[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用半导体元件的半导体器件以及用于驱动半导体器件的方法。

背景技术

使用半导体元件的存储装置广义地分为两类：在电力供应停止时丢失已存储数据的易失性装置以及在没有提供电力时保持已存储数据的非易失性装置。

易失性存储装置的一个典型示例是DRAM(动态随机存取存储器)。DRAM采用选择包含在存储元件中的晶体管并且将电荷存储在电容器中的方式存储数据。

在从DRAM读取数据时，根据上述原理，电容器中的电荷丢失；因而每次读取数据时需要另一个写操作。此外，由于当晶体管处于关断状态时，泄漏电流(断态电流)在存储器元件中包含的晶体管的源极与漏极之间流动，即使没有选择晶体管，电荷也流入或流出，这使数据保持期较短。为此，在预定间隔需要另一个写操作(刷新操作)，并且难以充分降低功率消耗。此外，由于已存储数据在电力供应停止时丢失，所以需要使用磁性材料或光学材料的附加存储装置，以便将数据保持长时间。

易失性存储装置的另一个示例是SRAM(静态随机存取存储器)。SRAM通过使用诸如触发器之类的电路来保持已存储数据，并且因而无需刷新操作。这表示SRAM具有优于DRAM的优点。但是，因为使用诸如触发器之类的电路，所以每存储容量的成本增加。此外，如同DRAM中那样，SRAM中的已存储数据在电力供应停止时丢失。

非易失性存储装置的一个典型示例是闪速存储器。闪速存储器包括晶体管中的栅电极与沟道形成区之间的浮栅，并且通过将电荷保持在浮栅中来存储数据。因此，闪速存储器的优点在于，数据保持时间极长(几乎永久)，并且不需要易失性存储装置中所需的刷新操作(例如参见专利文献1)。

但是，存储元件中包含的栅绝缘层通过使写入时生成的电流隧穿而退化，使得存储元件在预定数量的写操作之后停止其功能。为了降低这个问题的不利影响，例如采用一种均衡存储元件的写操作的数量的方法。但是，需要复杂的外围电路来实现这种方法。此外，采用这种方法没有解决使用寿命的基本问题。换言之，闪速存储器不适合频繁重写数据的应用。

另外，需要高电压用于保持浮栅中的电荷或者去除电荷，并且还需要用于生成高电压的电路。此外，需要较长时间来保持或去除电荷，并且不容易以较高速度来执行写入以及擦除。

[专利文献]

[0009]

[专利文献1]日本公开的专利申请No.S57-105889

发明内容

鉴于上述问题，本发明的一个实施例的目的是提供一种新颖半导体器件，其中甚至在数据存储时间没有提供电力时也能够保持数据，并且没有对写操作数量的限制。

在本发明中，半导体器件使用允许晶体管的断态电流的充分降低的材料来形成；例如，使用作为宽能隙半导体的氧化物半导体材料。允许晶体管的断态电流的充分降低的半导体材料的使用使得有可能将数据保持长时间。此外，氧化物半导体材料具有高电容率；因此，氧化物半导体材料用于电容器的电介质实现每单位面积电容的增加。

本发明的一个实施例是包括晶体管和电容器的半导体器件。晶体管包括栅电极、栅电极之上的栅绝缘层、栅绝缘层之上与栅电极重叠的第一氧化物半导体层以及第一氧化物半导体层之上并且与其电连接的源电极和漏电极。电容器包括由与源电极或漏电极相同的导电层所形成的第一电极、与第一电极接触的第二氧化物半导体层以及与第二氧化物半导体层接触的第二电极。

本发明的另一个实施例是包括晶体管和电容器的半导体器件。晶体管包括栅电极、栅电极之上的栅绝缘层、栅绝缘层之上与栅电极重叠的第一氧化物半导体层、第一氧化物半导体层之上并且与其电连接的源电极和漏电极、在第一氧化物半导体层、源电极和漏电极之上的绝缘层以及绝缘层之上与第一氧化物半导体层重叠的电极。电容器包括第一电极、与第一电极接触的第二氧化物半导体层以及与第二氧化物半导体层接触并且由与源电极或漏电极相同的导电层所形成的第二电极。

本发明的另一个实施例是包括晶体管和电容器的半导体器件。晶体管包括源电极和漏电极、源电极和漏电极之上并且与其电连接的第一氧化物半导体层、第一氧化物半导体层之上的栅绝缘层以及栅绝缘层之上与第一氧化物半导体层重叠的栅电极。电容器包括由与源电极或漏电极相同的导电层所形成的第一电极、与第一电极接触的第二氧化物半导体层以及与第二氧化物半导体层接触的第二电极。

金属氧化物层可在第一电极与第二氧化物半导体层之间形成。

此外，金属氧化物层可在第二电极与第二氧化物半导体层之间形成。

栅电极可包括In-Ga-Zn-O-N基化合物导体。