL_B) are set to the high power potential VDD or the low power potential VSS. The potentials of the wiring (GBL_A) and wiring (GBL_B) can be output to the outside through the switch (83_C), the switch (83_D), and the write/read circuit (73). Wiring (BL_A) and wiring (BL_B) and wiring (GBL_A) and wiring (GBL_B) correspond to bit line pairs. The write/read circuit (73) controls the writing of data signals according to the signal (EN_data).

스위치 회로(72_A)는 감지 증폭기(46)와 배선(GBL_A) 및 배선(GBL_B) 사이의 도통 상태를 제어하기 위한 회로이다. 스위치 회로(72_A)는 전환 신호(CSEL1)의 제어에 의하여 온 또는 오프가 전환된다. 스위치(83_A 및 83_B)는 n채널 트랜지스터인 경우, 전환 신호(CSEL1)가 하이 레벨일 때는 온이 되고 로 레벨일 때는 오프가 된다. 스위치 회로(72_B)는 기록 판독 회로(73)와, 감지 증폭기(46)에 접속되는 비트선쌍 사이의 도통 상태를 제어하기 위한 회로이다. 스위치 회로(72_B)는 전환 신호(CSEL2)의 제어에 의하여 온 또는 오프가 전환된다. 스위치(83_C 및 83_D)는 스위치(83_A 및 83_B)와 같은 식으로 하면 좋다.The switch circuit (72_A) is a circuit for controlling the conduction state between the sense amplifier (46) and the wiring (GBL_A) and the wiring (GBL_B). The switch circuit (72_A) is switched on or off under the control of the switching signal (CSEL1). When the switches (83_A and 83_B) are n-channel transistors, they are turned on when the switching signal (CSEL1) is at a high level and are turned off when it is at a low level. The switch circuit (72_B) is a circuit for controlling the conduction state between the write/read circuit (73) and the bit line pair connected to the sense amplifier (46). The switch circuit (72_B) is switched on or off under the control of the switching signal (CSEL2). The switches (83_C and 83_D) may be configured in the same manner as the switches (83_A and 83_B).

도 19에 나타낸 바와 같이 기억 장치(300)는 메모리 셀(10)과, 기능 회로(51)와, 감지 증폭기(46)가, 최단 거리인 수직 방향으로 제공되는 배선(BL) 및 배선(GBL)을 통하여 접속되는 구성으로 할 수 있다. 기능 회로(51)를 구성하는 트랜지스터를 가지는 기능층(50)이 증가하지만, 배선(BL)의 부하가 저감되기 때문에 기록 시간이 단축되고 데이터 판독이 쉬워진다.As shown in Fig. 19, the memory device (300) can be configured such that the memory cell (10), the functional circuit (51), and the sense amplifier (46) are connected via the wiring (BL) and the wiring (GBL) provided in the vertical direction, which is the shortest distance. Although the functional layer (50) having the transistors constituting the functional circuit (51) increases, the load on the wiring (BL) is reduced, so the recording time is shortened and data reading becomes easier.

또한 도 19에 나타낸 바와 같이 기능 회로(51_A, 51_B)가 가지는 각 트랜지스터는 제어 신호(WE, RE) 및 선택 신호(MUX)에 따라 제어된다. 각 트랜지스터는 제어 신호 및 선택 신호에 따라 배선(GBL)을 통하여 배선(BL)의 전위를 구동 회로(21)에 출력할 수 있다. 기능 회로(51_A, 51_B)는 OS 트랜지스터로 구성되는 감지 증폭기로서 기능시킬 수 있다. 상기 구성으로 함으로써, 판독 시에 배선(BL)의 미세한 전위차를 증폭하여, Si 트랜지스터를 사용한 감지 증폭기(46)를 구동할 수 있다.In addition, as shown in Fig. 19, each transistor of the functional circuit (51_A, 51_B) is controlled according to a control signal (WE, RE) and a selection signal (MUX). Each transistor can output the potential of the wiring (BL) to the driving circuit (21) through the wiring (GBL) according to the control signal and the selection signal. The functional circuit (51_A, 51_B) can function as a sense amplifier composed of an OS transistor. By using the above configuration, the minute potential difference of the wiring (BL) can be amplified at the time of reading, and the sense amplifier (46) using a Si transistor can be driven.

이상과 같이, 복수의 메모리 셀 어레이와 구동 회로를 적층시켜 제공함으로써, 기억 장치의 고집적화 및 대용량화가 가능하다.As described above, by stacking multiple memory cell arrays and driving circuits, high integration and large capacity of the memory device are possible.

본 실시형태는 본 명세서에서 설명하는 다른 실시형태 등과 적절히 조합할 수 있다.This embodiment can be appropriately combined with other embodiments described in this specification.

(실시형태 4)(Embodiment 4)

본 실시형태에서는, 도 20의 (A) 및 (B)를 사용하여 본 발명의 기억 장치가 실장된 칩(1200)의 일례를 설명한다. 칩(1200)에는 복수의 회로(시스템)가 실장되어 있다. 이와 같이, 복수의 회로(시스템)를 하나의 칩에 집적하는 기술을 시스템 온 칩(System on Chip: SoC)이라고 부르는 경우가 있다.In this embodiment, an example of a chip (1200) in which the memory device of the present invention is mounted is described using (A) and (B) of FIG. 20. A plurality of circuits (systems) are mounted on the chip (1200). In this way, a technology for integrating a plurality of circuits (systems) into a single chip is sometimes called a system on chip (SoC).

도 20의 (A)에 나타낸 바와 같이, 칩(1200)은 CPU(1211), GPU(1212), 하나 또는 복수의 아날로그 연산부(1213), 하나 또는 복수의 메모리 컨트롤러(1214), 하나 또는 복수의 인터페이스(1215), 하나 또는 복수의 네트워크 회로(1216) 등을 가진다.As shown in (A) of Fig. 20, the chip (1200) has a CPU (1211), a GPU (1212), one or more analog operation units (1213), one or more memory controllers (1214), one or more interfaces (1215), one or more network circuits (1216), etc.

칩(1200)에는 범프(도시하지 않았음)가 제공되고, 도 20의 (B)에 나타낸 바와 같이, 패키지 기판(1201)의 제 1 면에 접속된다. 또한 패키지 기판(1201)의 제 1 면의 뒷면에는 복수의 범프(1202)가 제공되고, 머더보드(1203)에 접속된다.The chip (1200) is provided with bumps (not shown) and is connected to a first surface of a package substrate (1201), as shown in (B) of Fig. 20. In addition, a plurality of bumps (1202) are provided on the back surface of the first surface of the package substrate (1201) and are connected to a motherboard (1203).

머더보드(1203)에는 DRAM(1221), 플래시 메모리(1222) 등의 기억 장치가 제공되어도 좋다. 예를 들어 DRAM(1221)으로서 앞의 실시형태에서 설명한 DOSRAM을 사용할 수 있다. 이에 의하여 DRAM(1221)의 저소비 전력화, 고속화, 및 대용량화가 가능하다.The motherboard (1203) may be provided with a memory device such as DRAM (1221) or flash memory (1222). For example, the DOSRAM described in the preceding embodiment may be used as the DRAM (1221). This makes it possible to reduce power consumption, increase speed, and increase capacity of the DRAM (1221).

CPU(1211)는 복수의 CPU 코어를 가지는 것이 바람직하다. 또한 GPU(1212)는 복수의 GPU 코어를 가지는 것이 바람직하다. 또한 CPU(1211) 및 GPU(1212)는 각각 데이터를 일시적으로 저장하는 메모리를 가져도 좋다. 또는 CPU(1211) 및 GPU(1212)에 공통된 메모리가 칩(1200)에 제공되어도 좋다. 상기 메모리로서는 상술한 DOSRAM을 사용할 수 있다. 또한 GPU(1212)는 다수의 데이터의 병렬 계산에 적합하고, 화상 처리 또는 적화 연산(product-sum operation)에 사용할 수 있다. GPU(1212)에 본 발명의 산화물 반도체를 사용한 화상 처리 회로 또는 적화 연산 회로를 제공함으로써, 화상 처리 및 적화 연산을 낮은 소비 전력으로 실행할 수 있다.It is preferable that the CPU (1211) has multiple CPU cores. In addition, the GPU (1212) preferably has multiple GPU cores. In addition, the CPU (1211) and the GPU (1212) may each have a memory for temporarily storing data. Alternatively, a memory common to the CPU (1211) and the GPU (1212) may be provided in the chip (1200). The above-described DOSRAM can be used as the memory. In addition, the GPU (1212) is suitable for parallel calculation of a large number of data, and can be used for image processing or a product-sum operation. By providing the GPU (1212) with an image processing circuit or a product-sum operation circuit using the oxide semiconductor of the present invention, image processing and a product-sum operation can be executed with low power consumption.

또한 CPU(1211) 및 GPU(1212)가 동일한 칩에 제공되면, CPU(1211)와 GPU(1212) 간의 배선을 짧게 할 수 있기 때문에, CPU(1211)로부터 GPU(1212)로의 데이터 전송(轉送), CPU(1211) 및 GPU(1212)가 가지는 메모리 간의 데이터 전송, 그리고 GPU(1212)에서의 연산 후의, GPU(1212)로부터 CPU(1211)로의 연산 결과의 전송을 고속으로 수행할 수 있다.In addition, if the CPU (1211) and the GPU (1212) are provided on the same chip, the wiring between the CPU (1211) and the GPU (1212) can be shortened, so that data transfer from the CPU (1211) to the GPU (1212), data transfer between the memories of the CPU (1211) and the GPU (1212), and transfer of the operation result from the GPU (1212) to the CPU (1211) after the operation in the GPU (1212) can be performed at high speed.

아날로그 연산부(1213)는 A/D(아날로그/디지털) 변환 회로 및 D/A(디지털/아날로그) 변환 회로 중 한쪽 또는 양쪽을 가진다. 또한 아날로그 연산부(1213)에 상기 적화 연산 회로를 제공하여도 좋다.The analog operation unit (1213) has one or both of an A/D (analog/digital) conversion circuit and a D/A (digital/analog) conversion circuit. In addition, the analog operation unit (1213) may be provided with the above-described integration operation circuit.

메모리 컨트롤러(1214)는 DRAM(1221)의 컨트롤러로서 기능하는 회로 및 플래시 메모리(1222)의 인터페이스로서 기능하는 회로를 가진다.The memory controller (1214) has a circuit that functions as a controller of DRAM (1221) and a circuit that functions as an interface of flash memory (1222).

인터페이스(1215)는 표시 장치, 스피커, 마이크로폰, 카메라, 컨트롤러 등의 외부 접속 기기와의 인터페이스 회로를 가진다. 컨트롤러에는 마우스, 키보드, 게임용 컨트롤러 등이 포함된다. 이와 같은 인터페이스로서, USB(Universal Serial Bus), HDMI(등록 상표)(High-Definition Multimedia Interface) 등을 사용할 수 있다.The interface (1215) has an interface circuit with external connection devices such as a display device, speaker, microphone, camera, and controller. The controller includes a mouse, a keyboard, and a game controller. As such an interface, USB (Universal Serial Bus), HDMI (registered trademark) (High-Definition Multimedia Interface), etc. can be used.

네트워크 회로(1216)는 LAN(Local Area Network) 등의 네트워크 회로를 가진다. 또한 네트워크 보안용 회로를 가져도 좋다.The network circuit (1216) has a network circuit such as a LAN (Local Area Network). It may also have a circuit for network security.

칩(1200)에는 상기 회로(시스템)를 동일한 제조 공정으로 형성할 수 있다. 그러므로 칩(1200)에 필요한 회로의 개수가 증가하여도 제조 공정을 증가시킬 필요가 없어 칩(1200)을 낮은 비용으로 제작할 수 있다.The chip (1200) can form the above circuit (system) using the same manufacturing process. Therefore, even if the number of circuits required for the chip (1200) increases, there is no need to increase the manufacturing process, so the chip (1200) can be manufactured at a low cost.

GPU(1212)를 가지는 칩(1200)이 제공된 패키지 기판(1201), DRAM(1221), 및 플래시 메모리(1222)가 제공된 머더보드(1203)를 GPU 모듈(1204)이라고 부를 수 있다.A package substrate (1201) provided with a chip (1200) having a GPU (1212), a motherboard (1203) provided with DRAM (1221), and flash memory (1222) may be referred to as a GPU module (1204).

GPU 모듈(1204)은 SoC 기술을 사용한 칩(1200)을 가지기 때문에, 그 크기를 작게 할 수 있다. 또한 화상 처리 능력이 높기 때문에, 스마트폰, 태블릿 단말기, 랩톱 PC, 휴대용(들고 다닐 수 있는) 게임기 등의 휴대용 전자 기기에 사용하는 것이 적합하다. 또한 GPU(1212)를 사용한 적화 연산 회로에 의하여, 심층 신경망(DNN), 합성곱 신경망(CNN), 순환 신경망(RNN), 자기 부호화기, 심층 볼츠만 머신(DBM), 심층 신뢰 신경망(DBN) 등의 방법을 실행할 수 있기 때문에, 칩(1200)을 AI 칩으로서, 또는 GPU 모듈(1204)을 AI 시스템 모듈로서 사용할 수 있다.Since the GPU module (1204) has a chip (1200) using SoC technology, its size can be reduced. In addition, since it has high image processing capability, it is suitable for use in portable electronic devices such as smartphones, tablet terminals, laptop PCs, and portable (carry-on) game consoles. In addition, since it is possible to execute methods such as a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recurrent neural network (RNN), a self-encoder, a deep Boltzmann machine (DBM), and a deep belief neural network (DBN) by means of an integrated circuit using the GPU (1212), the chip (1200) can be used as an AI chip, or the GPU module (1204) can be used as an AI system module.

본 실시형태에 기재된 구성, 방법 등은 적어도 그 일부를 본 명세서에 기재된 다른 실시형태 등과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.The configurations, methods, etc. described in this embodiment can be implemented by appropriately combining at least some of them with other embodiments, etc. described in this specification.

(실시형태 5)(Embodiment 5)

본 실시형태에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치 등이 제공된 전자 부품 및 전자 기기의 일례를 설명한다. 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치를 이하의 전자 부품 및 전자 기기에 사용함으로써, 전자 부품 및 전자 기기의 저소비 전력화 및 고속화가 가능하다.In this embodiment, an example of an electronic component and an electronic device provided with a memory device, etc., described in the preceding embodiment is described. By using the memory device described in the preceding embodiment in the following electronic components and electronic devices, it is possible to reduce power consumption and increase speed of the electronic components and electronic devices.

<전자 부품><Electronic components>

우선, 기억 장치(720)가 제공된 전자 부품의 예에 대하여 도 21의 (A) 및 (B)를 사용하여 설명한다.First, an example of an electronic component provided with a memory device (720) is described using (A) and (B) of Fig. 21.

도 21의 (A)에 전자 부품(700) 및 전자 부품(700)이 실장된 기판(실장 기판(704))의 사시도를 나타내었다. 도 21의 (A)에 나타낸 전자 부품(700)은 몰드(711) 내에 기억 장치(720)를 가진다. 도 21의 (A)는 전자 부품(700)의 내부를 나타내기 위하여 일부를 생략하였다. 전자 부품(700)은 몰드(711) 외측에 랜드(712)를 가진다. 랜드(712)는 전극 패드(713)와 전기적으로 접속되고, 전극 패드(713)는 와이어(714)에 의하여 기억 장치(720)와 전기적으로 접속되어 있다. 전자 부품(700)은 예를 들어 인쇄 기판(702)에 실장된다. 이와 같은 전자 부품이 복수 조합되고 각각이 인쇄 기판(702) 위에서 전기적으로 접속됨으로써 실장 기판(704)이 완성된다.Fig. 21(A) shows a perspective view of an electronic component (700) and a substrate (mounting substrate (704)) on which the electronic component (700) is mounted. The electronic component (700) shown in Fig. 21(A) has a memory device (720) inside a mold (711). Part of Fig. 21(A) is omitted to show the inside of the electronic component (700). The electronic component (700) has a land (712) on the outside of the mold (711). The land (712) is electrically connected to an electrode pad (713), and the electrode pad (713) is electrically connected to the memory device (720) by a wire (714). The electronic component (700) is mounted on, for example, a printed circuit board (702). A plurality of such electronic components are combined and each is electrically connected on a printed circuit board (702) to complete a mounting circuit board (704).

기억 장치(720)는 구동 회로층(721)과 기억 회로층(722)을 가진다.The memory device (720) has a driving circuit layer (721) and a memory circuit layer (722).

도 21의 (B)에 전자 부품(730)의 사시도를 나타내었다. 전자 부품(730)은 SiP(System in package) 또는 MCM(Multi Chip Module)의 일례이다. 전자 부품(730)은 패키지 기판(732)(인쇄 기판) 위에 인터포저(731)가 제공되고, 인터포저(731) 위에 반도체 장치(735) 및 복수의 기억 장치(720)가 제공되어 있다. 기억 장치(720)에 앞의 실시형태에 나타낸 기억 장치를 사용함으로써, 저소비 전력화 및 고속화가 가능하다.A perspective view of an electronic component (730) is shown in (B) of Fig. 21. The electronic component (730) is an example of a SiP (System in package) or an MCM (Multi Chip Module). The electronic component (730) is provided with an interposer (731) on a package substrate (732) (printed substrate), and a semiconductor device (735) and a plurality of memory devices (720) are provided on the interposer (731). By using the memory device shown in the above embodiment for the memory device (720), low power consumption and high speed can be achieved.

반도체 장치(735)로서는 CPU, GPU, FPGA 등의 집적 회로(반도체 장치)를 사용할 수 있다.As a semiconductor device (735), an integrated circuit (semiconductor device) such as a CPU, GPU, or FPGA can be used.

패키지 기판(732)으로서는 세라믹 기판, 플라스틱 기판, 유리 에폭시 기판 등을 사용할 수 있다. 인터포저(731)로서는 실리콘 인터포저, 수지 인터포저 등을 사용할 수 있다.As the package substrate (732), a ceramic substrate, a plastic substrate, a glass epoxy substrate, etc. can be used. As the interposer (731), a silicon interposer, a resin interposer, etc. can be used.

인터포저(731)는 복수의 배선을 가지고, 단자 피치가 상이한 복수의 집적 회로를 전기적으로 접속하는 기능을 가진다. 복수의 배선은 단층 또는 다층으로 제공된다. 또한 인터포저(731)는 인터포저(731) 위에 제공된 집적 회로를 패키지 기판(732)에 제공된 전극과 전기적으로 접속하는 기능을 가진다. 그러므로 인터포저를 "재배선 기판" 또는 "중간 기판"이라고 하는 경우가 있다. 또한 인터포저(731)에 관통 전극을 제공하고, 상기 관통 전극을 사용하여 집적 회로와 패키지 기판(732)을 전기적으로 접속하는 경우도 있다. 또한 실리콘 인터포저에서는 관통 전극으로서 TSV(Through Silicon Via)를 사용할 수도 있다.The interposer (731) has a plurality of wires and has a function of electrically connecting a plurality of integrated circuits having different terminal pitches. The plurality of wires are provided in a single layer or multiple layers. In addition, the interposer (731) has a function of electrically connecting an integrated circuit provided on the interposer (731) with an electrode provided on a package substrate (732). Therefore, the interposer is sometimes called a “rewiring substrate” or an “intermediate substrate.” In addition, a through electrode is provided on the interposer (731), and the integrated circuit and the package substrate (732) are electrically connected using the through electrode. In addition, in a silicon interposer, a TSV (Through Silicon Via) may be used as the through electrode.

인터포저(731)로서 실리콘 인터포저를 사용하는 것이 바람직하다. 실리콘 인터포저는 능동 소자를 제공할 필요가 없기 때문에 집적 회로보다 낮은 비용으로 제작할 수 있다. 또한 실리콘 인터포저의 배선은 반도체 공정으로 형성할 수 있으므로, 수지 인터포저에서는 어려운 미세 배선의 형성이 용이하다.It is preferable to use a silicon interposer as the interposer (731). Since a silicon interposer does not need to provide active components, it can be manufactured at a lower cost than an integrated circuit. In addition, since the wiring of a silicon interposer can be formed through a semiconductor process, it is easy to form fine wiring that is difficult with a resin interposer.

또한 실리콘 인터포저를 사용한 SiP, MCM 등에서는, 집적 회로와 인터포저 사이의 팽창 계수의 차이로 인한 신뢰성 저하가 발생하기 어렵다. 또한 실리콘 인터포저는 표면의 평탄성이 높으므로 실리콘 인터포저 위에 제공되는 집적 회로와 실리콘 인터포저 사이의 접속 불량이 발생하기 어렵다. 특히 인터포저 위에 복수의 집적 회로를 나란히 배치하는 2.5D 패키지(2.5차원 실장)에서는 실리콘 인터포저를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, in SiP, MCM, etc. using silicon interposers, it is difficult for reliability degradation due to differences in expansion coefficients between the integrated circuit and the interposer to occur. In addition, since the silicon interposer has a high surface flatness, it is difficult for a connection failure to occur between the integrated circuit provided on the silicon interposer and the silicon interposer. In particular, it is desirable to use a silicon interposer in a 2.5D package (2.5-dimensional mounting) in which multiple integrated circuits are placed side by side on an interposer.

또한 전자 부품(730)과 중첩시켜 히트 싱크(방열판)를 제공하여도 좋다. 히트 싱크를 제공하는 경우에는 인터포저(731) 위에 제공하는 집적 회로의 높이를 일치시키는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 실시형태에서 설명하는 전자 부품(730)에서는 기억 장치(720)와 반도체 장치(735)의 높이를 일치시키는 것이 바람직하다.It is also possible to provide a heat sink (heat dissipation plate) by overlapping the electronic component (730). When providing a heat sink, it is preferable to match the height of the integrated circuit provided on the interposer (731). For example, in the electronic component (730) described in this embodiment, it is preferable to match the height of the memory device (720) and the semiconductor device (735).

전자 부품(730)을 다른 기판에 실장하기 위하여 패키지 기판(732)의 바닥부에 전극(733)을 제공하여도 좋다. 도 21의 (B)에서는 전극(733)을 땜납 볼로 형성하는 예를 나타내었다. 패키지 기판(732)의 바닥부에 땜납 볼을 매트릭스로 제공함으로써 BGA(Ball Grid Array) 실장을 실현할 수 있다. 또한 전극(733)을 도전성의 핀으로 형성하여도 좋다. 패키지 기판(732)의 바닥부에 도전성의 핀을 매트릭스로 제공함으로써 PGA(Pin Grid Array) 실장을 실현할 수 있다.In order to mount the electronic component (730) on another substrate, an electrode (733) may be provided on the bottom of the package substrate (732). In Fig. 21 (B), an example in which the electrode (733) is formed as a solder ball is shown. By providing the solder balls as a matrix on the bottom of the package substrate (732), BGA (Ball Grid Array) mounting can be realized. In addition, the electrode (733) may be formed as a conductive pin. By providing the conductive pins as a matrix on the bottom of the package substrate (732), PGA (Pin Grid Array) mounting can be realized.

전자 부품(730)은 BGA 및 PGA에 한정되지 않고, 다양한 실장 방법을 사용하여 다른 기판에 실장할 수 있다. 예를 들어 SPGA(Staggered Pin Grid Array), LGA(Land Grid Array), QFP(Quad Flat Package), QFJ(Quad Flat J-leaded package), 또는 QFN(Quad Flat Non-leaded package) 등의 실장 방법을 사용할 수 있다.The electronic component (730) is not limited to BGA and PGA, and can be mounted on other substrates using various mounting methods. For example, a mounting method such as SPGA (Staggered Pin Grid Array), LGA (Land Grid Array), QFP (Quad Flat Package), QFJ (Quad Flat J-leaded package), or QFN (Quad Flat Non-leaded package) can be used.

본 실시형태에 나타낸 구성, 방법 등은 본 실시형태에 나타낸 다른 구성, 방법, 다른 실시형태에 나타낸 구성, 방법 등과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.The configurations, methods, etc. shown in this embodiment can be used in appropriate combination with other configurations, methods, etc. shown in this embodiment, and configurations, methods, etc. shown in other embodiments.

(실시형태 6)(Embodiment 6)

본 실시형태에서는 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치를 사용한 기억 장치의 응용예에 대하여 설명한다. 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치는 예를 들어 각종 전자 기기(예를 들어 정보 단말기, 컴퓨터, 스마트폰, 전자책 단말기, 디지털 카메라(비디오 카메라도 포함함), 녹화 재생 장치, 내비게이션 시스템 등)의 기억 장치에 적용할 수 있다. 또한 여기서 컴퓨터에는 태블릿형 컴퓨터, 노트북형 컴퓨터, 데스크톱형 컴퓨터뿐만 아니라, 서버 시스템과 같은 대형 컴퓨터도 포함된다. 또는 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치는 메모리 카드(예를 들어 SD 카드), USB 메모리, SSD(Solid State Drive) 등의 각종 리무버블 기억 장치에 적용된다. 도 22의 (A) 내지 (E)에 리무버블 기억 장치의 몇 가지 구성예를 모식적으로 나타내었다. 예를 들어 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치는 패키징된 메모리 칩으로 가공되고 다양한 스토리지 장치, 리무버블 메모리에 사용된다.In this embodiment, an application example of a memory device using the memory device described in the preceding embodiment is described. The memory device described in the preceding embodiment can be applied to, for example, a memory device of various electronic devices (for example, an information terminal, a computer, a smart phone, an e-book terminal, a digital camera (including a video camera), a recording and playback device, a navigation system, etc.). In addition, the computer herein includes not only a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, but also a large computer such as a server system. Alternatively, the memory device described in the preceding embodiment is applied to various removable memory devices such as a memory card (for example, an SD card), a USB memory, and an SSD (Solid State Drive). Several configuration examples of a removable memory device are schematically shown in Fig. 22 (A) to (E). For example, the memory device described in the preceding embodiment is processed into a packaged memory chip and used in various storage devices and removable memories.

도 22의 (A)는 USB 메모리의 모식도이다. USB 메모리(1100)는 하우징(1101), 캡(1102), USB 커넥터(1103), 및 기판(1104)을 가진다. 기판(1104)은 하우징(1101)에 수납되어 있다. 예를 들어 기판(1104)에는 메모리 칩(1105), 컨트롤러 칩(1106)이 장착되어 있다. 메모리 칩(1105) 등에 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치를 제공할 수 있다.Fig. 22 (A) is a schematic diagram of a USB memory. The USB memory (1100) has a housing (1101), a cap (1102), a USB connector (1103), and a substrate (1104). The substrate (1104) is housed in the housing (1101). For example, a memory chip (1105) and a controller chip (1106) are mounted on the substrate (1104). The memory device described in the preceding embodiment can be provided to the memory chip (1105), etc.

도 22의 (B)는 SD 카드의 외관의 모식도이고, 도 22의 (C)는 SD 카드의 내부 구조의 모식도이다. SD 카드(1110)는 하우징(1111), 커넥터(1112), 및 기판(1113)을 가진다. 기판(1113)은 하우징(1111)에 수납되어 있다. 예를 들어 기판(1113)에는 메모리 칩(1114), 컨트롤러 칩(1115)이 장착되어 있다. 기판(1113)의 뒷면 측에도 메모리 칩(1114)을 제공함으로써 SD 카드(1110)의 용량을 증가시킬 수 있다. 또한 무선 통신 기능을 가지는 무선 칩을 기판(1113)에 제공하여도 좋다. 이로써, 호스트 장치와 SD 카드(1110) 사이의 무선 통신에 의하여 메모리 칩(1114)의 데이터의 판독, 기록이 가능하게 된다. 메모리 칩(1114) 등에 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치를 제공할 수 있다.Fig. 22 (B) is a schematic diagram of the appearance of the SD card, and Fig. 22 (C) is a schematic diagram of the internal structure of the SD card. The SD card (1110) has a housing (1111), a connector (1112), and a substrate (1113). The substrate (1113) is housed in the housing (1111). For example, a memory chip (1114) and a controller chip (1115) are mounted on the substrate (1113). By providing a memory chip (1114) on the back side of the substrate (1113), the capacity of the SD card (1110) can be increased. In addition, a wireless chip having a wireless communication function may be provided on the substrate (1113). This enables reading and writing of data of the memory chip (1114) by wireless communication between the host device and the SD card (1110). The memory device described in the preceding embodiment can be provided on the memory chip (1114), etc.

도 22의 (D)는 SSD의 외관의 모식도이고, 도 22의 (E)는 SSD의 내부 구조의 모식도이다. SSD(1150)는 하우징(1151), 커넥터(1152), 및 기판(1153)을 가진다. 기판(1153)은 하우징(1151)에 수납되어 있다. 예를 들어 기판(1153)에는 메모리 칩(1154), 메모리 칩(1155), 컨트롤러 칩(1156)이 장착되어 있다. 메모리 칩(1155)은 컨트롤러 칩(1156)의 작업 메모리이고, 예를 들어 DOSRAM 칩을 사용하면 좋다. 기판(1153)의 뒷면 측에도 메모리 칩(1154)을 제공함으로써 SSD(1150)의 용량을 증가시킬 수 있다. 메모리 칩(1154) 등에 앞의 실시형태에서 설명한 기억 장치를 제공할 수 있다.Fig. 22 (D) is a schematic diagram of the appearance of the SSD, and Fig. 22 (E) is a schematic diagram of the internal structure of the SSD. The SSD (1150) has a housing (1151), a connector (1152), and a substrate (1153). The substrate (1153) is housed in the housing (1151). For example, a memory chip (1154), a memory chip (1155), and a controller chip (1156) are mounted on the substrate (1153). The memory chip (1155) is a working memory of the controller chip (1156), and, for example, a DOSRAM chip may be used. By also providing the memory chip (1154) on the back side of the substrate (1153), the capacity of the SSD (1150) can be increased. The memory device described in the preceding embodiment can be provided on the memory chip (1154), etc.

본 실시형태에 기재된 구성, 방법 등은 적어도 그 일부를 본 명세서에 기재된 다른 실시형태 등과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.The configurations, methods, etc. described in this embodiment can be implemented by appropriately combining at least some of them with other embodiments, etc. described in this specification.

(실시형태 7)(Embodiment 7)

본 발명의 일 형태에 따른 기억 장치는 CPU, GPU 등의 프로세서 또는 칩에 사용할 수 있다. 이와 같은 CPU, GPU 등의 프로세서 또는 칩을 전자 기기에 사용함으로써, 전자 기기의 저소비 전력화 및 고속화가 가능하다. 도 23의 (A) 내지 (H)에 상기 기억 장치를 사용한 CPU, GPU 등의 프로세서 또는 칩을 가지는 전자 기기의 구체적인 예를 나타내었다.A memory device according to one embodiment of the present invention can be used in a processor or chip such as a CPU or GPU. By using such a processor or chip such as a CPU or GPU in an electronic device, power consumption and speed of the electronic device can be reduced. Specific examples of electronic devices having a processor or chip such as a CPU or GPU using the memory device are shown in (A) to (H) of Figs. 23.

<전자 기기·시스템><Electronic devices/systems>

본 발명의 일 형태에 따른 GPU 또는 칩은 다양한 전자 기기에 탑재할 수 있다. 전자 기기의 예로서는 예를 들어 텔레비전 장치, 데스크톱형 또는 노트북형 정보 단말기용 등의 모니터, 디지털 사이니지(Digital Signage: 전자 간판), 파친코기 등의 대형 게임기 등 비교적 큰 화면을 가지는 전자 기기 외에, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 액자, 전자책 단말기, 휴대 전화기, 휴대용 게임기, 휴대 정보 단말기, 음향 재생 장치 등이 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 따른 GPU 또는 칩을 전자 기기에 제공함으로써 전자 기기에 인공 지능을 탑재할 수 있다.A GPU or chip according to one embodiment of the present invention can be mounted on various electronic devices. Examples of the electronic devices include, in addition to electronic devices having relatively large screens, such as television devices, monitors for desktop or notebook-type information terminals, digital signage, and large game machines such as pachinko machines, digital cameras, digital video cameras, digital picture frames, e-book terminals, mobile phones, portable game machines, portable information terminals, and audio reproduction devices. In addition, by providing a GPU or chip according to one embodiment of the present invention to an electronic device, artificial intelligence can be mounted on the electronic device.

본 발명의 일 형태의 전자 기기는 안테나를 가져도 좋다. 안테나로 신호를 수신함으로써 표시부에서 영상, 정보 등을 표시할 수 있다. 또한 전자 기기가 안테나 및 이차 전지를 가지는 경우 안테나를 비접촉 전력 전송(傳送)에 사용하여도 좋다.An electronic device of one embodiment of the present invention may have an antenna. By receiving a signal through the antenna, an image, information, etc. can be displayed on the display section. In addition, when the electronic device has an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for non-contact power transmission.

본 발명의 일 형태의 전자 기기는 센서(힘, 변위, 위치, 속도, 가속도, 각속도, 회전수, 거리, 광, 액체, 자기, 온도, 화학 물질, 음성, 시간, 경도(硬度), 전기장, 전류, 전압, 전력, 방사선, 유량, 습도, 경사도, 진동, 냄새, 또는 적외선을 검지, 검출, 또는 측정하는 기능을 가지는 것)를 가져도 좋다.An electronic device of one embodiment of the present invention may have a sensor (having a function of detecting, sensing, or measuring force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotational speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor, or infrared ray).

본 발명의 일 형태의 전자 기기는 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 다양한 정보(정지 화상, 동영상, 텍스트 화상 등)를 표시부에 표시하는 기능, 터치 패널 기능, 달력, 날짜, 또는 시각 등을 표시하는 기능, 다양한 소프트웨어(프로그램)를 실행하는 기능, 무선 통신 기능, 기록 매체에 기록된 프로그램 또는 데이터를 판독하는 기능 등을 가질 수 있다. 도 23의 (A) 내지 (H)에 전자 기기의 예를 나타내었다.An electronic device of one embodiment of the present invention may have various functions. For example, it may have a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on a display unit, a touch panel function, a function for displaying a calendar, date, or time, a function for executing various software (programs), a wireless communication function, a function for reading a program or data recorded on a recording medium, etc. Examples of electronic devices are shown in (A) to (H) of FIG. 23.

[정보 단말기][Information Terminal]

도 23의 (A)에는 정보 단말기의 일종인 휴대 전화기(스마트폰)를 도시하였다. 정보 단말기(5100)는 하우징(5101)과 표시부(5102)를 가지고, 입력용 인터페이스로서 터치 패널이 표시부(5102)에 제공되고, 버튼이 하우징(5101)에 제공된다.Fig. 23 (A) illustrates a mobile phone (smartphone), which is a type of information terminal. The information terminal (5100) has a housing (5101) and a display portion (5102), and a touch panel is provided on the display portion (5102) as an input interface, and a button is provided on the housing (5101).

정보 단말기(5100)에 본 발명의 일 형태의 칩을 적용함으로써, 저소비 전력화 및 고속화가 가능하다.By applying a type of chip of the present invention to an information terminal (5100), low power consumption and high speed are possible.

도 23의 (B)에는 노트북형 정보 단말기(5200)를 나타내었다. 노트북형 정보 단말기(5200)는 정보 단말기의 본체(5201)와, 표시부(5202)와, 키보드(5203)를 가진다.Fig. 23 (B) shows a notebook-type information terminal (5200). The notebook-type information terminal (5200) has a main body (5201), a display portion (5202), and a keyboard (5203).

상술한 정보 단말기(5100)와 마찬가지로, 본 발명의 일 형태의 칩을 노트북형 정보 단말기(5200)에 적용함으로써, 저소비 전력화 및 고속화가 가능하다.As with the information terminal (5100) described above, by applying one type of chip of the present invention to a notebook-type information terminal (5200), low power consumption and high speed are possible.

또한 앞에서는 전자 기기로서 스마트폰 및 노트북형 정보 단말기를 예로 들어 각각 도 23의 (A), (B)에 나타내었지만, 스마트폰 및 노트북형 정보 단말기 외의 정보 단말기를 적용할 수 있다. 스마트폰 및 노트북형 정보 단말기 외의 정보 단말기로서는 예를 들어 PDA(Personal Digital Assistant), 데스크톱형 정보 단말기, 워크스테이션 등이 있다.In addition, although the above-described electronic devices, such as smartphones and laptop-type information terminals, were used as examples in Figures 23 (A) and (B), respectively, information terminals other than smartphones and laptop-type information terminals can be applied. Information terminals other than smartphones and laptop-type information terminals include, for example, PDAs (Personal Digital Assistants), desktop-type information terminals, and workstations.

[게임기][Game console]

도 23의 (C)는 게임기의 일례인 휴대용 게임기(5300)를 나타낸 것이다. 휴대용 게임기(5300)는 하우징(5301), 하우징(5302), 하우징(5303), 표시부(5304), 접속부(5305), 조작 키(5306) 등을 가진다. 하우징(5302) 및 하우징(5303)은 하우징(5301)에서 떼어낼 수 있다. 하우징(5301)에 제공된 접속부(5305)를 다른 하우징(도시하지 않았음)에 장착함으로써, 표시부(5304)에 출력되는 영상을 다른 영상 기기(도시하지 않았음)에 출력할 수 있다. 이때 하우징(5302) 및 하우징(5303)은 각각 조작부로서 기능할 수 있다. 이에 의하여, 복수의 플레이어가 동시에 게임을 할 수 있다. 하우징(5301), 하우징(5302), 및 하우징(5303)의 기판에 제공된 칩 등에 앞의 실시형태에서 설명한 칩을 제공할 수 있다.Fig. 23 (C) illustrates a portable game machine (5300) which is an example of a game machine. The portable game machine (5300) has a housing (5301), a housing (5302), a housing (5303), a display portion (5304), a connection portion (5305), operation keys (5306), etc. The housing (5302) and the housing (5303) can be removed from the housing (5301). By attaching the connection portion (5305) provided on the housing (5301) to another housing (not shown), an image output to the display portion (5304) can be output to another image device (not shown). At this time, the housing (5302) and the housing (5303) can each function as an operation portion. Thereby, multiple players can play the game simultaneously. The chips described in the preceding embodiments can be provided on the substrates of the housing (5301), the housing (5302), and the housing (5303).

또한 도 23의 (D)는 게임기의 일례인 거치형 게임기(5400)를 나타낸 것이다. 거치형 게임기(5400)에는 무선 또는 유선으로 컨트롤러(5402)가 접속된다.Also, Fig. 23 (D) shows a stationary game machine (5400), which is an example of a game machine. A controller (5402) is connected wirelessly or by wire to the stationary game machine (5400).

휴대용 게임기(5300), 거치형 게임기(5400) 등의 게임기에 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩을 적용함으로써 소비 전력이 낮은 게임기를 실현할 수 있다. 또한 소비 전력이 낮으면 회로로부터의 발열을 저감할 수 있기 때문에, 발열로 인한 그 회로 자체, 주변 회로, 및 모듈에 대한 영향을 줄일 수 있다.By applying a GPU or chip of one form of the present invention to a game machine such as a portable game machine (5300) or a home game machine (5400), a game machine with low power consumption can be realized. In addition, since low power consumption can reduce heat generation from a circuit, the impact of heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules can be reduced.

또한 휴대용 게임기(5300)에 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩을 적용함으로써, 저소비 전력화 및 고속화가 가능하다.In addition, by applying a GPU or chip of one form of the present invention to a portable game device (5300), low power consumption and high speed are possible.

도 23의 (C), (D)에서는 게임기의 일례로서 휴대용 게임기 및 거치형 게임기를 나타내었지만, 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩을 적용하는 게임기는 이들에 한정되지 않는다. 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩을 적용하는 게임기로서는 예를 들어 오락 시설(오락실, 놀이공원 등)에 설치되는 아케이드 게임기, 스포츠 시설에 설치되는 배팅 연습용 피칭 머신 등이 있다.In Figs. 23(C) and (D), a portable game machine and a home game machine are shown as examples of game machines, but game machines applying a GPU or chip of one embodiment of the present invention are not limited to these. Examples of game machines applying a GPU or chip of one embodiment of the present invention include arcade game machines installed in entertainment facilities (game rooms, amusement parks, etc.) and pitching machines for batting practice installed in sports facilities.

[대형 컴퓨터][large computer]

본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩은 대형 컴퓨터에 적용할 수 있다.A GPU or chip of one form of the present invention can be applied to large computers.

도 23의 (E)는 대형 컴퓨터의 일례인 슈퍼컴퓨터(5500)를 나타낸 도면이다. 도 23의 (F)는 슈퍼컴퓨터(5500)가 가지는 랙 마운트형 계산기(5502)를 나타낸 도면이다.Fig. 23 (E) is a drawing showing a supercomputer (5500), which is an example of a large computer. Fig. 23 (F) is a drawing showing a rack-mounted calculator (5502) included in the supercomputer (5500).

슈퍼컴퓨터(5500)는 랙(5501)과, 복수의 랙 마운트형 계산기(5502)를 가진다. 또한 복수의 계산기(5502)는 랙(5501)에 격납되어 있다. 또한 계산기(5502)에는 복수의 기판(5504)이 제공되고, 상기 기판 위에 앞의 실시형태에서 설명한 GPU 또는 칩을 탑재할 수 있다.A supercomputer (5500) has a rack (5501) and a plurality of rack-mounted calculators (5502). In addition, a plurality of calculators (5502) are stored in the rack (5501). In addition, a plurality of substrates (5504) are provided in the calculator (5502), and a GPU or chip described in the preceding embodiment can be mounted on the substrate.

슈퍼컴퓨터(5500)는 주로 과학 기술 계산에 이용되는 대형 컴퓨터이다. 과학 기술 계산에서는 방대한 연산을 고속으로 처리할 필요가 있기 때문에, 소비 전력이 높고 칩의 발열이 크다. 슈퍼컴퓨터(5500)에 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩을 적용함으로써 소비 전력이 낮은 슈퍼컴퓨터를 실현할 수 있다. 또한 소비 전력이 낮으면 회로로부터의 발열을 저감할 수 있기 때문에, 발열로 인한 그 회로 자체, 주변 회로, 및 모듈에 대한 영향을 줄일 수 있다.The supercomputer (5500) is a large computer mainly used for scientific and technological calculations. Since scientific and technological calculations require high-speed processing of massive calculations, power consumption is high and chip heat generation is large. By applying a GPU or chip of one form of the present invention to the supercomputer (5500), a supercomputer with low power consumption can be realized. In addition, since low power consumption can reduce heat generation from a circuit, the impact on the circuit itself, peripheral circuits, and modules due to heat generation can be reduced.

도 23의 (E), (F)에서는 대형 컴퓨터의 일례로서 슈퍼컴퓨터를 나타내었지만, 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩이 적용되는 대형 컴퓨터는 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩이 적용되는 대형 컴퓨터로서는 예를 들어 서비스를 제공하는 컴퓨터(서버), 대형 범용 컴퓨터(메인 프레임) 등이 있다.In Figs. 23(E) and (F), a supercomputer is shown as an example of a large computer, but a large computer to which a GPU or chip of one embodiment of the present invention is applied is not limited to this. Examples of large computers to which a GPU or chip of one embodiment of the present invention is applied include a computer providing a service (server), a large general-purpose computer (mainframe), etc.

[이동체][Moving Object]

본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩은 이동체인 자동차, 및 자동차의 운전석 주변에 적용할 수 있다.A GPU or chip of one form of the present invention can be applied to a mobile vehicle, and to the area around the driver's seat of the vehicle.

도 23의 (G)는 이동체의 일례인 자동차의 실내에서의 앞유리 주변을 나타낸 것이다. 도 23의 (G)에서는 대시 보드에 장착된 표시 패널(5701), 표시 패널(5702), 표시 패널(5703) 외에, 필러에 장착된 표시 패널(5704)을 나타내었다.Fig. 23 (G) shows the area around the windshield in the interior of an automobile, which is an example of a mobile body. Fig. 23 (G) shows, in addition to the display panel (5701), display panel (5702), and display panel (5703) mounted on the dashboard, a display panel (5704) mounted on a pillar.

표시 패널(5701) 내지 표시 패널(5703)은 속도계, 회전 속도계, 주행 거리, 연료계, 기어 상태, 에어컨디셔너의 설정 등을 표시함으로써 다양한 정보를 제공할 수 있다. 또한 표시 패널에 표시되는 표시 항목, 레이아웃 등은 사용자의 취향에 따라 적절히 변경할 수 있기 때문에 디자인성을 높일 수 있다. 표시 패널(5701) 내지 표시 패널(5703)은 조명 장치로서 사용할 수도 있다.The display panel (5701) to the display panel (5703) can provide various information by displaying a speedometer, a tachometer, a driving distance, a fuel gauge, gear status, air conditioner settings, etc. In addition, since the display items, layout, etc. displayed on the display panel can be appropriately changed according to the user's preference, the design can be improved. The display panel (5701) to the display panel (5703) can also be used as a lighting device.

표시 패널(5704)에는 자동차에 제공된 촬상 장치(도시하지 않았음)로부터의 영상을 표시함으로써, 필러로 가려진 시계(사각(死角))를 보완할 수 있다. 즉 자동차의 외측에 제공된 촬상 장치로부터의 화상을 표시함으로써, 사각을 보완하여 안전성을 높일 수 있다. 또한 보이지 않는 부분을 보완하는 영상을 표시함으로써, 더 자연스럽고 위화감 없이 안전을 확인할 수 있다. 표시 패널(5704)은 조명 장치로서 사용할 수도 있다.The display panel (5704) can compensate for blind spots (blind spots) covered by fillers by displaying images from an imaging device (not shown) provided in the car. That is, by displaying images from an imaging device provided on the outside of the car, blind spots can be compensated for and safety can be improved. In addition, by displaying images that compensate for invisible parts, safety can be confirmed more naturally and without discomfort. The display panel (5704) can also be used as a lighting device.

본 발명의 일 형태의 GPU 또는 칩은 인공 지능의 구성 요소로서 적용할 수 있기 때문에, 예를 들어 상기 칩을 자동차의 자율 주행 시스템에 사용할 수 있다. 또한 상기 칩을 도로 안내, 위험 예측 등을 하는 시스템에 사용할 수 있다. 표시 패널(5701) 내지 표시 패널(5704)에는 도로 안내, 위험 예측 등의 정보를 표시하는 구성을 적용하여도 좋다.Since the GPU or chip of one form of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence, for example, the chip can be used in an autonomous driving system of an automobile. In addition, the chip can be used in a system for providing road guidance, risk prediction, etc. A configuration for displaying information such as road guidance, risk prediction, etc. may be applied to the display panel (5701) to the display panel (5704).

또한 앞에서는 이동체의 일례로서 자동차에 대하여 설명하였지만, 이동체는 자동차에 한정되지 않는다. 예를 들어 이동체로서는 전철, 모노레일, 선박, 비행체(헬리콥터, 무인 항공기(드론), 비행기, 로켓) 등도 있고, 이들 이동체에 본 발명의 일 형태의 칩을 적용하여 인공 지능을 이용한 시스템을 부여할 수 있다.In addition, although an automobile was described above as an example of a mobile body, the mobile body is not limited to an automobile. For example, there are also trains, monorails, ships, and aircraft (helicopters, unmanned aerial vehicles (drones), airplanes, rockets), etc. as mobile bodies, and by applying a type of chip of the present invention to these mobile bodies, a system utilizing artificial intelligence can be provided.

[전자 제품][Electronics]

도 23의 (H)는 전자 제품의 일례인 전기 냉동 냉장고(5800)를 나타낸 것이다. 전기 냉동 냉장고(5800)는 하우징(5801), 냉장실용 문(5802), 냉동실용 문(5803) 등을 가진다.Fig. 23 (H) illustrates an electric refrigerator-freezer (5800), which is an example of an electronic product. The electric refrigerator-freezer (5800) has a housing (5801), a refrigerator door (5802), a freezer door (5803), etc.

전기 냉동 냉장고(5800)에 본 발명의 일 형태의 칩을 적용함으로써, 인공 지능을 가지는 전기 냉동 냉장고(5800)를 실현할 수 있다. 인공 지능을 이용함으로써, 전기 냉동 냉장고(5800)는 전기 냉동 냉장고(5800)에 보관되어 있는 식재료, 그 식재료의 소비 기한 등을 바탕으로 식단을 자동 생성하는 기능, 전기 냉동 냉장고(5800)에 보관되어 있는 식재료에 적합한 온도로 자동으로 조절하는 기능 등을 가질 수 있다.By applying one type of chip of the present invention to an electric refrigerator-freezer (5800), an electric refrigerator-freezer (5800) having artificial intelligence can be realized. By utilizing artificial intelligence, the electric refrigerator-freezer (5800) can have a function of automatically generating a menu based on ingredients stored in the electric refrigerator-freezer (5800), the expiration date of the ingredients, etc., a function of automatically adjusting the temperature to an appropriate temperature for ingredients stored in the electric refrigerator-freezer (5800), etc.

전자 제품의 일례로서 전기 냉동 냉장고에 대하여 설명하였지만, 그 외의 전자 제품으로서는 예를 들어 청소기, 전자 레인지, 전기 오븐, 밥솥, 온수기, IH 조리기, 생수기, 에어컨디셔너를 포함한 냉난방 기구, 세탁기, 건조기, 오디오 비주얼 기기(audio visual appliance) 등이 있다.As an example of an electronic product, an electric refrigerator was described, but other electronic products include, for example, vacuum cleaners, microwave ovens, electric ovens, rice cookers, water heaters, IH cookers, water purifiers, air conditioners, and other heating and cooling appliances, washing machines, dryers, and audio visual appliances.

본 실시형태에서 설명한 전자 기기, 그 전자 기기의 기능, 인공 지능의 응용예, 그 효과 등은 다른 전자 기기에 관한 기재와 적절히 조합할 수 있다.The electronic device described in this embodiment, the functions of the electronic device, the application examples of artificial intelligence, the effects thereof, etc. can be appropriately combined with descriptions of other electronic devices.

본 실시형태에 기재된 구성, 방법 등은 적어도 그 일부를 본 명세서에 기재된 다른 실시형태 등과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.The configurations, methods, etc. described in this embodiment can be implemented by appropriately combining at least some of them with other embodiments, etc. described in this specification.

(실시형태 8)(Embodiment 8)

본 발명의 일 형태의 기억 장치는 OS 트랜지스터를 포함한다. 상기 OS 트랜지스터는 방사선 조사로 인한 전기 특성의 변동이 작다. 즉 방사선에 대한 내성이 높기 때문에, 방사선이 입사할 수 있는 환경에서 적합하게 사용할 수 있다. 예를 들어 OS 트랜지스터는 우주 공간에서 사용되는 경우에 적합하다. 본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 기억 장치를 우주용 기기에 적용하는 경우의 구체적인 예에 대하여 도 24를 사용하여 설명한다.One form of a memory device of the present invention includes an OS transistor. The OS transistor has a small fluctuation in electrical characteristics due to radiation exposure. That is, since it has high resistance to radiation, it can be suitably used in an environment where radiation may be incident. For example, the OS transistor is suitable for use in space. In this embodiment, a specific example of applying one form of a memory device of the present invention to a space device will be described using FIG. 24.

도 24에는 우주용 기기의 일례로서 인공위성(6800)을 나타내었다. 인공위성(6800)은 기체(6801)와, 태양 전지판(6802)과, 안테나(6803)와, 이차 전지(6805)와, 제어 장치(6807)를 가진다. 또한 도 24에서는 우주 공간에 행성(6804)을 예시하였다. 또한 우주 공간이란, 예를 들어 고도 100km 이상을 가리키지만, 본 명세서에 기재된 우주 공간은 열권, 중간권, 및 성층권을 포함하여도 좋다.Fig. 24 shows an artificial satellite (6800) as an example of a space device. The artificial satellite (6800) has a body (6801), a solar panel (6802), an antenna (6803), a secondary battery (6805), and a control device (6807). Also, Fig. 24 shows a planet (6804) in space as an example. In addition, space refers to, for example, an altitude of 100 km or higher, but the space described in this specification may include the thermosphere, the mesosphere, and the stratosphere.

또한 우주 공간은 지상에 비하여 방사선량이 100배 이상 높은 환경이다. 또한 방사선으로서, 예를 들어 X선 및 감마선으로 대표되는 전자기파(전자기 방사선), 그리고 알파선, 베타선, 중성자선, 양자선, 중이온선, 중간자선 등으로 대표되는 입자 방사선이 있다.Also, space is an environment where radiation is 100 times higher than on the ground. In addition, as radiation, there are electromagnetic waves (electromagnetic radiation) such as X-rays and gamma rays, and particle radiation such as alpha rays, beta rays, neutron rays, proton rays, heavy ion rays, and meson rays.

태양 전지판(6802)에 태양광이 조사됨으로써 인공위성(6800)이 동작하기 위하여 필요한 전력이 생성된다. 그러나 예를 들어 태양 전지판에 태양광이 조사되지 않는 상황, 또는 태양 전지판에 조사되는 태양광의 양이 적은 상황에서는 생성되는 전력이 낮아진다. 따라서 인공위성(6800)이 동작하기 위하여 필요한 전력이 생성되지 않을 가능성이 있다. 생성되는 전력이 낮은 상황에서도 인공위성(6800)을 동작시키기 위하여, 인공위성(6800)에 이차 전지(6805)를 제공하는 것이 좋다. 또한 태양 전지판은 태양 전지 모듈이라고 불리는 경우가 있다.The power required for the operation of the satellite (6800) is generated when sunlight is irradiated on the solar panel (6802). However, for example, in a situation where sunlight is not irradiated on the solar panel, or in a situation where the amount of sunlight irradiated on the solar panel is small, the generated power is low. Therefore, there is a possibility that the power required for the operation of the satellite (6800) is not generated. In order to operate the satellite (6800) even in a situation where the generated power is low, it is preferable to provide a secondary battery (6805) to the satellite (6800). In addition, the solar panel is sometimes called a solar cell module.

인공위성(6800)은 신호를 생성할 수 있다. 상기 신호는 안테나(6803)를 통하여 송신되고, 예를 들어 지상에 제공된 수신기 또는 다른 인공위성이 상기 신호를 수신할 수 있다. 인공위성(6800)이 송신한 신호가 수신됨으로써, 상기 신호를 수신한 수신기의 위치를 측정할 수 있다. 이로써 인공위성(6800)은 위성 측위 시스템을 구성할 수 있다.The satellite (6800) can generate a signal. The signal is transmitted through the antenna (6803), and, for example, a receiver provided on the ground or another satellite can receive the signal. By receiving the signal transmitted by the satellite (6800), the position of the receiver that received the signal can be measured. As a result, the satellite (6800) can constitute a satellite positioning system.

또한 제어 장치(6807)는 인공위성(6800)을 제어하는 기능을 가진다. 제어 장치(6807)는 예를 들어 CPU, GPU, 및 기억 장치 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 사용하여 구성된다. 또한 제어 장치(6807)에는 본 발명의 일 형태인 OS 트랜지스터를 포함하는 기억 장치를 사용하는 것이 적합하다. OS 트랜지스터는 Si 트랜지스터에 비하여 방사선 조사로 인한 전기 특성의 변동이 작다. 즉 방사선이 입사할 수 있는 환경에서도 신뢰성이 높기 때문에 적합하게 사용할 수 있다.In addition, the control device (6807) has a function of controlling the artificial satellite (6800). The control device (6807) is configured by using, for example, one or more selected from a CPU, a GPU, and a memory device. In addition, it is suitable for the control device (6807) to use a memory device including an OS transistor, which is one embodiment of the present invention. The OS transistor has a smaller fluctuation in electrical characteristics due to radiation exposure than a Si transistor. In other words, it can be suitably used because it has high reliability even in an environment where radiation may be incident.

또한 인공위성(6800)은 센서를 가지는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 가시광 센서를 가지는 구성으로 함으로써, 인공위성(6800)은 지상에 제공된 물체에 부딪혀 반사된 태양광을 검출하는 기능을 가질 수 있다. 또는 열 적외 센서를 가지는 구성으로 함으로써, 인공위성(6800)은 지표로부터 방출되는 열 적외선을 검출하는 기능을 가질 수 있다. 이로써 인공위성(6800)은 예를 들어 지구 관측 위성으로서의 기능을 가질 수 있다.In addition, the satellite (6800) may be configured to have a sensor. For example, by having a visible light sensor, the satellite (6800) may have a function of detecting sunlight reflected by an object provided on the ground. Or, by having a thermal infrared sensor, the satellite (6800) may have a function of detecting thermal infrared emitted from the ground. As a result, the satellite (6800) may have a function as an earth observation satellite, for example.

또한 본 실시형태에서는 우주용 기기의 일례로서 인공위성을 나타내었지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 본 발명의 일 형태의 기억 장치는 우주선, 우주 캡슐, 우주 탐사선 등의 우주용 기기에 적합하게 사용할 수 있다.In addition, although an artificial satellite is shown as an example of a space device in this embodiment, it is not limited thereto. For example, a memory device of one form of the present invention can be suitably used in space devices such as a spacecraft, a space capsule, or a space probe.

ADDR: 신호, BL[1]: 배선, BL[j]: 배선, BL[n]: 배선, BL_A: 배선, BL_B: 배선, BL: 배선, BW: 신호, CE: 신호, CLK: 신호, EN_data: 신호, GBL_A: 배선, GBL_B: 배선, GBL: 배선, GW: 신호, MUX: 선택 신호, PL[1]: 배선, PL[i]: 배선, PL[m]: 배선, PL: 배선, RDA: 신호, RE: 제어 신호, Tr: 트랜지스터, VDD: 고전원 전위, VHH: 배선, VLL: 배선, VPC: 중간 전위, VSS: 저전원 전위, WAKE: 신호, WDA: 신호, WE: 제어 신호, WL[1]: 배선, WL[i]: 배선, WL[m]: 배선, WL: 배선, 10_A: 메모리 셀, 10_B: 메모리 셀, 10: 메모리 셀, 11: 트랜지스터, 12: 용량 소자, 20: 메모리 어레이, 21: 구동 회로, 22: PSW, 23: PSW, 31: 주변 회로, 32: 컨트롤 회로, 33: 전압 생성 회로, 41: 주변 회로, 42: 행 디코더, 43: 행 드라이버, 44: 열 디코더, 45: 열 드라이버, 46: 감지 증폭기, 47: 입력 회로, 48: 출력 회로, 50: 기능층, 51_A: 기능 회로, 51_B: 기능 회로, 51: 기능 회로, 52_a: 트랜지스터, 52_b: 트랜지스터, 53_a: 트랜지스터, 53_b: 트랜지스터, 54_a: 트랜지스터, 54_b: 트랜지스터, 55_a: 트랜지스터, 55_b: 트랜지스터, 70: 반복 단위, 71_A: 프리차지 회로, 71_B: 프리차지 회로, 72_A: 스위치 회로, 72_B: 스위치 회로, 73: 기록 판독 회로, 81_1: 트랜지스터, 81_3: 트랜지스터, 81_4: 트랜지스터, 81_6: 트랜지스터, 82_1: 트랜지스터, 82_2: 트랜지스터, 82_3: 트랜지스터, 82_4: 트랜지스터, 83_A: 스위치, 83_B: 스위치, 83_C: 스위치, 83_D: 스위치, 100a: 용량 소자, 100b: 용량 소자, 100c: 용량 소자, 100d: 용량 소자, 100: 용량 소자, 110: 도전체, 120: 도전체, 130: 절연체, 140: 절연체, 150a: 메모리 셀, 150b: 메모리 셀, 150c: 메모리 셀, 150d: 메모리 셀, 150: 메모리 셀, 160a: 메모리 유닛, 160b: 메모리 유닛, 160c: 메모리 유닛, 160d: 메모리 유닛, 160: 메모리 유닛, 200a: 트랜지스터, 200b: 트랜지스터, 200c: 트랜지스터, 200d: 트랜지스터, 200: 트랜지스터, 230A: 산화물 반도체막, 230: 산화물 반도체, 240: 도전체, 245: 도전체, 246: 도전체, 250A: 절연막, 250: 절연체, 254: 절연체, 260: 도전체, 265: 도전체, 280: 절연체, 281: 절연체, 285: 절연체, 287: 절연체, 289: 절연체, 290: 개구, 300A: 기억 장치, 300: 기억 장치, 610: 기판, 611a: 전구체, 611b: 전구체, 612a: 반응제, 612b: 반응제, 613a: 산화물, 613b: 산화물, 613c: 산화물, 621: 층, 622: 층, 631: 층, 641: 층, 650: 구조체, 653: 영역, 654: 영역, 660: 산화물, 662: 산화물, 700: 전자 부품, 702: 인쇄 기판, 704: 실장 기판, 711: 몰드, 712: 랜드, 713: 전극 패드, 714: 와이어, 720: 기억 장치, 721: 구동 회로층, 722: 기억 회로층, 730: 전자 부품, 731: 인터포저, 732: 패키지 기판, 733: 전극, 735: 반도체 장치, 1100: USB 메모리, 1101: 하우징, 1102: 캡, 1103: USB 커넥터, 1104: 기판, 1105: 메모리 칩, 1106: 컨트롤러 칩, 1110: SD 카드, 1111: 하우징, 1112: 커넥터, 1113: 기판, 1114: 메모리 칩, 1115: 컨트롤러 칩, 1150: SSD, 1151: 하우징, 1152: 커넥터, 1153: 기판, 1154: 메모리 칩, 1155: 메모리 칩, 1156: 컨트롤러 칩, 1200: 칩, 1201: 패키지 기판, 1202: 범프, 1203: 머더보드, 1204: GPU 모듈, 1211: CPU, 1212: GPU, 1213: 아날로그 연산부, 1214: 메모리 컨트롤러, 1215: 인터페이스, 1216: 네트워크 회로, 1221: DRAM, 1222: 플래시 메모리, 5100: 정보 단말기, 5101: 하우징, 5102: 표시부, 5200: 노트북형 정보 단말기, 5201: 본체, 5202: 표시부, 5203: 키보드, 5300: 휴대용 게임기, 5301: 하우징, 5302: 하우징, 5303: 하우징, 5304: 표시부, 5305: 접속부, 5306: 조작 키, 5400: 거치형 게임기, 5402: 컨트롤러, 5500: 슈퍼 컴퓨터, 5501: 랙, 5502: 계산기, 5504: 기판, 5701: 표시 패널, 5702: 표시 패널, 5703: 표시 패널, 5704: 표시 패널, 5800: 전기 냉동 냉장고, 5801: 하우징, 5802: 냉장실용 문, 5803: 냉동실용 문, 6800: 인공위성, 6801: 기체, 6802: 태양 전지판, 6803: 안테나, 6804: 행성, 6805: 이차 전지, 6807: 제어 장치ADDR: signal, BL[1]: wiring, BL[j]: wiring, BL[n]: wiring, BL_A: wiring, BL_B: wiring, BL: wiring, BW: signal, CE: signal, CLK: signal, EN_data: signal, GBL_A: wiring, GBL_B: wiring, GBL: wiring, GW: signal, MUX: select signal, PL[1]: wiring, PL[i]: wiring, PL[m]: wiring, PL: wiring, RDA: signal, RE: control signal, Tr: transistor, VDD: high power potential, VHH: wiring, VLL: wiring, VPC: middle power potential, VSS: low power potential, WAKE: signal, WDA: signal, WE: control signal, WL[1]: wiring, WL[i]: wiring, WL[m]: wiring, WL: wiring, 10_A: memory cell, 10_B: memory cell, 10: memory cell, 11: transistor, 12: capacitive element, 20: memory array, 21: driver circuit, 22: PSW, 23: PSW, 31: peripheral circuit, 32: control circuit, 33: voltage generation circuit, 41: peripheral circuit, 42: row decoder, 43: row driver, 44: column decoder, 45: column driver, 46: sense amplifier, 47: input circuit, 48: output circuit, 50: functional layer, 51_A: functional circuit, 51_B: functional circuit, 51: functional circuit, 52_a: transistor, 52_b: transistor, 53_a: transistor, 53_b: transistor, 54_a: transistor, 54_b: transistor, 55_a: transistor, 55_b: transistor, 70: repeating unit, 71_A: precharge circuit, 71_B: precharge circuit, 72_A: switch circuit, 72_B: switch circuit, 73: read-write circuit, 81_1: transistor, 81_3: transistor, 81_4: transistor, 81_6: transistor, 82_1: transistor, 82_2: transistor, 82_3: transistor, 82_4: transistor, 83_A: switch, 83_B: switch, 83_C: switch, 83_D: switch, 100a: capacitive element, 100b: capacitive element, 100c: capacitive element, 100d: capacitive element, 100: capacitive element, 110: conductor, 120: conductor, 130: insulator, 140: insulator, 150a: memory cell, 150b: memory cell, 150c: memory cell, 150d: memory cell, 150: memory cell, 160a: memory unit, 160b: memory unit, 160c: memory unit, 160d: memory unit, 160: memory unit, 200a: transistor, 200b: transistor, 200c: transistor, 200d: transistor, 200: transistor, 230A: oxide semiconductor film, 230: oxide semiconductor, 240: conductor, 245: conductor, 246: conductor, 250A: insulating film, 250: insulator, 254: insulator, 260: conductor, 265: conductor, 280: insulator, 281: insulator, 285: insulator, 287: insulator, 289: insulator, 290: opening, 300A: memory device, 300: memory device, 610: substrate, 611a: precursor, 611b: precursor, 612a: reactant, 612b: reactant, 613a: oxide, 613b: oxide, 613c: oxide, 621: layer, 622: layer, 631: layer, 641: layer, 650: structure, 653: region, 654: region, 660: oxide, 662: oxide, 700: electronic component, 702: printed circuit board, 704: mounting board, 711: mold, 712: land, 713: electrode pad, 714: wire, 720: memory device, 721: drive circuit layer, 722: memory circuit layer, 730: electronic component, 731: interposer, 732: package substrate, 733: electrode, 735: semiconductor device, 1100: USB memory, 1101: housing, 1102: cap, 1103: USB connector, 1104: board, 1105: memory chip, 1106: controller chip, 1110: SD card, 1111: housing, 1112: connector, 1113: board, 1114: memory chip, 1115: controller chip, 1150: SSD, 1151: housing, 1152: connector, 1153: board, 1154: memory chip, 1155: memory chip, 1156: controller chip, 1200: chip, 1201: package board, 1202: bump, 1203: motherboard, 1204: GPU module, 1211: CPU, 1212: GPU, 1213: analog operation unit, 1214: memory controller, 1215: interface, 1216: network circuit, 1221: DRAM, 1222: flash memory, 5100: information terminal, 5101: housing, 5102: display unit, 5200: notebook type information terminal, 5201: main body, 5202: display unit, 5203: keyboard, 5300: portable game machine, 5301: housing, 5302: housing, 5303: housing, 5304: display unit, 5305: connection unit, 5306: operation key, 5400: stationary game machine, 5402: controller, 5500: supercomputer, 5501: rack, 5502: calculator, 5504: substrate, 5701: display panel, 5702: display panel, 5703: display panel, 5704: display panel, 5800: Electric refrigerator, 5801: Housing, 5802: Door for refrigerator, 5803: Door for freezer, 6800: Satellite, 6801: Airframe, 6802: Solar panel, 6803: Antenna, 6804: Planet, 6805: Secondary battery, 6807: Control device

Claims (13)

기억 장치로서,
용량 소자와, 상기 용량 소자 위의 트랜지스터와, 상기 용량 소자 위의 제 1 절연체와, 상기 제 1 절연체 위의 제 2 절연체를 가지고,
상기 트랜지스터는
상기 제 1 절연체 아래의 제 1 도전체와,
상기 제 1 도전체의 상면에 접하여 배치된 산화물 반도체와,
상기 제 1 절연체와 상기 제 2 절연체 사이에 배치되고, 상기 산화물 반도체에 접하는 제 2 도전체와,
상기 산화물 반도체 위의 제 3 절연체와,
상기 제 3 절연체 위의 제 3 도전체를 가지고,
상기 제 1 절연체, 상기 제 2 도전체, 및 상기 제 2 절연체에 상기 제 1 도전체에 달하는 제 1 개구가 형성되고,
상기 산화물 반도체의 적어도 일부, 상기 제 3 절연체의 적어도 일부, 및 상기 제 3 도전체의 적어도 일부는 상기 제 1 개구 내에 배치되고,
상기 용량 소자는
제 4 도전체와,
상기 제 4 도전체 위의 제 4 절연체와,
상기 제 4 절연체 위의 제 1 도전체를 가지는, 기억 장치.
As a memory device,
Having a capacitive element, a transistor on the capacitive element, a first insulator on the capacitive element, and a second insulator on the first insulator,
The above transistor
A first conductor under the first insulator, and
An oxide semiconductor arranged in contact with the upper surface of the first conductor,
A second conductor disposed between the first insulator and the second insulator and in contact with the oxide semiconductor,
A third insulator on the above oxide semiconductor, and
Having a third conductor on the third insulator,
The first insulator, the second conductor, and a first opening reaching the first conductor are formed in the second insulator,
At least a portion of the oxide semiconductor, at least a portion of the third insulator, and at least a portion of the third conductor are disposed within the first opening,
The above capacitive element
The 4th challenger,
A fourth insulator on the fourth conductor, and
A memory device having a first conductor on the fourth insulator.
기억 장치로서,
용량 소자와, 상기 용량 소자 위의 트랜지스터와, 상기 용량 소자 위의 제 1 절연체와, 상기 제 1 절연체 위의 제 2 절연체를 각각 포함하는 제 1 층 및 제 2 층을 가지고,
상기 제 2 층은 상기 제 1 층 위에 적층되고,
상기 트랜지스터는
상기 제 1 절연체 아래의 제 1 도전체와,
상기 제 1 도전체의 상면에 접하여 배치된 산화물 반도체와,
상기 제 1 절연체와 상기 제 2 절연체 사이에 배치되고, 상기 산화물 반도체에 접하는 제 2 도전체와,
상기 산화물 반도체 위의 제 3 절연체와,
상기 제 3 절연체 위의 제 3 도전체를 가지고,
상기 제 1 절연체, 상기 제 2 도전체, 및 상기 제 2 절연체에, 상기 제 1 도전체에 달하는 제 1 개구가 형성되고,
상기 산화물 반도체의 적어도 일부, 상기 제 3 절연체의 적어도 일부, 및 상기 제 3 도전체의 적어도 일부는 상기 제 1 개구 내에 배치되고,
상기 용량 소자는
제 4 도전체와,
상기 제 4 도전체 위의 제 4 절연체와,
상기 제 4 절연체 위의 상기 제 1 도전체를 가지고,
상기 제 1 층의 상기 제 2 절연체 및 상기 제 2 층의 상기 제 1 절연체에 제 2 개구가 형성되고,
상기 제 2 개구 내에 제 5 도전체를 가지고,
상기 제 5 도전체는 상기 제 1 층의 상기 제 2 도전체의 상면에 접하고, 또한 상기 제 2 층의 상기 제 2 도전체의 하면에 접하는, 기억 장치.
As a memory device,
Having a first layer and a second layer, each including a capacitor, a transistor over the capacitor, a first insulator over the capacitor, and a second insulator over the first insulator,
The second layer is laminated on the first layer,
The above transistor
A first conductor under the first insulator, and
An oxide semiconductor arranged in contact with the upper surface of the first conductor,
A second conductor disposed between the first insulator and the second insulator and in contact with the oxide semiconductor,
A third insulator on the above oxide semiconductor, and
Having a third conductor on the third insulator,
In the first insulator, the second conductor, and the second insulator, a first opening reaching the first conductor is formed,
At least a portion of the oxide semiconductor, at least a portion of the third insulator, and at least a portion of the third conductor are disposed within the first opening,
The above capacitive element
The 4th challenger,
A fourth insulator on the fourth conductor, and
Having the first conductor on the fourth insulator,
A second opening is formed in the second insulator of the first layer and in the first insulator of the second layer,
Having a fifth conductor within the second opening,
A memory device, wherein the fifth conductor is in contact with the upper surface of the second conductor of the first layer and also in contact with the lower surface of the second conductor of the second layer.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 3 도전체의 상면에 접하여 제 6 도전체를 가지고,
상기 제 2 도전체는 제 1 방향으로 신장되어 형성되고,
상기 제 6 도전체는 제 2 방향으로 신장되어 형성되고,
상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향은 서로 교차되는, 기억 장치.
In claim 1 or 2,
Having a sixth conductor in contact with the upper surface of the third conductor,
The second conductor is formed by extending in the first direction,
The above sixth conductor is formed by extending in the second direction,
A memory device wherein the first direction and the second direction intersect each other.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 도전체는 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로서 기능하고,
상기 제 2 도전체는 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽으로서 기능하고,
상기 제 3 도전체는 게이트 전극으로서 기능하는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 3,
The above first conductor functions as one of the source electrode and the drain electrode,
The second conductor functions as the other of the source electrode and the drain electrode,
A memory device, wherein the third conductor functions as a gate electrode.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 반도체의 일부, 상기 제 3 절연체의 일부, 및 상기 제 3 도전체의 일부가 상기 제 2 절연체 위에 위치하는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 4,
A memory device, wherein a portion of the oxide semiconductor, a portion of the third insulator, and a portion of the third conductor are positioned on the second insulator.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
평면에서 보았을 때 상기 산화물 반도체의 측단부(側端部)와 상기 제 3 절연체의 측단부가 실질적으로 일치하는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 5,
A memory device, wherein when viewed from a plane, the side edge of the oxide semiconductor and the side edge of the third insulator substantially coincide.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
평면에서 보았을 때 상기 제 3 도전체의 측단부가 상기 산화물 반도체의 측단부 및 상기 제 3 절연체의 측단부보다 내측에 위치하는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 6,
A memory device, wherein, when viewed from a plane, the side edge of the third conductor is positioned inside the side edge of the oxide semiconductor and the side edge of the third insulator.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
평면에서 보았을 때 상기 제 1 개구는 원형상 또는 대략 원형상인, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 7,
A memory device, wherein the first opening is circular or approximately circular when viewed from a plane.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 3 절연체와 상기 제 3 도전체 사이에 제 5 절연체를 가지고,
상기 제 5 절연체는 상기 산화물 반도체의 측단부 및 상기 제 3 절연체의 측단부를 덮는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 8,
Having a fifth insulator between the third insulator and the third conductor,
A memory device, wherein the fifth insulator covers the side edge of the oxide semiconductor and the side edge of the third insulator.
제 9 항에 있어서,
상기 제 5 절연체는 질화 실리콘인, 기억 장치.
In Article 9,
A memory device, wherein the fifth insulator is silicon nitride.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 In, Ga, 및 Zn 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 가지는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 10,
A memory device wherein the oxide semiconductor has one or more selected from In, Ga, and Zn.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 상기 제 1 개구의 측벽에 실질적으로 평행한 층상의 결정을 가지는, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 11,
A memory device, wherein the oxide semiconductor has a layered crystal substantially parallel to the sidewall of the first opening.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 탄소의 농도가 1×1020atoms/cm3 미만인, 기억 장치.
In any one of claims 1 to 12,
The above oxide semiconductor is a memory device having a carbon concentration of less than 1×10 20 atoms/cm 3 .
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M. Oota et al., "3D-Stacked CAAC-In-Ga-Zn Oxide FETs with Gate Length of 72nm", IEDM Tech. Dig., 2019, pp. 50-53

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