DE112013005029T5

DE112013005029T5 - Mikrocontroller und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112013005029T5
Application number: DE112013005029.3T
Authority: DE
Inventors: Tatsuji Nishijima; Hidetomo Kobayashi; Tomoaki Atsumi; Kiyoshi Kato; Shunpei Yamazaki
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-07-30
Also published as: JP2014099165A; JP2022180393A; US20140108836A1; JP2019091465A; WO2014061761A1; TWI619009B; JP2018026155A; JP6457609B2; JP6223113B2; TW201818192A; KR102168987B1; JP2021047868A; US20170038826A1; US9477294B2; JP2024029022A; TW201428478A; US10324521B2; KR20150070167A; TWI683213B

Abstract

Es wird ein Mikrocontroller bereitgestellt, der in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch arbeitet. Ein Mikrocontroller beinhaltet eine CPU, einen Speicher und eine Peripherieschaltung, wie z. B. eine Zeitschaltung. Ein Register in der Peripherieschaltung ist an einer Schnittstelle zu einer Busleitung angeordnet. Ein Leistungs-Gate zur Versorgungssteuerung ist bereitgestellt. Der Mikrocontroller kann nicht nur in einem normalen Betriebsmodus, in dem alle Schaltungen aktiv sind, sondern auch in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch arbeiten, in dem einige der Schaltungen aktiv sind. Ein flüchtiger Speicher und ein nichtflüchtiger Speicher sind in einem Register, wie z. B. einem Register der CPU, bereitgestellt. Daten in dem flüchtigen Speicher werden in dem nichtflüchtigen Speicher gesichert, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird. In dem Fall, in dem der Betriebsmodus in den normalen Modus zurückkehrt, werden die Daten in dem nichtflüchtigen Speicher zurück in den flüchtigen Speicher geschrieben, wenn die Stromversorgung wieder aufgenommen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrocontroller und ein Verfahren zum Herstellen des Mikrocontrollers. Es sei angemerkt, dass der Begriff „Mikrocontroller” eine Art von Halbleitervorrichtungen bedeutet und dass er als „Mikrocontroller-Einheit”, „MCU”, „μC” und dergleichen bezeichnet wird.
Es sei angemerkt, dass mit einer Halbleitervorrichtung in dieser Beschreibung alle Vorrichtungen gemeint sind, die unter Nutzung von Halbleitereigenschaften arbeiten können, wobei elektrooptische Vorrichtungen, Halbleiterschaltungen und elektronische Geräte allesamt in die Kategorie der Halbleitervorrichtung fallen.
Stand der Technik
Mit der Entwicklung einer Technik zur Miniaturisierung einer Halbleitervorrichtung hat sich der Grad der Integration eines Mikrocontrollers Jahr um Jahr erhöht. Demzufolge hat der Leckstrom einer Vielfalt von Halbleiterbauelementen (z. B. eines Transistors und dergleichen), die in dem Mikrocontroller bereitgestellt sind, zugenommen, was einen starken Anstieg des Stromverbrauchs des Mikrocontrollers zur Folge hat. Deshalb ist eines der wichtigen Themen in den letzten Jahren, den Stromverbrauch eines Mikrocontrollers zu verringern.
Als eines der Verfahren zum Verringern des Stromverbrauchs eines Mikrocontrollers gibt es eine Technik, bei der ein Schaltungsblock, der unter Schaltungsblöcken in dem Mikrocontroller zum Betrieb des Mikrocontrollers nicht notwendig ist, in einen Modus mit niedrigem Stromverbrauch versetzt wird (siehe Patentdokument 1).
[Referenz]
[Patentdokument]

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H10-301659

Bei einem Schaltungsblock, bei dem eine Stromversorgung unterbrochen wird, verflüchtigen sich Logiken aller Knoten in der integrierten Schaltung gleich im Moment der Unterbrechung der Stromversorgung; deshalb ist der Zeitpunkt, zu dem die Stromversorgung unterbrochen wird, auf den Zeitpunkt nach der vollständigen Beendigung der laufenden Verarbeitung beschränkt.
Angesichts der vorstehenden Beschreibung ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen Mikrocontroller bereitzustellen, dessen Stromverbrauch verringert wird, indem eine Stromversorgung zu einer Schaltung, die zum Betrieb nicht notwendig ist, unterbrochen wird.
Außerdem ist eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen hochzuverlässigen Mikrocontroller bereitzustellen.
Eine Ausführungsform der in dieser Anmeldung offenbarten Erfindung ist ein Mikrocontroller, der beinhaltet: einen Anschluss, in den ein Stromversorgungspotential eingegeben wird; eine CPU; einen nichtflüchtigen Speicher; eine erste Peripherieschaltung, welche die Zeit misst und ein erstes Interrupt-Signal ausgibt; eine zweite Peripherieschaltung, die als Schnittstelle zu einer externen Vorrichtung fungiert und ein zweites Interrupt-Signal ausgibt; eine dritte Peripherieschaltung, die eine Schaltung zum Verarbeiten eines extern eingegebenen analogen Signals ist und ein drittes Interrupt-Signal ausgibt; eine Interrupt-Steuerung, die Prioritäten der ersten bis dritten Interrupt-Signale bestimmt und ein viertes Interrupt-Signal ausgibt; erste bis fünfte Register für die ersten bis dritten Peripherieschaltungen, die CPU und die Interrupt-Steuerung; ein Leistungs-Gate, das den ersten bis dritten Peripherieschaltungen das Stromversorgungspotential zuführt und die Zuführung des Stromversorgungspotentials zu den ersten bis dritten Peripherieschaltungen, der CPU, dem Speicher, der Interrupt-Steuerung und dem ersten, dem vierten und dem fünften Register unterbricht; eine Steuerung, die das Leistungs-Gate steuert; und ein sechstes Register für die Steuerung.
Ein Betriebsmodus des Mikrocontrollers umfasst mindestens erste bis dritte Betriebsmodi. Der erste Betriebsmodus ist ein Modus, in dem alle Schaltungen in dem Mikrocontroller aktiviert werden; der zweite Betriebsmodus ist ein Modus, in dem die Steuerung, die erste Peripherieschaltung und das erste, das zweite und das sechste Register aktiviert werden, obwohl die sonstigen Schaltungen inaktiviert werden; und der dritte Betriebsmodus ist ein Modus, in dem die Steuerung und das sechste Register aktiviert werden, obwohl die sonstigen Schaltungen inaktiviert werden. Unter einem Befehl der CPU wird ein Wechsel von dem ersten Betriebsmodus zu dem zweiten oder dem dritten Betriebsmodus angefangen. Indem das erste Interrupt-Signal in die Steuerung eingegeben wird, wird ein Wechsel von dem zweiten Betriebsmodus zu dem ersten Betriebsmodus angefangen. Indem ein externes Interrupt-Signal in die Steuerung eingegeben wird, wird ein Wechsel von dem dritten Betriebsmodus zu dem ersten Betriebsmodus angefangen.
Das erste, das vierte und das fünfte Register beinhalten jeweils einen flüchtigen Speicher und einen nichtflüchtigen Speicher. In dem Fall, in dem die Stromversorgung durch das Leistungs-Gate unterbrochen wird, werden Daten des flüchtigen Speichers in dem nichtflüchtigen Speicher gesichert, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird; in dem Fall, in dem die Stromversorgung durch das Leistungs-Gate wieder aufgenommen wird, werden die in dem nichtflüchtigen Speicher gesicherten Daten in den flüchtigen Speicher geschrieben.
Ähnlich wie das erste Register oder dergleichen, kann zum Beispiel auch das dritte Register einen flüchtigen Speicher und einen nichtflüchtigen Speicher beinhalten. In dem Fall, in dem die Stromversorgung durch das Leistungs-Gate unterbrochen wird, werden Daten des flüchtigen Speichers in dem nichtflüchtigen Speicher gesichert, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird; in dem Fall, in dem die Stromversorgung durch das Leistungs-Gate wieder aufgenommen wird, werden die in dem nichtflüchtigen Speicher gesicherten Daten in den flüchtigen Speicher geschrieben.
Bei dem Mikrocontroller kann eine Speicherzelle in dem Speicher einen Transistor, der unter Verwendung einer Oxidhalbleiterschicht hergestellt wird, und einen Transistor beinhalten, der unter Verwendung von Silizium hergestellt wird. Des Weiteren kann der nichtflüchtige Speicher einen Transistor, der unter Verwendung einer Oxidhalbleiterschicht hergestellt wird, und einen Transistor beinhalten, der unter Verwendung von Silizium hergestellt wird.
Wenn ein Transistor, bei dem ein mehrschichtiger Film eingesetzt wird, der eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, für eine Speicherzelle des Speichers in dem Mikrocontroller verwendet wird, kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Der Transistor, bei dem eine eine Oxidhalbleiterschicht umfassende Multischicht eingesetzt wird, ist eine Halbleitervorrichtung, die beinhaltet: einen mehrschichtigen Film, der eine erste Oxidschicht, eine zweite Oxidschicht und eine Oxidhalbleiterschicht umfasst; einen Gate-Isolierfilm, der in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film angeordnet ist; und eine Gate-Elektrode, die derart angeordnet ist, dass sie den mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen positioniert ist. Die Oxidhalbleiterschicht enthält Indium und ist in Kontakt mit der ersten Oxidschicht angeordnet. Die erste Oxidschicht weist eine größere Energielücke auf als die Oxidhalbleiterschicht und enthält Indium. Die Oxidhalbleiterschicht ist zwischen und in Kontakt mit der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht angeordnet. Die zweite Oxidschicht weist eine größere Energielücke auf als die Oxidhalbleiterschicht und enthält Indium.
Um einem Transistor, dessen Kanal in einer Oxidhalbleiterschicht gebildet wird, stabile elektrische Eigenschaften zu bieten, ist es effektiv, dass die Oxidhalbeliterschicht zu einer hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht hochgereinigt wird, indem die Verunreinigungskonzentration der Oxidhalbleiterschicht verringert wird. „Erzielen einer hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht” bedeutet „Reinigung oder wesentliche Reinigung der Oxidhalbleiterschicht, so dass sie zu einer intrinsischen oder im Wesentlichen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht wird”. Wenn die Oxidhalbleiterschicht im Wesentlichen intrinsisch ist, ist die Ladungsträgerdichte der Oxidhalbleiterschicht niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³, niedriger als 1 × 10¹⁵/cm³ oder niedriger als 1 × 10¹³/cm³. Für die Oxidhalbleiterschicht dienen Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium und Metallelemente, die verschieden von Hauptbestandteilen der Oxidhalbleiterschicht sind, als Verunreinigungen. Um die Verunreinigungskonzentration der Oxidhalbleiterschicht zu verringern, werden vorzugsweise auch die Verunreinigungskonzentrationen der ersten und der zweiten Oxidschicht verringert, die in engem Kontakt mit der Oxidhalbleiterschicht angeordnet sind.
Beispielsweise bildet Silizium in einer Oxidhalbleiterschicht Verunreinigungszustände (impurity states). Außerdem dienen die Verunreinigungszustände als Einfangstellen, was die elektrischen Eigenschaften des Transistors verschlechtert. Insbesondere wird die Siliziumkonzentration der Oxidhalbleiterschicht auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt. Es sei angemerkt, dass, da in vielen Fällen ein Silizium enthaltender isolierender Film, wie z. B. ein Siliziumoxidfilm, ein Siliziumoxynitridfilm, ein Siliziumnitridfilm oder ein Siliziumnitridoxidfilm, für den Gate-Isolierfilm des Transistors verwendet wird, die Oxidhalbleiterschicht vorzugsweise nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm ist.
Ferner bilden Wasserstoff und Stickstoff in der Oxidhalbleiterschicht Donatorniveaus (donor levels), was die Ladungsträgerdichte erhöht.
In dem Fall, in dem ein Kanal an einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Oxidhalbleiterschicht gebildet wird, tritt eine Grenzflächenstreuung (interface scattering) an der Grenzfläche auf und die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors nimmt ab. Im Hinblick darauf ist die Oxidhalbleiterschicht vorzugsweise nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm und ein Kanal ist vorzugsweise von dem Gate-Isolierfilm getrennt.
Daher kann dann, wenn der Kanal des Transistors getrennt von dem Gate-Isolierfilm gebildet wird, der Transistor stabile elektrische Eigenschaften und hohe Feldeffektbeweglichkeit aufweisen. Wenn der Transistor als Schaltelement einer Anzeigevorrichtung verwendet wird, kann die Anzeigevorrichtung hohe Zuverlässigkeit aufweisen, da der Transistor die stabilen elektrischen Eigenschaften aufweist. Überdies weist der Transistor hohe Feldeffektbeweglichkeit auf.
Der mehrschichtige Film, der die Oxidhalbleiterschicht umfasst, hat vorzugsweise zum Beispiel die folgende Struktur, damit der Kanal des Transistors getrennt von dem Gate-Isolierfilm ist.
Der mehrschichtige Film, der die Oxidhalbleiterschicht umfasst, umfasst mindestens eine Oxidhalbleiterschicht (der Einfachheit halber als zweite Oxidschicht bezeichnet) und eine erste Oxidschicht (auch als Sperrschicht bezeichnet) zwischen der zweiten Oxidschicht und dem Gate-Isolierfilm. Die erste Oxidschicht enthält eine oder mehrere Art/en von Elementen, die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind. Die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes der ersten Oxidschicht liegt um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher am Vakuumniveau als diejenige der zweiten Oxidschicht. Es sei angemerkt, dass die zweite Oxidschicht vorzugsweise mindestens Indium enthält, damit die Ladungsträgerbeweglichkeit hoch ist. Wenn dabei ein elektrisches Feld an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird ein Kanal in der zweiten Oxidschicht des mehrschichtigen Films gebildet, der die Oxidhalbleiterschicht umfasst, deren Energie der unteren Kante des Leitungsbandes niedrig ist. Mit anderen Worten: Das Ausbilden der ersten Oxidschicht zwischen der zweiten Oxidschicht und dem Gate-Isolierfilm ermöglicht, dass der Kanal des Transistors in der Schicht (hier der zweiten Oxidschicht), die nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm steht, gebildet wird. Da die erste Oxidschicht aus einer oder mehreren Art/en von Elementen gebildet ist, welche die zweite Oxidschicht bildet/bilden, ist es ferner unwahrscheinlich, dass eine Grenzflächenstreuung an einer Grenzfläche zwischen der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht auftritt. Daher werden Ladungsträger bei Bewegung an der Grenzfläche nicht behindert, was eine Erhöhung der Feldeffektbeweglichkeit des Transistors zur Folge hat.
Die erste Oxidschicht kann beispielsweise Aluminium, Titan, Silizium, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer oder Hafnium in einem höheren Atomanteil enthalten als die zweite Oxidschicht. Im Besonderen ist die Menge eines beliebigen der obigen Elemente in der ersten Oxidschicht bezüglich eines Atomverhältnisses 1,5-mal oder mehr, bevorzugt doppelt oder mehr, stärker bevorzugt dreimal oder mehr so groß wie diejenige in der zweiten Oxidschicht. Das obige Element wird an Sauerstoff fest gebunden und weist somit eine Funktion auf, um eine Erzeugung von Sauerstofffehlstellen in der Oxidschicht zu verhindern. Mit anderen Worten: Bei der ersten Oxidschicht handelt es sich um eine Oxidschicht, in der Sauerstofffehlstellen weniger wahrscheinlich entstehen als in der zweiten Oxidschicht.
Als Alternative muss dann, wenn die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht jeweils ein In-M-Zn-Oxid sind und die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht In, M und Zn in einem Atomverhältnis von x₁:y₁:z₁ bzw. einem Atomverhältnis von x₂:y₂:z₂ enthalten, y₁/x₁ größer sein als y₂/x₂. Es sei angemerkt, dass das Element M ein Metallelement ist, dessen Bindungsstärke an Sauerstoff größer ist als diejenige von In, und als Beispiele dafür können Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd und Hf angegeben werden. Bevorzugt werden die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht gewählt, bei denen y₁/x₁ 1,5-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Stärker bevorzugt werden die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht gewählt, bei denen y₁/x₁ doppelt oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Noch stärker bevorzugt werden die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht gewählt, bei denen y₁/x₁ dreimal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Hierbei ist bei der zweiten Oxidschicht y₁ vorzugsweise größer als oder gleich x₁, weil der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird dann, wenn y₁ dreimal oder mehr so groß wie x₁ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₁ vorzugsweise kleiner als das Dreifache von x₁.
Die erste Oxidschicht weist eine Dicke von größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm auf. Die zweite Oxidschicht weist eine Dicke von größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 200 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm auf.
Der mehrschichtige Film, der die Oxidhalbleiterschicht umfasst, kann eine dritte Oxidschicht (auch als Sperrschicht bezeichnet) umfassen, die auf der dem Gate-Isolierfilm entgegengesetzten Seite in Kontakt mit einem isolierenden Film und der zweiten Oxidschicht steht, die eine oder mehrere Arten von Elementen enthält, die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind, und deren Energie der unteren Kante des Leitungsbandes um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher am Vakuumniveau liegt als diejenige der zweiten Oxidschicht. Es sei angemerkt, dass die zweite Oxidschicht vorzugsweise mindestens Indium enthält, damit die Ladungsträgerbeweglichkeit hoch ist. Wenn dabei ein elektrisches Feld an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird kein Kanal in der dritten Oxidschicht gebildet. Da die dritte Oxidschicht eine oder mehrere Arten von Elementen enthält, die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind, ist es ferner unwahrscheinlich, dass ein Grenzflächenzustand (interface state) an der Grenzfläche zwischen der zweiten Oxidschicht und der dritten Oxidschicht gebildet wird. Wenn die Grenzfläche einen Grenzflächenzustand aufweist, wird in einigen Fällen ein zweiter Transistor ausgebildet, bei dem die Grenzfläche als Kanal dient und der eine unterschiedliche Schwellenspannung aufweist; demzufolge wird die scheinbare Schwellenspannung des Transistors verändert. Auf diese Weise ermöglicht das Bereitstellen der dritten Oxidschicht, dass Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors, wie z. B. Schwellenspannung, verringert werden.
Im Besonderen ist die Menge eines beliebigen der obigen Elemente in der dritten Oxidschicht bezüglich eines Atomverhältnisses 1,5-mal oder mehr, bevorzugt doppelt oder mehr, stärker bevorzugt dreimal oder mehr so groß wie diejenige in der zweiten Oxidschicht. Jedes der obigen Elemente wird an Sauerstoff fest gebunden und weist somit eine Funktion auf, um eine Erzeugung von Sauerstofffehlstellen in der Oxidschicht zu verhindern. Mit anderen Worten: Bei der dritten Oxidschicht handelt es sich um einen Oxidfilm, in dem Sauerstofffehlstellen weniger wahrscheinlich entstehen als in der zweiten Oxidschicht.
Als weitere Alternative muss dann, wenn die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht jeweils ein In-M-Zn-Oxid sind und die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht In, M und Zn in einem Atomverhältnis von x₂:y₂:z₂ bzw. einem Atomverhältnis von x₃:y₃:z₃ enthalten, y₃/x₃ größer sein als y₂/x₂. Es sei angemerkt, dass das Element M ein Metallelement ist, dessen Bindungsstärke an Sauerstoff größer ist als diejenige von In, und als Beispiele dafür können Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd und Hf angegeben werden. Vorzugsweise werden die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht gewählt, bei denen y₃/x₃ 1,5-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Vorzugsweise werden die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht gewählt, bei denen y₃/x₃ doppelt oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Vorzugsweise werden die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht gewählt, bei denen y₃/x₃ dreimal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Hierbei ist bei der zweiten Oxidschicht y₂ vorzugsweise größer als oder gleich x₂, weil der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird dann, wenn y₂ dreimal oder mehr so groß wie x₂ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₂ vorzugsweise kleiner als das Dreifache von x₂.
Die dritte Oxidschicht weist eine Dicke von größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm auf.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn die erste Oxidschicht ein In-M-Zn-Oxid ist, das Atomverhältnis zwischen In und M vorzugsweise wie folgt ist: Der Atomprozentsatz von In ist niedriger als 50 Atom-% und der Atomprozentsatz von M ist höher als oder gleich 50 Atom-%, bevorzugt ist der Atomprozentsatz von In niedriger als 25 Atom-% und der Atomprozentsatz von M ist höher als oder gleich 75 Atom-%. Wenn die zweite Oxidschicht ein In-M-Zn-Oxid ist, ist das Atomverhältnis zwischen In und M vorzugsweise wie folgt: Der Atomprozentsatz von In ist höher als oder gleich 25 Atom-% und der Atomprozentsatz von M ist niedriger als 75 Atom-%, bevorzugt ist der Atomprozentsatz von In höher als oder gleich 34 Atom-% und der Atomprozentsatz von M ist niedriger als 66 Atom-%. Wenn die dritte Oxidschicht ein In-M-Zn-Oxid ist, ist das Atomverhältnis zwischen In und M vorzugsweise wie folgt: Der Atomprozentsatz von In ist niedriger als 50 Atom-% und der Atomprozentsatz von M ist höher als oder gleich 50 Atom-%, bevorzugt ist der Atomprozentsatz von In niedriger als 25 Atom-% und der Atomprozentsatz von M ist höher als oder gleich 75 Atom-%.
Die erste Oxidschicht oder die dritte Oxidschicht ist in Kontakt mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Transistors angeordnet. Jedoch werden in dem Fall, in dem die erste Oxidschicht, die zweite Oxidschicht oder die dritte Oxidschicht in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des Transistors angeordnet ist, in Abhängigkeit von einem für die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode verwendeten Material Sauerstofffehlstellen in und um einen Bereich der ersten Oxidschicht, der zweiten Oxidschicht oder der dritten Oxidschicht, die in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode steht, erzeugt, so dass der Bereich zu einem n-Typ wird. Demzufolge kann der n-Typ-Bereich als Source oder Drain des Transistors dienen. In dem Fall, in dem das für die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode verwendete Material ein leitendes Material ist, das leicht an Sauerstoff gebunden wird, wie z. B. Wolfram, verursacht ein Kontakt zwischen dem leitenden Material und der Oxidhalbleiterschicht ein Phänomen, dass Sauerstoff von der Oxidhalbleiterschicht in das leitende Material diffundiert, das leicht an Sauerstoff gebunden wird. Der Herstellungsprozess des Transistors umfasst einige Erwärmungsschritte. Durch das Phänomen werden daher Sauerstofffehlstellen im und um den Bereich der Oxidhalbleiterschicht, die in Kontakt mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode steht, erzeugt, so dass der Bereich zu einem N-Typ wird.
Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Stromversorgung zu Schaltungen, die zum Betrieb des Mikrocontrollers nicht notwendig sind, unterbrochen werden; deshalb kann niedrigerer Stromverbrauch des Mikrocontrollers erzielt werden.
Zusätzlich beinhaltet ein Register, dem in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch kein Strom zugeführt wird, einen nichtflüchtigen Speicher, was zu einer Erhöhung der Flexibilität des Zeitpunkts führt, zu dem die Stromversorgung unterbrochen wird. Deshalb kann der Mikrocontroller bereitgestellt werden, der schnell in den Zustand vor der Unterbrechung der Stromversorgung zurückkehren kann.
Überdies kann dann, wenn ein Transistor, bei dem ein mehrschichtiger Film eingesetzt wird, der eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, für einen Mikrocontroller verwendet wird, hohe Zuverlässigkeit erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschema, das ein Beispiel für eine Mikrocontroller-Konfiguration darstellt.
2 ist eine Darstellung eines Beispiels für ein Layout in einem Mikrocontroller.
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispiels für die Verarbeitung zur Zeit einer Stromversorgung.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispiels für einen Wechsel von Aktiv-Modus zu Noff1-/Noff2-Modi.
5 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispiels für einen Wechsel von Noff1-/Noff2-Modi zu Aktiv-Modus.
6 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für eine Register-Konfiguration darstellt.
7 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für eine RAM-Speicherzellen-Konfiguration darstellt.
8 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Mikrocontroller-Struktur darstellt.
9 ist ein Blockschema, das ein Beispiel für eine Mikroprozessor-Konfiguration darstellt.
10 ist eine optische Mikrofotografie eines Mikrocontrollers.
11 ist eine Querschnittsansicht, die einen mehrschichtigen Film darstellt, der eine Oxidhalbleiterschicht umfasst.
12A und 12B stellen jeweils eine Bandstruktur eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
13A und 13B stellen jeweils eine Bandstruktur eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
14 stellt eine Bandstruktur eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
15A und 15B sind jeweils eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Abscheidungseinrichtung darstellt.
16A und 16B sind jeweils eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Abscheidungskammer darstellt.
17 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Wärmebehandlungskammer darstellt.
18A bis 18C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten, welche einen Transistor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
19A bis 19C sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
20A und 20B sind Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
21A bis 21C stellen elektronische Geräte dar.
22 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung darstellt.
23 ist ein Diagramm der Signalwellenform von Eingangs-/Ausgangsanschlüssen eines Mikrocontrollers, die für eine Betriebsüberprüfung eines Registers in einer CPU gemessen wird.
24A und 24B sind vergrößerte Ansichten des Signalwellenformdiagramms in 23, die Signalwellenformdiagramme während eines Betriebs in Aktiv-Modus sind.
25 zeigt Messergebnisse des Sperrstroms eines Transistors, der einen mehrschichtigen Film beinhaltet.
Beste Methode zum Durchführen der Erfindung
Ausführungsformen und ein Beispiel der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgende Beschreibung beschränkt, und der Fachmann erkennt leicht, dass Modi und Details, wie sie hierin offenbart sind, auf verschiedene Weisen modifiziert werden können, ohne von dem Grundgedanken und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher wird die vorliegende Erfindung nicht so ausgelegt, dass sie auf die Beschreibung der Ausführungsformen und des Beispiels beschränkt ist.
(Ausführungsform 1)
Eine Konfiguration und eine Arbeitsweise eines Mikrocontrollers werden anhand von 1 beschrieben. 1 ist ein Blockschema eines Mikrocontrollers 100.
Der Mikrocontroller 100 beinhaltet eine zentrale Verarbeitungseinheit (central processing unit, CPU) 110, eine Busbrücke 111, ein Random Access Memory (RAM) 112, eine Speicherschnittstelle 113, eine Steuerung 120, eine Interrupt-Steuerung 121, eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle (I/O-Schnittstelle) 122 und eine Leistungs-Gate-Einheit 130.
Der Mikrocontroller 100 beinhaltet weiter eine Quarzoszillatorschaltung 141, eine Zeitschaltung 145, eine I/O-Schnittstelle 146, einen I/O-Port 150, einen Vergleicher 151, eine I/O-Schnittstelle 152, eine Busleitung 161, eine Busleitung 162, eine Busleitung 163 und eine Datenbusleitung 164. Des Weiteren weist der Mikrocontroller 100 mindestens Verbindungsanschlüsse 170 bis 176 als Verbindungsteile mit externen Vorrichtungen auf. Es sei angemerkt, dass die Verbindungsanschlüsse 170 bis 176 jeweils einen Anschluss oder eine Anschlussgruppe aus mehreren Anschlüssen repräsentieren.
2 ist ein Layout-Beispiel für Schaltungsblöcke, die in dem Mikrocontroller 100 enthalten sind. In dem Layout in 2 sind die Bezugszeichen geschrieben, die für einige der Schaltungsblöcke in 1 verwendet werden.
In dem Layout in 2 sind als Transistoren, die in jeder Schaltung enthalten sind, ein Transistor, der unter Verwendung eines Siliziumsubstrats hergestellt wird, und ein Transistor gezeigt, der unter Verwendung einer Oxidhalbleiterschicht hergestellt wird. In dem Layout in 2 ist die Prozesstechnik des Transistors, der unter Verwendung von Silizium hergestellt wird, 0,35 μm, und die Prozesstechnik des Transistors, der unter Verwendung einer Oxidhalbleiterschicht hergestellt wird, ist 0,8 μm.
Die CPU 110 beinhaltet ein Register 185 und ist über die Busbrücke 111 mit den Busleitungen 161 bis 163 und der Datenbusleitung 164 verbunden.
Bei dem RAM 112 handelt es sich um einen Speicher, der als Hauptspeicher der CPU 110 dient, und um einen nicht flüchtigen Direktzugriffsspeicher. Das RAM 112 ist eine Vorrichtung, die einen durch die CPU 110 auszuführenden Befehl, Daten, die für die Ausführung des Befehls notwendig sind, und Daten speichert, die durch die CPU 110 verarbeitet werden. Unter dem Befehl von der CPU 110 werden Daten in das RAM 112 geschrieben und aus ihm gelesen.
Bei dem Mikrocontroller 100 wird in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch eine Stromversorgung zu dem RAM 112 unterbrochen. Deshalb wird das RAM 112 von einem nichtflüchtigen Speicher gebildet, der Daten speichern kann, wenn kein Strom zugeführt wird.
Bei der Speicherschnittstelle 113 handelt es sich um eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle zu einem externen Speicher. Unter dem durch die CPU 110 auszuführenden Befehl werden über die Speicherschnittstelle 113 in den externen Speicher, der an den Verbindungsanschluss 176 angeschlossen ist, Daten geschrieben und aus ihm gelesen.
Bei einer Takterzeugungsschaltung 115 handelt es sich um eine Schaltung, die ein Taktsignal MCLK (nachstehend als MCLK bezeichnet) erzeugt, das in der CPU 110 verwendet wird, und sie beinhaltet einen RC-Oszillator und dergleichen. MCLK wird auch in die Steuerung 120 und die Interrupt-Steuerung 121 eingegeben.
Bei der Steuerung 120 handelt es sich um eine Schaltung, die den gesamten Mikrocontroller 100, z. B. den Strom des Mikrocontrollers 100, steuert, und sie steuert die Takterzeugungsschaltung 115, die Quarzoszillatorschaltung 141 und dergleichen. Zudem steuert die Steuerung 120 auch die Leistungs-Gate-Einheit 130, die später beschrieben wird. Ein externes Interrupt-Signal INT1 wird über den Verbindungsanschluss 170 in die Steuerung 120 eingegeben. Bei dem Verbindungsanschluss 170 handelt es sich um einen Eingangsanschluss eines externen Interrupt-Signals. Des Weiteren werden Interrupt-Signale (T0IRQ, P0IRQ, C0IRQ) von den Peripherieschaltungen (145, 150, 151) in die Steuerung 120 eingegeben, ohne durch die Busse (161 bis 164) hindurch zu gehen.
Die Interrupt-Steuerung 121 ist über die I/O-Schnittstelle 122 mit der Busleitung 161 und der Datenbusleitung 164 verbunden. Die Interrupt-Steuerung 121 weist eine Funktion zum Einstellen der Prioritäten von Interrupt-Anforderungen auf. Ein externes Interrupt-Signal INT1 und Interrupt-Signale (T0IRQ, P0IRQ und C0IRQ) werden von den Peripherieschaltungen (145, 150 und 151) in die Interrupt-Steuerung 121 eingegeben. Wenn die Interrupt-Steuerung 121 das Interrupt-Signal erkennt, bestimmt die Interrupt-Steuerung 121, ob die Interrupt-Anforderung gültig ist oder nicht. Ist die Interrupt-Anforderung gültig, so gibt die Interrupt-Steuerung 121 ein internes Interrupt-Signal INT2 an die Steuerung 120 aus.
Wenn die Steuerung 120 das externe Interrupt-Signal INT1 empfängt, gibt die Steuerung 120 das interne Interrupt-Signal INT2 an die CPU 110 aus, so dass die CPU 110 eine Interrupt-Verarbeitung ausführt.
Das Register 180 für die Steuerung 120 ist in der Steuerung 120 ausgebildet, und das Register 186 für die Interrupt-Steuerung 121 ist in der I/O-Schnittstelle 122 ausgebildet.
Peripherieschaltungen des Mikrocontrollers 100 werden nachstehend beschrieben. Die CPU 110 weist die Zeitschaltung 145, den I/O-Port 150 und den Vergleicher 151 als Peripherieschaltungen auf. Die Schaltungen sind Beispiele für die Peripherieschaltungen, und eine Schaltung, die für ein elektronisches Gerät, bei dem der Mikrocontroller 100 eingesetzt wird, nötig ist, kann nach Bedarf bereitgestellt sein.
Die Zeitschaltung 145 weist eine Funktion auf, um als Antwort auf ein Taktsignal TCLK (nachstehend als TCLK bezeichnet) die Zeit zu messen. Die Zeitschaltung 145 weist zusätzlich eine Funktion auf, um in einem bestimmten Zeitintervall das Interrupt-Signal T0IRQ an Anschlüsse für Interrupt-Anforderungen der Steuerung 120 und der Interrupt-Steuerung 121 auszugeben. Die Zeitschaltung 145 ist über die I/O-Schnittstelle 146 mit der Busleitung 161 und der Datenbusleitung 164 verbunden.
Zudem wird das TCLK, das bei der Zeitschaltung 145 verwendet wird, durch eine Takterzeugungsschaltung 140 erzeugt. Bei TCLK handelt es sich um ein Taktsignal, dessen Frequenz niedriger ist als diejenige von MCLK. Die Frequenz von MCLK ist beispielsweise etwa einige Megahertz (MHz) (z. B. 8 MHz), und die Frequenz von TCLK ist etwa einige zehn Kilohertz (kHz) (z. B. 32 kHz). Die Takterzeugungsschaltung 140 beinhaltet die Quarzoszillatorschaltung 141, die in dem Mikrocontroller 100 integriert ist, und einen Oszillator 142, der an die Verbindungsanschlüsse 172 und 173 angeschlossen ist. Es handelt sich bei der Oszillatoreinheit des Oszillators 142 um eine Quarz-Einheit 143. Zudem wird die Takterzeugungsschaltung 140 von einem CR-Oszillator und dergleichen gebildet, wodurch alle Module in der Takterzeugungsschaltung 140 in dem Mikrocontroller 100 integriert sein können.
Bei dem I/O-Port 150 handelt es sich um eine Schnittstelle zum Anschließen einer externen Vorrichtung an den Verbindungsanschluss 174 in einem Zustand, in dem eine Information eingegeben und ausgegeben werden kann, und um eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle für ein digitales Signal. Der I/O-Port 150 gibt als Antwort auf ein digitales Eingangssignal Interrupt-Signale P0IRQ an die Anschlüsse für Interrupt-Anforderungen der Steuerung 120 und der Interrupt-Steuerung 121 aus.
Bei dem Vergleicher 151 handelt es sich um eine Peripherieschaltung, die ein analoges Signal verarbeitet, das von dem Verbindungsanschluss 175 eingegeben wird. Der Vergleicher 151 vergleicht ein Potential (oder einen Strom) des analogen Signals, das von dem Verbindungsanschluss 175 eingegebenen wird, mit einem Potential (oder einem Strom) eines Referenzsignals und erzeugt ein digitales Signal, dessen Pegel bei 0 oder 1 liegt. Der Vergleicher 151 erzeugt ferner ein Interrupt-Signal C0IRQ, wenn der Pegel des digitalen Signals bei 1 liegt. Die Interrupt-Signale C0IRQ werden an die Anschlüsse für Interrupt-Anforderungen der Steuerung 120 und der Interrupt-Steuerung 121 ausgegeben.
Der I/O-Port 150 und der Vergleicher 151 sind über die ihnen gemeinsame I/O-Schnittstelle 152 mit der Busleitung 161 und der Datenbusleitung 164 verbunden. Hier wird eine I/O-Schnittstelle 152 verwendet, weil die I/O-Schnittstellen des I/O-Ports 150 und des Vergleichers 151 eine Schaltung teilen können; jedoch können der I/O-Port 150 und der Vergleicher 151 voneinander unterschiedliche I/O-Schnittstellen aufweisen.
Ein Register jeder Peripherieschaltung ist zudem in der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle platziert, die der Peripherieschaltung entspricht. Ein Register 187 der Zeitschaltung 145 ist in der I/O-Schnittstelle 146 platziert, und ein Register 183 des I/O-Ports 150 und ein Register 184 des Vergleichers 151 sind in der I/O-Schnittstelle 152 platziert.
Der Mikrocontroller 100 beinhaltet die Leistungs-Gate-Einheit 130, die eine Stromversorgung zu den internen Schaltungen unterbrechen kann. Ein Strom wird einer Schaltung, die zum Betrieb notwendig ist, durch die Leistungs-Gate-Einheit 130 zugeführt, so dass der Stromverbrauch des gesamten Mikrocontrollers 100 verringert werden kann.
Wie in 1 dargestellt, sind die Schaltungen in den Einheiten 101 bis 104, die von den gestrichelten Linien in dem Mikrocontroller 100 umgeben sind, über die Leistungs-Gate-Einheit 130 an den Verbindungsanschluss 171 angeschlossen. Bei dem Verbindungsanschluss 171 handelt es sich um einen Stromversorgungsanschluss zum Zuführen eines hohen Stromversorgungspotentials VDD (nachstehend als VDD bezeichnet).
Die Leistungs-Gate-Einheit 130 wird durch die Steuerung 120 gesteuert. Die Leistungs-Gate-Einheit 130 beinhaltet Schalterstromkreise 131 und 132 zum Blockieren der VDD-Versorgung zu den Einheiten 101 bis 104. Das Einschalten/Ausschalten der Schalterstromkreise 131 und 132 wird durch die Steuerung 120 gesteuert. Insbesondere gibt die Steuerung 120 ein Steuersignal der Schalterstromkreise 131 und 132 an die Leistungs-Gate-Einheit 130 aus, indem eine Anforderung der CPU 110, das externe Interrupt-Signal INT1 und das Interrupt-Signal T0IRQ von der Zeitschaltung 145 als Auslöser verwendet werden.
In 1 beinhaltet die Leistungs-Gate-Einheit 130 zwei Schalterstromkreise 131 und 132; jedoch kann die Anzahl der Schalterstromkreise wie zum Unterbrechen der Stromversorgung erforderlich gewählt werden. Bei dieser Ausführungsform können die Schalterstromkreise derart bereitgestellt sein, dass unabhängig von sonstigen Schaltungen ein Strom zu der Zeitschaltung 145 und der I/O-Schnittstelle 146 (Einheit 101) zugeführt werden kann.
1 stellt einen Zustand dar, in dem die Stromversorgung zu den Einheiten 102 bis 104 durch den gemeinsamen Schalterstromkreis 132 unterbrochen wird; bezüglich des Stromversorgungswegs gibt es jedoch keine Beschränkung. Beispielsweise kann die Stromversorgung zu dem RAM 112 durch einen weiteren Schalterstromkreis gesteuert werden, der sich von dem Schalterstromkreis 132 für die CPU 110 unterscheidet. Des Weiteren kann eine Mehrzahl von Schalterstromkreisen für eine Schaltung vorgesehen sein.
Zudem wird VDD konstant von dem Verbindungsanschluss 171 zu der Steuerung 120 zugeführt, ohne durch die Leistungs-Gate-Einheit 130 hindurch zu gehen. Zur Reduzierung von Rauschen wird sowohl der Oszillatorschaltung der Takterzeugungsschaltung 115 als auch der Quarzoszillatorschaltung 141 ein Stromversorgungspotential von einer externen Stromversorgungsschaltung verliehen, die sich von der Stromversorgungsschaltung für VDD unterscheidet.
Da die Steuerung 120, die Leistungs-Gate-Einheit 130 und dergleichen bereitgestellt sind, kann der Mikrocontroller 100 in drei Arten von Betriebsmodi arbeiten. Der erste Betriebsmodus ist ein normaler Betriebsmodus, in dem alle Schaltungen in dem Mikrocontroller 100 aktiv sind. Dieser Modus wird als „Aktiv-Modus” bezeichnet.
Der zweite und der dritte Betriebsmodus sind Modi mit niedrigem Stromverbrauch, in denen einige der Schaltungen aktiv sind. In einem der Modi mit niedrigem Stromverbrauch sind die Steuerung 120, die Zeitschaltung 145 und die mit ihr in Zusammenhang stehenden Schaltungen (die Quarzoszillatorschaltung 141 und die I/O-Schnittstelle 146) aktiv. In dem anderen Modus mit niedrigem Stromverbrauch ist die Steuerung 120 alleine aktiv. Hier wird der erste Modus mit niedrigem Stromverbrauch als „Noff1-Modus” bezeichnet, und der zweite Modus mit niedrigem Stromverbrauch wird als „Noff2-Modus” bezeichnet.

Die folgende Tabelle 1 zeigt eine Beziehung zwischen jedem Modus und aktiven Schaltungen. Mit ON werden in Tabelle 1 Schaltungen gekennzeichnet, die aktiv sind. Wie in Tabelle 1 gezeigt, arbeiten nur die Steuerung 120 und einige der Peripherieschaltungen (Schaltungen, die zum Timerbetrieb notwendig sind) im Noff1-Modus, und nur die Steuerung 120 arbeitet im Noff2-Modus. [Tabelle 1]

	Aktiv	Noff1	Noff2
CPU 110	ON	-	-
Busbrücke 111	ON	-	-
RAM 112	ON	-	-
Speicherschnittstelle 113	ON	-	-
Takterzeugungsschaltung 115	ON	-	-
Quarzoszillatorschaltung 141	ON	ON	-
Steuerung 120	ON	ON	ON
Interrupt-Steuerung 121	ON	-	-
I/O-Schnittstelle 122	ON	-	-
Zeitschaltung 145	ON	ON	-
I/O-Schnittstelle 146	ON	ON	-
I/O-Port 150	ON	-	-
Vergleicher 151	ON	-	-
I/O-Schnittstelle 152	ON	-	-

Es sei angemerkt, dass unabhängig vom Betriebsmodus ein Strom konstant zu dem Oszillator der Takterzeugungsschaltung 115 und zu der Quarzoszillatorschaltung 141 zugeführt wird. Damit die Takterzeugungsschaltung 115 und die Quarzoszillatorschaltung 141 in inaktive Modi versetzt werden können, wird ein Freigabesignal von der Steuerung 120 oder einer externen Schaltung eingegeben, um die Oszillation der Takterzeugungsschaltung 115 und der Quarzoszillatorschaltung 141 zu unterbrechen.
In den Noff1- und Noff2-Modi wird zudem die Stromversorgung durch die Leistungs-Gate-Einheit 130 unterbrochen, so dass der I/O-Port 150 und die I/O-Schnittstelle 152 inaktiv sind; ein Strom wird jedoch Teilen des I/O-Ports 150 und der I/O-Schnittstelle 152 zugeführt, damit die an den Verbindungsanschluss 174 angeschlossene externe Vorrichtung normal arbeiten kann. Insbesondere wird ein Strom zu einem Ausgangspuffer des I/O-Ports 150 und dem Register 183 des I/O-Ports 150 zugeführt. In den Noff1- und Noff2-Modi sind aktuelle Funktionen des I/O-Ports 150 unterbrochen, nämlich Funktionen zur Datenübertragung zwischen der I/O-Schnittstelle 152 und der externen Vorrichtung und zur Erzeugung eines Interrupt-Signals. Darüber hinaus ist auch eine Kommunikationsfunktion der I/O-Schnittstelle 152 in ähnlicher Weise unterbrochen.
Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung der Ausdruck „eine Schaltung ist inaktiv” einen Zustand, in dem wesentliche Funktionen im Aktiv-Modus (normalen Betriebsmodus) unterbrochen sind, und einen Betriebszustand mit niedrigerem Stromverbrauch als in dem Aktiv-Modus sowie einen Zustand umfasst, in dem eine Schaltung durch Unterbrechung einer Stromversorgung aufhört zu arbeiten.
Damit der Mikrocontroller 100 vom Noff1- oder Noff2-Modus in den Aktiv-Modus schneller zurückkehren kann, weisen ferner die Register 185 bis 187 jeweils einen Sicherungsspeicherabschnitt auf, um zur Zeit der Unterbrechung der Stromversorgung Daten zu speichern. Mit anderen Worten: Die Register 185 bis 187 beinhalten jeweils einen flüchtigen Datenspeicherabschnitt (flüchtigen Speicher) und einen nichtflüchtigen Datenspeicherabschnitt (nichtflüchtigen Speicher). Im Aktiv-Modus werden Daten geschrieben und ausgelesen, indem man auf die flüchtigen Speicher der Register 185 bis 187 zugreift.
Andererseits beinhaltet das Register 184 keinen nichtflüchtigen Speicher, weil Daten, die in dem Register 184 des Vergleichers 151 gespeichert sind, zur Zeit der Unterbrechung der Stromversorgung nicht gespeichert werden müssen. Zusätzlich fungiert, wie zuvor beschrieben, in den Noff1- und Noff2-Modi der I/O-Port 150 als Ausgangspuffer, und auch das Register 183 arbeitet; aus diesem Grund beinhaltet das Register 183 keinen nichtflüchtigen Speicher.
Bei dem Wechsel vom Aktiv-Modus zu dem Noff1- oder Noff2-Modus werden, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird, die in den flüchtigen Speichern der Register 185 bis 187 gespeicherten Daten in die nichtflüchtigen Speicher geschrieben, so dass Daten in den flüchtigen Speichern auf Anfangswerte zurückgesetzt werden.
Bei der Rückkehr vom Noff1- oder Noff2-Modus in den Aktiv-Modus werden dann, wenn ein Strom wieder zu den Registern 185 bis 187 zugeführt wird, Daten in den flüchtigen Speichern auf Anfangswerte zurückgesetzt. Dann werden Daten der nichtflüchtigen Speicher in die flüchtigen Speicher geschrieben.
Folglich sind auch im Modus mit niedrigem Stromverbrauch Daten, die zur Verarbeitung des Mikrocontrollers 100 notwendig sind, in den Registern 185 bis 187 gespeichert, und der Mikrocontroller 100 kann daher sofort vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den Aktiv-Modus zurückkehren.
Das Umschalten der Betriebsmodi wird durch die CPU 110 und die Steuerung 120 gesteuert. Das Umschalten der Betriebsmodi wird anhand von 3, 4 und 5 beschrieben.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das zeigt, wie eine Verarbeitung durch die Steuerung 120 ausgeführt wird, wenn dem Mikrocontroller 100 ein Strom zugeführt wird. Zuerst wird ein Strom von einer externen Stromversorgung zu einigen Schaltungen des Mikrocontrollers 100 zugeführt (Schritte 309 und 310). Im Schritt 309 wird VDD nur zu einem Steuerabschnitt der Leistungs-Gate-Einheit 130 in der Steuerung 120 zugeführt. Zudem wird ein Strom auch zu einem Oszillator der Takterzeugungsschaltung 115 und zu der Quarzoszillatorschaltung 141 zugeführt. Bei der Steuerung 120 wird der Steuerabschnitt der Leistungs-Gate-Einheit 130 initialisiert (Schritt 302).
Die Steuerung 120 gibt ein Freigabesignal zum Starten einer Oszillation an die Takterzeugungsschaltung 115 und die Quarzoszillatorschaltung 141 aus (Schritt 303). Die Steuerung 120 gibt zusätzlich ein Steuersignal an die Leistungs-Gate-Einheit 130 aus, so dass alle Schalterstromkreise (131 und 132) in der Steuerung 120 eingeschaltet werden (Schritt 304). Im Schritt 303 wird MCLK durch die Takterzeugungsschaltung 115 erzeugt, und TCLK wird durch die Takterzeugungsschaltung 140 erzeugt. Im Schritt 304 wird zusätzlich VDD zu allen Schaltungen zugeführt, die an den Verbindungsanschluss 171 angeschlossen sind. Anschließend wird eine Eingabe von MCLK in die Steuerung 120 gestartet, so dass alle Schaltungen in der Steuerung 120 aktiv sind (Schritt 305).
Die Steuerung 120 bricht einen Reset jeder Schaltung in dem Mikrocontroller 100 ab (Schritt 306), so dass eine Eingabe von MCLK in die CPU 110 gestartet wird (Schritt 307). Durch die Eingabe von MCLK beginnt die CPU 110 zu arbeiten, und daher arbeitet der Mikrocontroller 100 im Aktiv-Modus (Schritt 308).
Der Wechsel vom Aktiv-Modus zu dem Stromverbrauchmodus (Noff1- oder Noff2-Modus) wird durch Ausführen eines Programms durch die CPU 110 bestimmt. Die CPU 110 schreibt eine Anforderung zum Wechsel des Betriebsmodus zu dem Modus mit niedrigem Stromverbrauch an eine Adresse, bei welcher der Modus mit niedrigem Stromverbrauch angefordert wird, des Registers 180 der Steuerung 120 (die Adresse wird nachstehend als Noff_TRIG bezeichnet). Zudem scheibt die CPU 110 Daten zum Wechsel des Betriebsmodus entweder zu dem Noff1-Modus oder dem Noff2-Modus an eine vorbestimmte Adresse des Registers 180 (die Adresse wird nachstehend als Noff_MODE bezeichnet).
Die Steuerung 120 beginnt mit dem Wechsel des Betriebsmodus zu dem Noff1-Modus oder dem Noff2-Modus, indem die an Noff_TRIG des Registers 180 geschriebenen Daten als Auslöser verwendet werden.
Bei dem Register 180 beinhaltet der Datenspeicherabschnitt für einen Wechsel des Betriebsmodus nur einen flüchtigen Speicher. Folglich werden Noff_TRIG und Noff_MODE durch Unterbrechung der Stromversorgung initialisiert. Hier handelt es sich bei dem Anfangswert an Noff_MODE um den Aktiv-Modus. Durch eine derartige Einstellung kann der Betriebsmodus vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den Aktiv-Modus selbst dann zurückkehren, wenn die CPU 110 nicht arbeitet und keine Daten an Noff_TRIG geschrieben werden.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das den Wechsel vom Aktiv-Modus zu dem Noff1- oder Noff2-Modus zeigt. Im Aktiv-Modus bestimmt dann, wenn es erkannt wird, dass Daten an Noff_TRIG des Registers 180 geschrieben werden (Schritte 320 und 321), die Steuerung 120 je nach einem Wert an Noff_MODE einen Betriebsmodus, zu dem der Wechsel vom Aktiv-Modus stattfindet (Schritt 322). Hier wird bei der Verarbeitung in 4 ein Beispiel für den Wechsel zu dem Noff1-Modus beschrieben; jedoch kann das Gleiche auch für den Wechsel zum dem Noff2-Modus gelten.
Die Steuerung 120 gibt an die Register 185 und 186, denen im Noff1-Modus kein Strom zugeführt wird, ein Steuersignal aus, um Datenspeicherung anzufordern (Schritt 323). Wenn die Register 185 und 186 ein Steuersignal von der Steuerung 120 empfangen, werden Daten der flüchtigen Speicher in den nichtflüchtigen Speichern gespeichert (gesichert).
Als nächstes gibt die Steuerung 120 ein Steuersignal zum Zurücksetzen einer Schaltung aus, der im Noff1-Modus kein Strom zugeführt wird (Schritt 324), und unterbricht die Zuführung von MCLK zu der CPU 110 (Schritt 325). Die Steuerung 120 gibt ein Steuersignal an die Leistungs-Gate-Einheit 130 aus, so dass der Schalterstromkreis 132 ausgeschaltet wird (Schritt 326). Im Schritt 326 wird die Stromversorgung zu den Einheiten 102 bis 104 unterbrochen. Die Steuerung 120 gibt dann ein Freigabesignal zur Unterbrechung der Oszillation an die Takterzeugungsschaltung 115 aus (Schritt 327). Durch diese Schritte wird der Wechsel des Betriebsmodus zu dem Noff1-Modus durchgeführt (Schritt 328).
Wenn im Schritt 322 der Wechsel zu dem Noff2-Modus bestimmt wird, werden im Schritt 323 Daten auch in dem Register 187 für die Zeitschaltung 145 gesichert. Im Schritt 326 wird auch der Schalterstromkreis 131 ausgeschaltet. Im Schritt 327 wird das Freigabesignal zur Unterbrechung der Oszillation ebenfalls an die Quarzoszillatorschaltung 141 ausgegeben.
Der Wechsel vom Noff1- oder Noff2-Modus zu dem Aktiv-Modus wird durch ein Interrupt-Signal ausgelöst, das die Steuerung 120 empfängt. Im Noff1-Modus dient ein externes Interrupt-Signal INT1 oder ein Interrupt-Signal T0IRQ von der Zeitschaltung 145 als Auslöser, und im Noff2-Modus dient ein externes Interrupt-Signal INT1 als Auslöser.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Rückkehr-Verarbeitung vom Noff1- oder Noff2-Modus in den Aktiv-Modus zeigt. Hier wird ein Fall beschrieben, in dem der Betriebsmodus vom Noff1-Modus in den Aktiv-Modus zurückkehrt, wobei das Gleiche auch für den Noff2-Modus gelten kann.
Im Noff1- oder Noff2-Modus gibt dann, wenn die Steuerung 120 ein Interrupt-Signal erkennt, die Steuerung 120 ein Freigabesignal an den Oszillator der Takterzeugungsschaltung 115 aus, um die Oszillation wieder aufzunehmen, so dass MCLK von der Takterzeugungsschaltung 115 an die Steuerung 120 ausgegeben wird (Schritte 350 bis 353).
Die Steuerung 120 bestimmt je nach einem Wert an Noff_MODE des Registers 180 einen Betriebsmodus, zu dem der Wechsel stattfindet (Schritt 354). Im Noff1- oder Noff2-Modus werden Daten an Noff_MODE auf einen Anfangswert zurückgesetzt, und daher wird der Aktiv-Modus ausgewählt.
Die Steuerung 120 steuert die Leistungs-Gate-Einheit 130, um den Schalterstromkreis 132 einzuschalten (Schritt 355). Die Steuerung 120 bricht einen Reset der Einheiten 102 bis 104 ab, zu denen die Stromversorgung wieder aufgenommen wird (Schritt 356), und die Zuführung von MCLK zu der CPU 110 wird wieder aufgenommen (Schritt 357). Anschließend werden Steuersignale an die Register 185 und 186 ausgegeben, und die in den nichtflüchtigen Speichern gesicherten Daten werden zurück in die flüchtigen Speicher geschrieben (Schritt 358). Durch diese Schritte kehrt der Mikrocontroller 100 in den Aktiv-Modus zurück (Schritt 359).
Im Noff1-Modus ermöglicht, wie zuvor beschrieben, die Steuerung 120, dass der Mikrocontroller 100 als Antwort auf das Interrupt-Signal T0IRQ von der Zeitschaltung 145 in den Aktiv-Modus zurückkehrt. Die Timerfunktion der Zeitschaltung 145 ermöglicht es folglich dem Mikrocontroller 100, mit Unterbrechungen zu arbeiten. Mit anderen Worten: Das Interrupt-Signal T0IRQ wird in regelmäßigen Intervallen ausgegeben, so dass der Betriebsmodus regelmäßig vom Noff1-Modus in den Aktiv-Modus zurückkehren kann. Im Aktiv-Modus führt dann, wenn die Steuerung 120 bestimmt, dass eine Verarbeitung in dem Mikrocontroller 100 endet, die Steuerung 120 die oben beschriebene Steuerverarbeitung aus, um den Mikrocontroller 100 in den Noff1-Modus zu versetzen.
Der Mikrocontroller 100 sollte sich im Aktiv-Modus befinden, damit die CPU 110 arbeiten und Eingangssignale von den Verbindungsanschlüssen 174 und 175 verarbeiten kann; jedoch ist die Zeit für die arithmetische Verarbeitung der CPU 110 extrem kurz. Daher kann dieser Ausführungsform entsprechend der Mikrocontroller 100 im Modus mit niedrigem Stromverbrauch (Noff1-Modus) außer in der Periode arbeiten, in der ein externes Signal verarbeitet wird.
Deshalb ist der Mikrocontroller 100 für Vorrichtungen, die durch intermittierende Steuerung arbeiten, wie z. B. eine Sensorvorrichtung und eine Überwachungsvorrichtung, sehr geeignet. Der Mikrocontroller 100 ist beispielsweise für Steuervorrichtungen von Feuermeldern, Rauchmeldern, Managementeinheiten von Sekundärbatterien und dergleichen geeignet. Im Besonderen haben Vorrichtungen, die Batterien als Stromquellen aufweisen, ein Problem mit dem Stromverbrauch aufgrund der langen Betriebsdauer. Jedoch kann der Stromverbrauch während des Betriebs verringert werden, da in dem Großteil der Betriebsperiode des Mikrocontrollers 100 nur Schaltungen arbeiten, die für die Rückkehr des Mikrocontrollers 100 in den Aktiv-Modus nötig sind.
Folglich ist es dieser Ausführungsform entsprechend möglich, den Mikrocontroller bereitzustellen, der unter Anwendung des Modus mit niedrigem Stromverbrauch bei niedrigem Stromverbrauch arbeiten und schnell vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den normalen Betriebsmodus zurückkehren kann.
Überdies können notwendige Daten in nichtflüchtigen Speichern von Registern gesichert werden, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird; daher kann eine Verarbeitung zur Unterbrechung einer Stromversorgung angefangen werden, bevor eine CPU ihre Verarbeitung beendet, was zu einer Erhöhung der Flexibilität des Zeitpunkts führt, zu dem die Stromversorgung unterbrochen wird.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden.
(Ausführungsform 2)
Ein Register, das sowohl einen nichtflüchtigen Speicher als auch einen flüchtigen Speicher beinhaltet, wird anhand von 6 beschrieben.
6 ist ein Schaltplan eines Registers, das sowohl einen nichtflüchtigen Speicher als auch einen flüchtigen Speicher beinhaltet. 6 stellt ein Register 200 dar, das eine 1-Bit-Speicherkapazität aufweist. Das Register 200 beinhaltet Speicherschaltungen 201 und 202. Die Speicherschaltung 201 ist ein flüchtiger 1-Bit-Speicher, während die Speicherschaltung 202 ein nichtflüchtiger 1-Bit-Speicher ist. Es sei angemerkt, dass das Register 200 eine weitere Komponente, wie z. B. eine Diode, einen Widerstand oder einen Induktor, beinhalten kann.
Die Speicherschaltung 201 erhält ein niedriges Stromversorgungspotential VSS (nachstehend als VSS bezeichnet) und ein hohes Stromversorgungspotential VDD (nachstehend als VDD bezeichnet) als Stromversorgungspotentiale. Die Speicherschaltung 201 kann während einer Periode, in der eine Potentialdifferenz zwischen VDD und VSS als Stromversorgungspotential zugeführt wird, Daten speichern.
Die Speicherschaltung 202 beinhaltet einen Transistor 203, einen Transistor 204, einen Kondensator 205, ein Transmission-Gate 206, einen Transistor 207, einen Inverter 208 und einen Inverter 209.
Ein Potential, das auf Daten der Speicherschaltung 201 basiert, wird über das Transmission-Gate 206 in die Speicherschaltung 202 eingegeben. Der Transistor 203 steuert die Zuführung des Potentials zu einem Knoten FN. Des Weiteren steuert der Transistor 203 die Zuführung eines Potentials V1 zu dem Knoten FN. In 6 wird das Einschalten/Ausschalten des Transistors 203 durch ein Signal WE1 gesteuert. Es sei angemerkt, dass das Potential V1 VSS oder VDD gleich sein kann.
Der Knoten FN ist ein Datenspeicherabschnitt in der Speicherschaltung 202. Das Potential des Knotens FN wird durch den Transistor 203 und den Kondensator 205 gespeichert. Auf dem Potential des Knotens FN basierend wird das Einschalten/Ausschalten des Transistors 204 gesteuert. Wenn der Transistor 204 eingeschaltet wird, wird das Potential V1 über den Transistor 204 zu der Speicherschaltung 201 zugeführt.
Als Antwort auf ein Signal WE2 wird das Einschalten/Ausschalten des Transmission-Gates 206 gesteuert. In das Transmission-Gate 206 werden ein Signal, das eine bezüglich des Signals WE2 invertierte Polarität aufweist, und ein Signal eingegeben, das die gleiche Polarität wie das Signal WE2 aufweist. Dabei wird das Transmission-Gate 206 ausgeschaltet, wenn das Potential des Signals WE2 auf einem hohen Pegel liegt, und es wird eingeschaltet, wenn es auf einem niedrigen Pegel liegt.
Als Antwort auf das Signal WE2 wird das Einschalten/Ausschalten des Transistors 207 gesteuert. Dabei wird der Transistor 207 eingeschaltet, wenn das Potential des Signals WE2 auf einem hohen Pegel liegt, und der Transistor 207 wird ausgeschaltet, wenn das Signal WE2 auf einem niedrigen Pegel liegt. Es sei angemerkt, dass anstelle des Transistors 207 ein weiterer Schalter, wie z. B. ein Transmission-Gate, dessen Form sich von derjenigen des Transistors 207 unterscheidet, verwendet werden kann.
Um die Ladungserhaltungseigenschaften der Speicherschaltung 202 zu verstärken, ist ein Sperrstrom des Transistors 203 vorzugsweise möglichst niedrig. Das liegt daran, dass dann, wenn ein Sperrstrom des Transistors 203 niedrig ist, die Menge an aus dem Knoten FN austretender Ladung verringert werden kann. Als Transistor, bei dem ein Leckstrom niedriger sein kann als bei einem Transistor aus einkristallinem Silizium, wird ein Transistor genannt, der unter Verwendung eines Dünnfilms aus einem Oxidhalbleiter hergestellt wird, der eine größere Bandlücke als Silizium und eine niedrigere Eigenleitungsdichte als Silizium aufweist.
Unter Oxidhalbleitern (oxide semiconductor, OS) bezieht sich insbesondere ein hochreiner Oxidhalbleiter (gereinigter OS), der durch Verringern von als Elektronendonator (Donator) dienenden Verunreinigungen, wie z. B. Feuchtigkeit oder Wasserstoff, und durch Verringern von Sauerstofffehlstellen erhalten wird, auf einen intrinsischen (i-Typ-)Halbleiter oder einen im Wesentlichen i-Typ-Halbleiter. Aus diesem Grund weist ein Transistor mit einem Kanalbildungsbereich in einer hochreinen Oxidhalbleiterschicht eine sehr kleine Menge an Sperrstrom und hohe Zuverlässigkeit auf, und daher ist er als der Transistor 203 geeignet.
Nun werden, um den „niedrigen Sperrstrom” des Transistors, dessen Kanal in dem Oxidhalbleiterfilm des mehrschichtigen Films gebildet wird, zu erläutern, Messergebnisse des Sperrstroms des Transistors mit dem mehrschichtigen Film beschrieben.
<Messung des Sperrstroms des Transistors mit dem mehrschichtigen Film>
Zuerst wird ein Messmuster beschrieben.
Zunächst wurde ein isolierender Basisfilm über einem Siliziumsubstrat ausgebildet. Ein 300 nm dickes Siliziumoxynitrid wurde durch ein CVD-Verfahren als isolierender Basisfilm ausgebildet.
Als nächstes wurde ein erster Oxidfilm über dem isolierenden Basisfilm ausgebildet. Der erste Oxidfilm wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets, das ein In-Ga-Zn-Oxid (mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2) ist, in einer Dicke von 5 nm ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Abscheidung unter Bedingungen durchgeführt wurde, bei denen ein Argongas mit einer Durchflussmenge von 30 sccm und ein Sauerstoffgas mit einer Durchflussmenge von 15 sccm als Abscheidungsgas verwendet wurden, der Druck 0,4 Pa war, die Substrattemperatur 200°C war und eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Als nächstes wurde ein Oxidhalbleiterfilm über dem ersten Oxidfilm ausgebildet. Als Oxidhalbleiterfilm wurde ein 15 nm dickes In-Ga-Zn-Oxid durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets ausgebildet, das ein In-Ga-Zn-Oxid (mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1) war. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 300°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Als nächstes wurde ein zweiter Oxidfilm über dem Oxidhalbleiterfilm ausgebildet. Als zweiter Oxidfilm wurde ein 5 nm dickes In-Ga-Zn-Oxid durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets ausgebildet, das ein In-Ga-Zn-Oxid (mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2) war. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Als nächstes wurde eine Wärmebehandlung durchgeführt, um Wasser Wasserstoff und dergleichen, welche in dem Oxidhalbleiterfilm enthalten sind, freizugeben. Hier wurde eine Wärmebehandlung bei 450°C eine Stunde lang in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, und dann wurde eine Wärmebehandlung bei 450°C eine Stunde lang in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt.
Ein leitender Film wurde dann über dem isolierenden Basisfilm und dem zweiten Oxidfilm ausgebildet, eine Maske wurde durch einen Photolithographieprozess über dem leitenden Film ausgebildet, und der leitende Film wurde unter Verwendung der Maske teilweise geätzt, so dass eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode ausgebildet wurden. Es sei angemerkt, dass als leitender Film, der zu der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird, ein 100 nm dicker Wolframfilm ausgebildet wurde.
Anschließend wurde ein Gate-Isolierfilm über dem zweiten Oxidfilm, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ausgebildet. Ein 30 nm dicker Siliziumoxynitridfilm wurde durch ein CVD-Verfahren als Gate-Isolierfilm ausgebildet.
Dann wurde eine Gate-Elektrode über dem Gate-Isolierfilm ausgebildet. Ein 30 nm dicker Tantalnitridfilm wurde durch ein Sputterverfahren ausgebildet, und ein 135 nm dicker Wolframfilm wurde durch ein Sputterverfahren über dem Tantalnitridfilm ausgebildet. Eine Maske wurde durch einen Photolithographieprozess über dem Wolframfilm ausgebildet, und der Tantalnitridfilm und der Wolframfilm wurden unter Verwendung der Maske teilweise geätzt, so dass die Gate-Elektrode ausgebildet wurde.
Anschließend wurde ein isolierender Zwischenschichtfilm ausgebildet, um die Komponenten zu bedecken. Der isolierende Zwischenschichtfilm wurde auf eine solche Weise ausgebildet, dass ein 70 nm dicker Aluminiumoxidfilm durch ein Sputterverfahren ausgebildet wurde und dass ein 300 nm dicker Siliziumoxynitridfilm durch ein CVD-Verfahren über dem Aluminiumoxidfilm ausgebildet wurde.
Bei dem Transistor ist die Kanallänge L 0,73 μm, die Kanalbreite W ist 1 cm, und die Länge Loff zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode (oder der Drain-Elektrode) ist 0,67 μm.
Durch den verstehenden Prozess wurde das Transistor-Muster hergestellt.
Als nächstes werden Messergebnisse des Leckstroms des hergestellten Transistors beschrieben.
Es wurden die folgenden zwei Messbedingungen in einer dunklen Umgebung verwendet: eine Bedingung, bei der eine trockene Atmosphäre verwendet wurde, Vgs –4 V war, VDS –1 V war und die Temperatur 85°C war; und eine Bedingung, die gleich der Bedingung ist, außer dass die Temperatur 125°C war.
Wie in 25 gezeigt, sind die niedrigen Sperrströme bei 85°C und 125°C selbst nach Ablauf der Zeit niedrig, d. h. niedriger als oder gleich 1 × 10^–21 A/μm bzw. niedriger als oder gleich 1 × 10^–19 A/μm.
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass der Transistor mit einem mehrschichtigen Film einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist.
Wie zuvor beschrieben, wird der Transistor, dessen Kanal in dem Oxidhalbleiterfilm des mehrschichtigen Films gebildet wird, verwendet, wodurch der Transistor einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweisen kann. Bei einem Register, das den Transistor beinhaltet, können außerdem die Ladungserhaltungseigenschaften einer Speicherschaltung verbessert werden.
Als nächstes wird ein Beispiel für die Arbeitsweise des Registers 200 beschrieben.
Für den Wechsel vom Aktiv-Modus zu dem Modus mit niedrigem Stromverbrauch werden Daten der Speicherschaltung 201 in der Speicherschaltung 202 gesichert. Um die Speicherschaltung 202 vor der Sicherung von Daten zurückzusetzen, wird das Transmission-Gate 206 ausgeschaltet, der Transistor 207 wird eingeschaltet und der Transistor 203 wird eingeschaltet, so dass dem Knoten FN das Potential V1 zugeführt wird. Auf diese Weise wird das Potential des Knotens FN in einen Anfangszustand versetzt.
Dann werden Daten der Speicherschaltung 201 in der Speicherschaltung 202 gesichert. Indem das Transmission-Gate 206 eingeschaltet wird, der Transistor 207 ausgeschaltet wird und der Transistor 203 eingeschaltet wird, wird dem Knoten FN ein Potential verliehen, das der Menge an in der Speicherschaltung 201 gespeicherter Ladung entspricht. Mit anderen Worten: Daten der Speicherschaltung 201 werden in die Speicherschaltung 202 geschrieben. Nachdem Daten geschrieben worden sind, wird der Transistor 203 ausgeschaltet, so dass das Potential des Knotens FN gespeichert wird. Auf diese Weise werden Daten der Speicherschaltung 201 in der Speicherschaltung 202 gespeichert.
Anschließend wird die Stromversorgung zu dem Register 200 unterbrochen. Um die Stromversorgung zu unterbrechen, wird VSS durch die Leistungs-Gate-Einheit 130 einem Knoten verliehen, dem VDD verliehen wird. Da der Transistor 203 einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist, kann auch dann, wenn dem Register 200 kein VDD zugeführt wird, eine in dem Kondensator 205 oder dem Gate-Kondensator des Transistors 204 gespeicherte Ladung für einen langen Zeitraum gespeichert werden. Die Speicherschaltung 202 kann daher auch während einer Periode, in der die Stromversorgung unterbrochen ist, Daten speichern.
Für die Rückkehr vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den Aktiv-Modus wird die VDD-Versorgung zu dem Register 200 wieder aufgenommen. Die Speicherschaltung 201 wird dann in einen Anfangszustand zurückgesetzt. Dieser Schritt erfolgt, indem dem Knoten, der die Ladung der Speicherschaltung 201 speichert, VSS verliehen wird.
Anschließend werden Daten, die in der Speicherschaltung 202 gespeichert sind, in die Speicherschaltung 201 geschrieben. Wenn der Transistor 204 eingeschaltet wird, wird der Speicherschaltung 201 das Potential V1 verliehen. Da die Speicherschaltung 201 das Potential V1 empfängt, wird dem Knoten, der Daten speichert, ein Potential VDD verliehen. Wenn der Transistor 204 ausgeschaltet wird, verbleibt das Potential des Daten speichernden Knotens in der Speicherschaltung 201 im Anfangszustand. Durch diesen Betrieb werden Daten der Speicherschaltung 202 in der Speicherschaltung 201 gespeichert.
Indem bei dem Mikrocontroller 100 in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch das Register 200 als Register verwendet wird, denen kein Strom zugeführt wird, können Daten in einem kurzen Zeitraum gesichert werden, während der Mikrocontroller 100 eine Verarbeitung ausführt. Darüber hinaus kann, nachdem die Stromversorgung wieder aufgenommen worden ist, der Betriebsmodus in einem kurzen Zeitraum in einen Zustand vor der Unterbrechung der Stromversorgung zurückkehren. Bei dem Mikrocontroller 100 kann daher die Stromversorgung auch für einen langen Zeitraum, wie z. B. 60 Sekunden, oder auch für einen kurzen Zeitraum, wie z. B. einige Millisekunden, unterbrochen sein. Als Ergebnis kann der Mikrocontroller 100 bereitgestellt werden, der weniger Strom verbraucht.
Bei dem Register 200 wird entsprechend dem Potential, das in dem Knoten FN der Speicherschaltung 202 gespeichert ist, der Betriebszustand (das Einschalten oder Ausschalten) des Transistors 204 ausgewählt, so dass Daten 0 oder 1 basierend auf dem ausgewählten Betriebsmodus ausgelesen werden. Auf diese Weise können die ursprünglichen Daten selbst dann genau gelesen werden, wenn die Menge an in dem Knoten FN gespeicherter Ladung in gewissem Maße schwankt, während die Stromversorgung unterbrochen ist.
Zudem wird, basierend auf der Menge an in der Speicherschaltung 201 gespeicherter Ladung, VDD oder VSS zu dem Knoten FN in der Speicherschaltung 202 zugeführt. In dem Fall, in dem das Potential des Knotens FN zum Zeitpunkt, zu dem die Gate-Spannung des Transistors 204 gleich einer Schwellenspannung ist, als Potential V0 eingestellt wird, handelt es sich bei dem Potential V0 um einen Wert zwischen VDD und VSS; der Betriebsmodus des Transistors 204 wird umgeschaltet, wenn der Knoten FN das Potential V0 annimmt. Das Potential V0 muss jedoch nicht unbedingt gleich dem Zwischenwert zwischen VDD und VSS sein. Wenn beispielsweise eine Potentialdifferenz zwischen VDD und dem Potential V0 größer ist als eine Potentialdifferenz zwischen VSS und dem Potential V0, dauert es für den Knoten FN länger, durch die VSS-Versorgung zu dem VDD speichernden Knoten FN das Potential V0 zu erreichen, als durch die VDD-Versorgung zu dem VSS speichernden Knoten FN. Aus diesem Grund wird der Transistor 204 langsam umgeschaltet.
Bei dem Register 200 wird jedoch, bevor Daten der Speicherschaltung 201 in die Speicherschaltung 202 geschrieben werden, dem Knoten FN das Potential V1 verliehen, so dass das Potential des Knotens FN in einen Anfangszustand versetzt werden kann. Auf diese Weise wird selbst dann, wenn das Potential V0 weniger als der Zwischenwert zwischen VDD und VSS ist, dem Knoten FN das Potential V1, das gleich dem Potential VSS ist, im Voraus verliehen, wodurch die Zeit für die Zuführung des Potentials VSS zu dem Knoten FN verkürzt werden kann. Als Ergebnis können Daten schnell in die Speicherschaltung 202 geschrieben werden.
Zudem kann das Register 200, das den Transistor 203 mit sehr niedrigem Sperrstrom beinhaltet, den Stromverbrauch (Overhead), der aus Vorgängen, wie z. B. Datensicherung und Datenrettung, resultiert wird, verringern, im Vergleich zu nichtflüchtigen Speichern, wie z. B. einem MRAM. Als Vergleichsbeispiel wird ein Magnetoresistives Random Access Memory (MRAM) genannt. Ein allgemeines MRAM braucht 50 μA bis 500 μA als Strom zum Schreiben von Daten. Dagegen kann der Strom, den das Register 200 zum Schreiben von Daten benötigt, etwa 1/100 desjenigen eines solchen MRAM sein, da bei dem Register 200 durch Ladungszuführung zu einem Kondensator Daten gesichert werden. Bei dem Register 200 kann demzufolge ein Zeitraum, in dem die Stromversorgung unterbrochen ist und der Overhead gleich dem Strom ist, der durch die Unterbrechung der Stromversorgung verringert wird, d. h. Break Even Time (BET), kürzer sein als in dem Fall, in dem ein MRAM für ein Register verwendet wird. Mit andere Worten: Der Strom, der verbraucht wird, wenn bei dem Wechsel des Betriebsmodus Daten in dem Register gesichert werden, kann verringert werden, indem das Register 200 als Register des Mikrocontrollers 100 eingesetzt wird.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden.
(Ausführungsform 3)
Eine Speicherzellenstruktur des RAM 112 wird anhand von 7 beschrieben. 7 ist ein Schaltplan einer Speicherzelle 400 in dem RAM 112. Die Speicherzelle 400 beinhaltet drei Transistoren 401 bis 403 und einen Kondensator 404. Die Speicherzelle 400 ist mit einer Bitleitung BL, einer Wortleitung RWL und einer Wortleitung WWL verbunden. Die Wortleitung RWL ist eine Lesewortleitung, und die Wortleitung WWL ist eine Schreibwortleitung. Zusätzlich wird VSS von einer Stromversorgungsleitung 405 zu der Speicherzelle 400 zugeführt. Wenn es sich bei VSS um ein Potential von höher als 0 V handelt, kann das Potential der Stromversorgungsleitung 405 bei 0 V liegen.
Die Bitleitung BL ist mit einer Ausleseschaltung und einer Schreibschaltung des RAM 112 verbunden. Die Wortleitungen RWL und WWL sind zudem mit einem Zeilentreiber verbunden.
Damit die Speicherzelle 400 als nichtflüchtige Speicherschaltung fungieren kann, handelt es sich bei dem Transistor 401, ähnlich wie bei dem Transistor 203 in dem Register 200, vorzugsweise um einen Transistor mit sehr niedrigem Sperrstrom. Das liegt daran, dass die Ladung des Knotens FN (des Gates des Transistors 403) als Daten in der Speicherzelle 400 gespeichert wird.
Vorgänge beim Auslesen und Schreiben werden nachfolgend beschrieben. Damit Daten in die Speicherzelle 400 geschrieben werden können, wird das Potential der Wortleitung RWL auf einen niedrigen Pegel eingestellt und das Potential der Wortleitung WWL wird auf einen hohen Pegel eingestellt, so dass nur der Transistor 401 eingeschaltet wird. Die Ladung, die dem Potential der Bitleitung BL entspricht, wird in dem Knoten FN akkumuliert. Nachdem das Potential der Wortleitung WWL für einen gewissen Zeitraum auf einem hohen Pegel gehalten worden ist, wird das Potential zurück auf einen niedrigen Pegel eingestellt, wodurch der Schreibvorgang beendet wird.
Um einen Auslesevorgang durchzuführen, wird das Potential der Bitleitung BL auf einen hohen Pegel eingestellt (Vorladen). Dann wird das Potential der Wortleitung WWL auf einen niedrigen Pegel eingestellt, und das Potential der Wortleitung RWL wird auf einen hohen Pegel eingestellt, so dass der Transistor 402 eingeschaltet wird. Zwischen einer Source und einem Drain des Transistors 403 fließt ein Strom, der dem Potential des Gates (Knotens FN) entspricht. In Abhängigkeit von der Menge des fließenden Stroms nimmt das Potential der Bitleitung BL ab. Die Ausleseschaltung erkennt einen Verschiebungsbetrag des Potentials der Bitleitung BL und bestimmt, ob die in der Speicherzelle 400 gespeicherten Daten 0 oder 1 sind.
Sowohl beim Auslesevorgang als auch beim Schreibvorgang steuert die Speicherzelle 400 dieser Ausführungsform das Einschalten/Ausschalten nur eines Transistors, und somit kann ein nichtflüchtiges, schnell zu betreibendes RAM bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden.
(Ausführungsform 4)
Jede Schaltung in dem Mikrocontroller 100 kann auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sein. 8 stellt ein Beispiel für eine Querschnittsstruktur eines Teils des Mikrocontrollers 100 dar. Dargestellt sind in 8 als Hauptbestandteile, die Schaltungen in dem Mikrocontroller 100 bilden, ein Transistor 860, der einen Kanalbildungsbereich in einer Oxidhalbleiterschicht aufweist, und ein p-Kanal-Transistor 861 und ein n-Kanal-Transistor 862, welche jeweils einen Kanalbildungsbereich in einem Siliziumsubstrat aufweisen.
Der Transistor 860 wird bei der Speicherzelle des RAM 112 (wie der Transistor 401 in 7) und bei den Registern 185 bis 187 (siehe den Transistor 203 in 6) eingesetzt. Die Transistoren 861 und 862 können als sonstige Transistoren eingesetzt werden.
Wie in 8 dargestellt, sind der Transistor 861 und der Transistor 862 auf einem Halbleitersubstrat 800 ausgebildet. Das Halbleitersubstrat 800 kann beispielsweise ein einkristallines Siliziumsubstrat mit n-Typ- oder p-Typ-Leitfähigkeit, ein Verbund-Halbleitersubstrat (z. B. ein GaAs-Substrat, ein InP-Substrat, ein GaN-Substrat, ein SiC-Substrat oder ein ZnSe-Substrat) oder dergleichen sein. 8 stellt beispielhaft einen Fall dar, in dem ein einkristallines Siliziumsubstrat mit n-Typ-Leitfähigkeit verwendet wird.
Zudem sind die Transistoren 861 und 862 durch einen isolierenden Elementisolationsfilm 801 elektrisch voneinander isoliert. Der isolierende Elementisolationsfilm 801 kann durch ein selektives Oxidationsverfahren, wie z. B. ein Verfahren der lokalen Oxidation von Silizium (local oxidation of silicon, LOCOS), ein Grabenisolationsverfahren oder dergleichen, ausgebildet werden. Das Halbleitersubstrat 800 kann ein SOI-Halbleitersubstrat sein. In diesem Fall kann die Elementisolation erzielt werden, indem eine Halbleiterschicht durch Ätzen in Elemente geteilt wird.
In einem Bereich, in dem der Transistor 862 ausgebildet werden sollte, wird eine p-Wanne 802 durch selektiven Zusatz eines p-Typ-Leitfähigkeit verleihenden Verunreinigungselementes ausgebildet.
Der Transistor 861 beinhaltet einen Verunreinigungsbereich 803, einen Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration 804, eine Gate-Elektrode 805 und einen Gate-Isolierfilm 806, der zwischen der Gate-Elektrode 805 und dem Halbleitersubstrat 800 ausgebildet ist. Die Gate-Elektrode 805 weist eine Seitenwand 836 in ihrer Peripherie auf.
Der Transistor 862 beinhaltet einen Verunreinigungsbereich 807, einen Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration 808, eine Gate-Elektrode 809 und den Gate-Isolierfilm 806. Die Gate-Elektrode 809 weist eine Seitenwand 835 in ihrer Peripherie auf.
Ein isolierender Film 816 ist über den Transistoren 861 und 862 ausgebildet. Öffnungsabschnitte sind in dem isolierenden Film 816 ausgebildet, eine Leitung 810 und eine Leitung 811 sind in Kontakt mit den Verunreinigungsbereichen 803 ausgebildet, und eine Leitung 812 und eine Leitung 813 sind in Kontakt mit den Verunreinigungsbereichen 807 ausgebildet.
Die Leitung 810 ist mit einer Leitung 817 verbunden, die über dem isolierenden Film 816 ausgebildet ist, die Leitung 811 ist mit einer Leitung 818 verbunden, die über dem isolierenden Film 816 ausgebildet ist, die Leitung 812 ist mit einer Leitung 819 verbunden, die über dem isolierenden Film 816 ausgebildet ist, und die Leitung 813 ist mit einer Leitung 820 verbunden, die über dem isolierenden Film 816 ausgebildet ist.
Ein isolierender Film 821 ist über den Leitungen 817 bis 820 ausgebildet. Ein Öffnungsabschnitt ist in dem isolierenden Film 821 ausgebildet, und eine Leitung 822, die in dem Öffnungsabschnitt mit der Leitung 820 verbunden ist, und eine Leitung 823 sind über dem isolierenden Film 821 ausgebildet. Ein isolierender Film 824 ist zusätzlich über der Leitung 822 und der Leitung 823 ausgebildet.
Ein Transistor 860, der eine Oxidhalbleiterschicht 830 aufweist, ist über dem isolierenden Film 824 ausgebildet. Der Transistor 860 beinhaltet einen leitenden Film 832 und einen leitenden Film 833, welche jeweils als Source-Elektrode oder Drain-Elektrode dienen, einen Gate-Isolierfilm 831 und eine Gate-Elektrode 834 über der Oxidhalbleiterschicht 830. Der leitende Film 832 ist in dem Öffnungsabschnitt, der in dem isolierenden Film 824 ausgebildet ist, mit der Leitung 822 verbunden.
Die Oxidhalbleiterschicht 830 überlappt die Leitung 823, wobei der isolierende Film 824 dazwischen liegt. Die Leitung 823 fungiert als Backgate des Transistors 860. Die Leitung 823 kann je nach Bedarf ausgebildet sein.
Der Transistor 860 ist mit einem isolierenden Film 844 und einem isolierenden Film 845 bedeckt. Der isolierende Film 844 ist vorzugsweise ein isolierender Film, der ein Eindringen von Wasserstoff, der aus dem isolierenden Film 845 abgegeben wird, in die Oxidhalbleiterschicht 830 verhindern kann. Beispiele für einen derartigen isolierenden Film sind ein Siliziumnitridfilm und dergleichen.
Ein leitender Film 846 ist über dem isolierenden Film 844 ausgebildet. In einem Öffnungsabschnitt, der in dem isolierenden Film 844, dem isolierenden Film 845 und dem Gate-Isolierfilm 831 ausgebildet ist, steht der leitende Film 846 in Kontakt mit dem leitenden Film 832.
Die Dicke der Oxidhalbleiterschicht 830 ist vorzugsweise 2 nm bis 40 nm. Bei der Oxidhalbleiterschicht 830 handelt es sich vorzugsweise um einen i-Typ-(intrinsischen) oder im Wesentlichen intrinsischen Oxidhalbleiter, um einen Kanalbildungsbereich des Transistors 860 zu bilden. Es sei angemerkt, dass es sich bei einer Oxidhalbleiterschicht, die durch Verringern von als Elektronendonatoren (Donatoren) dienenden Verunreinigungen, wie z. B. Feuchtigkeit und Wasserstoff, hochrein wird und verringerte Sauerstofffehlstellen aufweist, um einen intrinsischen (i-Typ-)Halbleiter oder einen im Wesentlichen i-Typ-Halbleiter handelt. Hier wird eine derartige Oxidhalbleiterschicht als hochreine Oxidhalbleiterschicht bezeichnet. Ein Transistor, der unter Verwendung einer hochreinen Oxidhalbleiterschicht hergestellt wird, weist eine sehr kleine Menge an Sperrstrom und hohe Zuverlässigkeit auf.
Die Ladungsträgerdichte der Oxidhalbleiterschicht 830 ist bevorzugt 1 × 10¹⁷/cm³ oder niedriger, stärker bevorzugt 1 × 10¹⁶/cm³ oder niedriger, 1 × 10¹⁵/cm³ oder niedriger, 1 × 10¹⁴/cm³ oder niedriger oder 1 × 10¹³/cm³ oder niedriger, um einen Transistor mit niedrigem Sperrstrom herzustellen.
Die Source-Drain-Strom des Transistors 860 in einem Sperrzustand kann bei Raumtemperatur (etwa 25°C) 1 × 10^–18 A oder niedriger sein, da die Oxidhalbleiterschicht 830 verwendet wird. Der Source-Drain-Sperrstrom bei Raumtemperatur (etwa 25°C) ist bevorzugt 1 × 10^–21 A oder niedriger, stärker bevorzugt 1 × 10^–24 A oder niedriger. Alternativ kann der Stromwert bei 85°C 1 × 10^–15 A oder niedriger, bevorzugt 1 × 10^–18 A oder niedriger, stärker bevorzugt 1 × 10^–21 A oder niedriger sein. Ein Sperrzustand eines Transistors bezieht sich bei einem n-Kanal-Transistor auf einen Zustand, in dem eine Gate-Spannung viel niedriger ist als eine Schwellenspannung. Insbesondere befindet sich der Transistor in einem Sperrzustand, wenn die Gate-Spannung um 1 V oder mehr, 2 V oder mehr oder 3 V oder mehr niedriger ist als die Schwellenspannung.
Einige Experimente beweisen, dass der Sperrstrom des Transistors, bei dem eine Oxidhalbleiterschicht eingesetzt wird, sehr niedrig ist. Zum Beispiel wurden die folgenden Messdaten erhalten: Ein Transistor mit einer Kanalbreite von 1 × 10⁶ μm und einer Kanallänge von 10 μm kann einen Sperrstrom aufweisen, der niedriger als oder gleich der Nachweisgrenze eines Halbleiterparameteranalysators ist, das heißt niedriger als oder gleich 1 × 10^–13 A, wenn die Spannung (Drain-Spannung) zwischen einer Source und einem Drain zwischen 1 V und 10 V liegt. In diesem Fall ist zu verstehen, dass ein für die Kanalbreite des Transistors normierter Sperrstrom 100 zA/μm oder niedriger ist.
In einem weiteren Experiment wird der Sperrstrom mit einer Schaltung gemessen, bei der ein Kondensator und ein Transistor miteinander verbunden sind und Ladung, die in den Kondensator hinein oder aus ihm heraus fließt, durch den Transistor gesteuert wird. In diesem Fall wird der Sperrstrom aus einer Veränderung der Menge der Ladung des Kondensators pro Zeiteinheit gemessen. Daraus ergibt sich, dass ein Sperrstrom von mehreren zehn Yoktoampere pro Mikrometer (yA/μm) erreicht werden kann, wenn die Drain-Spannung 3 V ist. Folglich ist der Sperrstrom des Transistors, bei dem der reine Oxidhalbleiterfilm als Kanalbildungsbereich verwendet wird, wesentlich niedriger als derjenige eines Transistors, der unter Verwendung von Silizium mit Kristallinität hergestellt wird.
Die Oxidhalbleiterschicht 830 enthält vorzugsweise mindestens Indium (In) oder Zink (Zn). Beispiele für Oxidhalbleiter sind Indiumoxid, Zinkoxid, Oxid auf In-Zn-Basis, Oxid auf In-Ga-Zn-Basis, Oxid auf In-Al-Zn-Basis, Oxid auf In-Sn-Zn-Basis und dergleichen.
Ferner sind typische Kristallstrukturen der Oxidhalbleiterschicht 830 einkristallin, polykristallin und amorph. Als die Oxidhalbleiterschicht 830 wird ein CAAC-OS-(kristalliner Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse; c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)Film bevorzugt.
Der CAAC-OS-Film ist weder vollständig einkristallin noch vollständig amorph. Der CAAC-OS-Film ist einer von Oxidhalbleiterfilmen, der eine Mehrzahl von Kristallteilen mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse enthält. In einem Transmissionselektronenmikroskop-(TEM-)Bild des CAAC-OS-Films ist eine Grenze zwischen Kristallteilen, d. h. eine Korngrenze, nicht sicher nachzuweisen. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass in dem CAAC-OS-Film eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit aufgrund der Korngrenze auftritt. Aus den Ergebnissen des Querschnitts-TEM-Bildes (cross-sectional TEM image) und des Flächen-TEM-Bildes (plan TEM image) wird eine Ausrichtung in den Kristallteilen des CAAC-OS-Films gefunden. Die meisten Kristallteile in dem CAAC-OS-Film passen jeweils in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 100 nm. Deshalb gibt es einen Fall, in dem ein Kristallteil in dem CAAC-OS-Film in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 10 nm, weniger als 5 nm oder weniger als 3 nm passt. Es sei angemerkt, dass dann, wenn eine Mehrzahl von Kristallteilen in dem CAAC-OS-Film miteinander verbunden wird, ein großer Kristallbereich mitunter gebildet wird. Zum Beispiel wird ein Kristallbereich mit einer Fläche von 2500 nm² oder mehr, 5 μm² oder mehr oder 1000 μm² oder mehr in einigen Fällen im Flächen-TEM-Bild beobachtet.
Bei jedem der in dem CAAC-OS-Film enthaltenen Kristallteile ist eine c-Achse in einer Richtung parallel zu einem Normalenvektor einer Oberfläche, auf welcher der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, oder zu einem Normalenvektor einer Oberfläche des CAAC-OS-Films ausgerichtet, eine dreieckige oder hexagonale Atomanordnung ist gebildet, wenn die Beobachtung aus der Richtung senkrecht zur a-b-Ebene erfolgt, und Metallatome sind auf eine geschichtete Weise angeordnet oder Metallatome und Sauerstoffatome sind auf eine geschichtete Weise angeordnet, wenn die Beobachtung aus der Richtung senkrecht zur c-Achse erfolgt. Es sei angemerkt, dass bei Kristallteilen die Richtungen einer a-Achse und einer b-Achse eines Kristallteils von denjenigen eines anderen Kristallteils unterschiedlich sein können. In dieser Beschreibung umfasst der vereinfachte Begriff „senkrecht” einen Bereich von 85° bis 95°. Darüber hinaus umfasst der vereinfachte Begriff „parallel” einen Bereich von –5° bis 5°.
In dem CAAC-OS-Film ist die Verteilung der Kristallteile nicht unbedingt gleichmäßig. Beispielsweise ist in dem Fall, in dem im Bildungsprozess des CAAC-OS-Films eine Oxidhalbleiterschicht auf einer Oberfläche ausgebildet wird und ein Kristallwachstum von einer Oberflächenseite des Oxidhalbleiterfilms aus auftritt, in einigen Fällen der Anteil von Kristallteilen in der Nähe der Oberfläche des CAAC-OS-Films höher als derjenige in der Nähe der Oberfläche, auf welcher der CAAC-OS-Film ausgebildet ist. Wenn dem CAAC-OS-Film eine Verunreinigung zugesetzt wird, wird ferner in einigen Fällen der Kristallteil in einem Bereich, dem die Verunreinigung zugesetzt wird, amorph.
Da die c-Achsen der in dem CAAC-OS-Film enthaltenen Kristallteile in der Richtung parallel zu einem Normalenvektor einer Oberfläche, auf welcher der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, oder zu einem Normalenvektor einer Oberfläche des CAAC-OS-Films ausgerichtet sind, können sich in Abhängigkeit von der Form des CAAC-OS-Films (der Querschnittsform der Oberfläche, auf welcher der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, oder der Querschnittsform der Oberfläche des CAAC-OS-Films) die Richtungen der c-Achsen voneinander unterscheiden. Es sei angemerkt, dass dann, wenn der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, die Richtung der c-Achse des Kristallteils die Richtung ist, die parallel zu einem Normalenvektor der Oberfläche, auf welcher der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, oder zu einem Normalenvektor der Oberfläche des CAAC-OS-Films ist. Der Kristallteil wird durch Abscheidung oder Durchführen einer Behandlung zur Kristallisation, wie z. B. einer Wärmebehandlung, nach einer Abscheidung gebildet.
Eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften, die auf eine Bestrahlung mit sichtbarem Licht oder Ultraviolettlicht zurückzuführen ist, kann bei einem einen CAAC-OS enthaltenden Transistor gering sein, und daher kann die Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden.
Ein Bildungsverfahren des CAAC-OS-Films wird nachfolgend beschrieben. Beispielsweise wird ein CAAC-OS-Film durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines polykristallinen Oxidhalbleiter-Sputtertargets ausgebildet. Wenn Ionen mit dem Sputtertarget kollidieren, könnte ein im Sputtertarget enthaltener Kristallbereich vom Target entlang einer a-b-Ebene abgetrennt werden. Mit anderen Worten: Ein gesputtertes Teilchen mit einer Ebene, die parallel zur a-b-Ebene ist (planes plattenförmiges gesputtertes Teilchen oder pelletförmiges gesputtertes Teilchen), könnte vom Sputtertarget abgetrennt werden. In diesem Fall erreicht das plane plattenförmige gesputterte Teilchen unter Bewahrung seines Kristallzustandes ein Substrat, wodurch der CAAC-OS-Film ausgebildet werden kann.
Bei dem planen plattenförmigen gesputterten Teilchen ist der Kreisdurchmesser, der einer Ebene parallel zu einer a-b-Ebene entspricht, beispielsweise 3 nm bis 10 nm, und die Dicke (Länge in der Richtung senkrecht zur a-b-Ebene) ist 0,7 nm oder mehr und weniger als 1 nm. Es sei angemerkt, dass bei dem planen plattenförmigen gesputterten Teilchen die Ebene, die zur a-b-Ebene parallel ist, ein gleichseitiges Dreieck oder ein gleichseitiges Sechseck sein kann. Der Begriff „Kreisdurchmesser, der einer Ebene entspricht” bezeichnet hier den Durchmesser eines vollständigen Kreises, der die gleiche Fläche wie die Ebene aufweist.
Für die Abscheidung des CAAC-OS-Films finden vorzugsweise die folgenden Bedingungen Anwendung.
Durch Erhöhen der Substraterwärmungstemperatur während des Abscheidens tritt wahrscheinlich eine Wanderung eines gesputterten Teilchens auf, nachdem das gesputterte Teilchen eine Substratoberfläche erreicht hat. Die Substraterwärmungstemperatur während des Abscheidens ist insbesondere 100°C bis 740°C, bevorzugt 200°C bis 500°C. Durch Erhöhen der Substraterwärmungstemperatur während des Abscheidens tritt dann, wenn das plane plattenförmige gesputterte Teilchen das Substrat erreicht, eine Wanderung an der Substratoberfläche auf, so dass eine plane Ebene des planen plattenförmigen gesputterten Teilchens an das Substrat haftet. Dabei werden die gesputterten Teilchen positiv geladen, wodurch die sich abstoßenden gesputterten Teilchen auf dem Substrat haften. Die gesputterten Teilchen sammeln sich deshalb nicht an und überlappen nicht ungleichmäßig einander, so dass der CAAC-OS-Film mit einer gleichmäßigen Dicke ausgebildet werden kann.
Durch Verringern der Menge an Verunreinigungen, die während des Abscheidens in den CAAC-OS-Film eindringen, kann verhindert werden, dass der Kristallzustand durch die Verunreinigungen beschädigt wird. Beispielsweise kann die Konzentration der in der Abscheidungskammer vorhandenen Verunreinigungen (z. B. Wasserstoff, Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff) verringert werden. Außerdem kann die Verunreinigungskonzentration in einem Abscheidungsgas verringert werden. Insbesondere wird ein Abscheidungsgas verwendet, dessen Taupunkt bei –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger liegt.
Außerdem wird vorzugsweise der Sauerstoffanteil in dem Abscheidungsgas erhöht, und die Leistung wird optimiert, um Plasmaschäden bei der Abscheidung zu verringern. Der Sauerstoffanteil in dem Abscheidungsgas ist 30 Vol.-% oder höher, bevorzugt 100 Vol.-%.
Nachdem der CAAC-OS-Film abgeschieden worden ist, kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist 100°C bis 740°C, bevorzugt 200°C bis 500°C. Ferner wird die Wärmebehandlung für 1 Minute bis 24 Stunden, bevorzugt für 6 Minuten bis 4 Stunden durchgeführt. Die Wärmebehandlung kann in einer Inertatmosphäre oder einer Oxidationsatmosphäre durchgeführt werden. Es ist bevorzugt, eine Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre und eine weitere Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre durchzuführen. Die Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre kann die Verunreinigungskonzentration in dem CAAC-OS-Film für eine kurze Zeit verringern. Gleichzeitig kann die Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre Sauerstofffehlstellen in dem CAAC-OS-Film erzeugen. In diesem Fall kann die Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre die Sauerstofffehlstellen verringern. Die Wärmebehandlung kann die Kristallinität des CAAC-OS-Films weiter erhöhen. Es sei angemerkt, dass die Wärmebehandlung unter einem verringerten Druck, wie z. B. 1000 Pa oder niedriger, 100 Pa oder niedriger, 10 Pa oder niedriger oder 1 Pa oder niedriger durchgeführt werden kann. Die Wärmebehandlung in einer solchen druckreduzierten Atmosphäre kann die Verunreinigungskonzentration in dem CAAC-OS-Film für eine kürzere Zeit verringern.
Als Beispiel für das Sputtertarget wird ein Target aus einem In-Ga-Zn-Oxid nachfolgend beschrieben.
Das Target aus einem In-Ga-Zn-Oxid, das polykristallin ist, wird wie folgt ausgebildet: InO_X-Pulver, GaO_Y-Pulver und ZnO_Z-Pulver werden in einem vorbestimmten Molverhältnis gemischt, ein Druck wird an die Mischung angelegt, und eine Wärmebehandlung wird daran bei einer Temperatur von 1000°C bis 1500°C durchgeführt. Es sei angemerkt, dass X, Y und Z jeweils eine gegebene positive Zahl sind. Hier ist das vorbestimmte Molverhältnis von InO_X-Pulver zu GaO_Y-Pulver und ZnO_Z-Pulver beispielsweise 2:2:1, 8:4:3, 3:1:1, 1:1:1, 1:3:2, 1:6:4, 4:2:3 oder 3:1:2. Die Pulverarten und das Molverhältnis, in dem die Pulver gemischt werden, können angemessen nach einem erwünschten Sputtertarget bestimmt werden.
Alternativ kann der CAAC-OS-Film durch mehrmaliges Abscheiden von Filmen ausgebildet werden. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren wird nachfolgend beschrieben.
Zunächst wird eine erste Oxidhalbleiterschicht in einer Dicke von 1 nm oder mehr und weniger als 10 nm ausgebildet. Die erste Oxidhalbleiterschicht wird durch ein Sputterverfahren ausgebildet. Dabei ist die Substraterwärmungstemperatur insbesondere 100°C bis 500°C, bevorzugt 150°C bis 450°C, und der Sauerstoffanteil in einem Abscheidungsgas beträgt 30 Vol.-% oder höher, bevorzugt 100 Vol.-%.
Anschließend wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die Kristallinität der ersten Oxidhalbleiterschicht zu erhöhen, was den ersten CAAC-OS-Film mit hoher Kristallinität ergibt. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist 350°C bis 740°C, bevorzugt 450°C bis 650°C. Ferner wird die Wärmebehandlung für 1 Minute bis 24 Stunden, bevorzugt für 6 Minuten bis 4 Stunden durchgeführt. Die Wärmebehandlung kann in einer Inertatmosphäre oder einer Oxidationsatmosphäre durchgeführt werden. Es ist bevorzugt, eine Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre und eine weitere Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre durchzuführen. Die Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre kann die Verunreinigungskonzentration in der ersten Oxidhalbleiterschicht für eine kurze Zeit verringern. Gleichzeitig kann die Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre Sauerstofffehlstellen in der ersten Oxidhalbleiterschicht erzeugen. In diesem Fall kann die Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre die Sauerstofffehlstellen verringern. Es sei angemerkt, dass die Wärmebehandlung unter einem verringerten Druck, wie z. B. 1000 Pa oder niedriger, 100 Pa oder niedriger, 10 Pa oder niedriger oder 1 Pa oder niedriger durchgeführt werden kann. Die Wärmebehandlung unter einem verringerten Druck kann die Verunreinigungskonzentration in der ersten Oxidhalbleiterschicht für eine kürzere Zeit verringern.
Da die erste Oxidhalbleiterschicht eine Dicke von 1 nm oder mehr und weniger als 10 nm aufweist, kann die erste Oxidhalbleiterschicht leichter kristallisiert werden als eine Oxidhalbleiterschicht, die eine Dicke von 10 nm oder mehr aufweist.
Dann wird eine zweite Oxidhalbleiterschicht mit der gleichen Zusammensetzung wie die erste Oxidhalbleiterschicht in einer Dicke von 10 nm bis 50 nm ausgebildet. Die zweite Oxidhalbleiterschicht wird durch ein Sputterverfahren ausgebildet. Dabei ist die Substraterwärmungstemperatur insbesondere 100°C bis 500°C, bevorzugt 150°C bis 450°C, und der Sauerstoffanteil in einem Abscheidungsgas beträgt 30 Vol.-% oder höher, bevorzugt 100 Vol.-%.
Anschließend wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, so dass die zweite Oxidhalbleiterschicht durch Festphasenwachstum von dem ersten CAAC-OS-Film in einen zweiten CAAC-OS-Film mit hoher Kristallinität umgewandelt wird. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist 350°C bis 740°C, bevorzugt 450°C bis 650°C. Ferner wird die Wärmebehandlung für 1 Minute bis 24 Stunden, bevorzugt für 6 Minuten bis 4 Stunden durchgeführt. Die Wärmebehandlung kann in einer Inertatmosphäre oder einer Oxidationsatmosphäre durchgeführt werden. Es ist bevorzugt, eine Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre und eine weitere Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre durchzuführen. Die Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre kann die Verunreinigungskonzentration in der zweiten Oxidhalbleiterschicht für eine kurze Zeit verringern. Gleichzeitig kann die Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre Sauerstofffehlstellen in der zweiten Oxidhalbleiterschicht erzeugen. In diesem Fall kann die Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre die Sauerstofffehlstellen verringern. Es sei angemerkt, dass die Wärmebehandlung unter einem verringerten Druck, wie z. B. 1000 Pa oder niedriger, 100 Pa oder niedriger, 10 Pa oder niedriger oder 1 Pa oder niedriger durchgeführt werden kann. Die Wärmebehandlung unter einem verringerten Druck kann die Verunreinigungskonzentration in der zweiten Oxidhalbleiterschicht für eine kürzere Zeit verringern.
Obwohl die Vielfalt der Filme, wie z. B. der Metallfilm, die Halbleiterschicht und der anorganische isolierende Film, welche bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden sind, durch ein Sputterverfahren oder ein plasmageschütztes chemisches Gasphasenabscheidungs-(chemical vapor deposition, CVD-)Verfahren ausgebildet werden kann, können derartige Filme auch durch ein anderes Verfahren, z. B. ein thermisches CVD-Verfahren ausgebildet werden. Ein metallorganisches chemisches Gasphasenabscheidungs-(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD-)Verfahren oder ein Atomlagenabscheidungs-(atomic layer deposition, ALD-)Verfahren kann als Beispiel für ein thermisches CVD-Verfahren verwendet werden.
Ein thermisches CVD-Verfahren hat einen Vorteil, nämlich dass kein Defekt wegen eines Plasmaschadens erzeugt wird, da dabei kein Plasma zum Ausbilden eines Films benutzt wird.
Die Abscheidung durch ein thermisches CVD-Verfahren kann derart durchgeführt werden, dass der Druck in einer Kammer auf einen atmosphärischen Druck oder einen verringerten Druck eingestellt wird und dass ein Quellengas und ein Oxidator gleichzeitig zu der Kammer zugeführt werden und miteinander in der Nähe des Substrats oder über dem Substrat reagieren.
Die Abscheidung durch ein ALD-Verfahren kann derart durchgeführt werden, dass der Druck in einer Kammer auf einen atmosphärischen Druck oder einen verringerten Druck eingestellt wird, dass Quellengase zur Reaktion nacheinander in die Kammer eingeleitet werden und dass dann die Folge der Gaseinleitung wiederholt wird. Beispielsweise werden zwei oder mehr Arten von Quellengasen nacheinander zu der Kammer zugeführt, indem die jeweiligen Umschaltventile (auch als Hochgeschwindigkeitsventile bezeichnet) umgeschaltet werden. Zum Beispiel wird ein erstes Quellengas eingeleitet, ein Inertgas (z. B. Argon oder Stickstoff) oder dergleichen wird gleichzeitig mit oder nach dem Einleiten des ersten Gases eingeleitet, damit die Quellengase nicht gemischt werden, und dann wird ein zweites Quellengas eingeleitet. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem das erste Quellengas und das Inertgas gleichzeitig eingeleitet werden, das Inertgas als Trägergas dient und das Inertgas auch gleichzeitig mit dem Einleiten des zweiten Quellengases eingeleitet werden kann. Alternativ kann das erste Quellengas durch Evakuierung statt der Einleitung des Inertgases abgesaugt werden, und dann kann das zweite Quellengas eingeleitet werden. Das erste Quellengas wird an die Oberfläche des Substrats adsorbiert, um eine erste einzelne Atomlage auszubilden; dann wird das zweite Quellengas eingeleitet, um mit der ersten einzelnen Atomlage zu reagieren; als Ergebnis wird eine zweite einzelne Atomlage über der ersten einzelnen Atomlage gestapelt, so dass ein dünner Film ausgebildet wird. Die Folge der Gaseinleitung wird mehrfach wiederholt, bis eine gewünschte Dicke erzielt wird, wodurch ein dünner Film mit ausgezeichneter Stufenabdeckung ausgebildet werden kann. Die Dicke des dünnen Films kann durch die Anzahl der Wiederholungen der Folge der Gaseinleitung reguliert werden. Deshalb ermöglicht ein ALD-Verfahren, dass die Dicke genau reguliert wird, und ist also zum Herstellen eines feinen FET geeignet.
Die Vielfalt von Filmen, wie z. B. der Metallfilm, der Halbleiterfilm und der anorganische isolierende Film, welche die bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Bauelemente bilden, kann durch ein thermisches CVD-Verfahren, wie z. B. ein MOCVD-Verfahren oder ein ALD-Verfahren, ausgebildet werden. In dem Fall, in dem ein InGaZnO_X-(X > 0)Film ausgebildet wird, werden beispielsweise Trimethylindium, Trimethylgallium und Diethylzink verwendet. Es sei angemerkt, dass die chemische Formel von Trimethylindium (CH₃)₃In ist. Die chemische Formel von Trimethylgallium ist (CH₃)₃Ga. Die chemische Formel von Diethylzink ist (CH₃)₂Zn. Ohne Beschränkung auf die obige Kombination kann Triethylgallium (chemische Formel: (C₂H₅)₃Ga) statt des Trimethylgalliums verwendet werden, und Dimethylzink (chemische Formel: (C₂H₅)₂Zn) kann statt des Diethylzinks verwendet werden.
Zum Beispiel werden in dem Fall, in dem ein Hafniumoxidfilm ausgebildet wird, zwei Arten von Gasen, d. h. Ozon (O₃) als Oxidator und ein Quellengas verwendet, das durch Verdampfen eines Lösungsmittels und einer Flüssigkeit erhalten wird, die eine Hafniumvorläuferverbindung enthält (einer Hafniumalkoxidlösung, typischerweise Tetrakis(dimethylamid)hafnium (TDMAH)). Es sei angemerkt, dass die chemische Formel von Tetrakis(dimethylamid)hafnium Hf[N(CH₃)₂]₄ ist. Beispiele für ein weiteres flüssiges Material umfassen Tetrakis(ethylmethylamid)hafnium.
Zum Beispiel werden in dem Fall, in dem ein Aluminiumoxidfilm ausgebildet wird, zwei Arten von Gasen, z. B. H₂O als Oxidator und ein Quellengas verwendet, das durch Verdampfen eines Lösungsmittels und einer Flüssigkeit erhalten wird, die eine Aluminiumvorläuferverbindung enthält (z. B. Trimethylaluminium (TMA)). Es sei angemerkt, dass die chemische Formel von Trimethylaluminium Al(CH₃)₃ ist. Beispiele für ein weiteres flüssiges Material umfassen Tris(dimethylamid)aluminium, Triisobutylaluminium und Aluminium-tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat).
Zum Beispiel wird in dem Fall, in dem ein Siliziumoxidfilm ausgebildet wird, Hexadichlorsilan an eine Oberfläche adsorbiert, auf der ein Film ausgebildet wird, das in dem Adsorbat enthaltene Chlor wird entfernt, und Radikale eines Oxidationsgases (z. B. O₂ oder Distickstoffmonoxid) werden zugeführt, um mit dem Adsorbat zu reagieren.
Zum Beispiel werden in dem Fall, in dem ein Wolframfilm mit einer Abscheidungseinrichtung unter Verwendung eines ALD-Verfahrens ausgebildet wird, ein WF₆-Gas und ein B₂H₆-Gas nacheinander mehrfach eingeleitet, um einen anfänglichen Wolframfilm auszubilden, und dann werden ein WF₆-Gas und ein H₂-Gas gleichzeitig eingeleitet, so dass ein Wolframfilm ausgebildet wird. Es sei angemerkt, dass ein SiH₄-Gas anstelle eines B₂H₆-Gases verwendet werden kann.
Zum Beispiel werden in dem Fall, in dem ein Oxidhalbleiterfilm, z. B. ein InGaZnO_X-(X > 0)Film mit einer Abscheidungseinrichtung unter Verwendung eines ALD-Verfahrens ausgebildet wird, ein In(CH₃)₃-Gas und ein O₃-Gas nacheinander mehrfach eingeleitet, um eine InO₂-Schicht auszubilden, ein Ga(CH₃)₃-Gas und ein O₃-Gas werden gleichzeitig eingeleitet, um eine GaO-Schicht auszubilden, und dann werden ein Zn(CH₃)₂-Gas und ein O₃-Gas gleichzeitig eingeleitet, um eine ZnO-Schicht auszubilden. Es sei angemerkt, dass die Reihenfolge dieser Schichten nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist. Eine Mischverbindungsschicht, wie z. B. eine InGaO₂-Schicht, eine InZnO₂-Schicht, eine GaInO-Schicht, eine ZnInO-Schicht oder eine GaZnO-Schicht, kann durch Mischen dieser Gase ausgebildet werden. Es sei angemerkt, dass ein H₂O-Gas, das mit einem Inertgas, wie z. B. Ar, Blasen bildet, statt eines O₃-Gases verwendet werden kann; es ist jedoch bevorzugt, ein O₃-Gas zu verwenden, da es keinen H enthält. Zusätzlich kann statt eines In(CH₃)₃-Gases ein In(C₂H₅)₃-Gas verwendet werden. Statt eines Ga(CH₃)₃-Gases kann ein Ga(C₂H₅)₃-Gas verwendet werden. Statt eines In(CH₃)₃-Gases kann ein In(C₂H₅)₃ verwendet werden. Darüber hinaus kann ein Zn(CH₃)₂-Gas verwendet werden.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden.
(Ausführungsform 5)
Bei dieser Ausführungsform wird eine weitere Konfiguration eines Mikrocontrollers beschrieben.
9 ist ein Blockschema eines Mikrocontrollers 190.
Der Mikrocontroller 190 beinhaltet, ähnlich wie der Mikrocontroller 100 in 1, die CPU 110, die Busbrücke 111, das RAM 112, die Speicherschnittstelle 113, die Steuerung 120, die Interrupt-Steuerung 121, die I/O-Schnittstelle (Eingangs-/Ausgangsschnittstelle) 122 und die Leistungs-Gate-Einheit 130.
Der Mikrocontroller 190 beinhaltet weiter die Quarzoszillatorschaltung 141, die Zeitschaltung 145, die I/O-Schnittstelle 146, den I/O-Port 150, den Vergleicher 151, die I/O-Schnittstelle 152, die Busleitung 161, die Busleitung 162, die Busleitung 163 und die Datenbusleitung 164. Der Mikrocontroller 190 weist weiter mindestens die Verbindungsanschlüsse 170 bis 176 als Verbindungsteile mit einer externen Vorrichtung auf. Zudem ist der Mikrocontroller 190 über die Verbindungsanschlüsse 172 und 173 mit dem Oszillator 142 verbunden, der die Quarz-Einheit 143 aufweist.

Jeder Block des Mikrocontrollers 190 weist eine Funktion auf, die derjenigen des Mikrocontrollers 100 in 1 ähnlich ist. Tabelle 2 zeigt eine Funktion jeder Schaltung in dem Mikrocontroller 100 und dem Mikrocontroller 190. Außerdem werden, wie bei dem Mikrocontroller 100, auch die Betriebsmodi des Mikrocontrollers 190 basierend auf den Ablaufdiagrammen in 3 bis 5 umgeschaltet. [Tabelle 2]

Schaltungsblock	Funktion
CPU 110	Ausführen eines Befehls
Takterzeugungsschaltung 115	Erzeugen des Taktsignals MCLK
Quarzoszillatorschaltung 141	Erzeugen des Taktsignals TCLK
Steuerung 120	Steuern des gesamten Mikrocontrollers 100
Interrupt-Steuerung 121	Einstellen der Prioritäten von Interrupt-Anforderungen
I/O-Schnittstelle 146	Eingeben/Ausgeben von Daten
I/O-Schnittstelle 152	Eingeben/Ausgeben von Daten
I/O-Port 150	Schnittstelle zur Verbindung mit einer externen Vorrichtung
Zeitschaltung 145	Erzeugen eines Interrupt-Signals zum Timerbetrieb
Vergleicher 151	Vergleichen von Potentialen (Strömen) eines Eingangssignals und eines Referenzsignals
RAM 112	Speicher, der als Hauptspeicher der CPU 110 dient
Speicherschnittstelle 113	Eingangs-/Ausgangsschnittstelle zu einem externen Speicher

Der Mikrocontroller 190 unterscheidet sich durch Signale für Interrupt-Anforderungen von dem Mikrocontroller 100. Der Unterschied wird nachfolgend beschrieben.
Ein externes Interrupt-Signal INT1 und ein externes Interrupt-Signal NMI1 werden in den Verbindungsanschluss 170 eingegeben, der als Eingangsanschluss eines externen Interrupt-Signals dient. Es handelt sich bei dem externen Interrupt-Signal NMI1 um ein nicht-maskierbares Interrupt-Signal.
Das externe Interrupt-Signal NMI1, das über den Verbindungsanschluss 170 eingegeben wird, wird in die Steuerung 120 eingegeben. Wenn das externe Interrupt-Signal NMI1 in die Steuerung 120 eingegeben wird, gibt die Steuerung 120 sofort ein internes Interrupt-Signal NMI2 an die CPU 110 aus, so dass die CPU 110 eine Interrupt-Verarbeitung ausführt.
Das externe Interrupt-Signal INT1 wird über den Verbindungsanschluss 170 in die Interrupt-Steuerung 121 eingegeben. Interrupt-Signale (T0IRQ, P0IRQ und C0IRQ) werden von den Peripherieschaltungen (145, 150 und 151) in die Interrupt-Steuerung 121 eingegeben, ohne durch die Busse (161 bis 164) hindurch zu gehen.
Wenn die Steuerung 120 das externe Interrupt-Signal INT1 empfängt, gibt die Steuerung 120 das interne Interrupt-Signal INT2 an die CPU 110 aus, so dass die CPU 110 eine Interrupt-Verarbeitung ausführt.
Außerdem gibt es einen Fall, in dem das Interrupt-Signal T0IRQ direkt in die Steuerung 120 eingegeben wird, ohne durch die Interrupt-Steuerung 121 hindurch zu gehen. Wenn die Steuerung 120 das Interrupt-Signal T0IRQ empfängt, gibt die Steuerung 120 das interne Interrupt-Signal NMI2 an die CPU 110 aus, so dass die CPU 110 eine Interrupt-Verarbeitung ausführt.
Wie bei dem Mikrocontroller 100 wird die Leistungs-Gate-Einheit 130 des Mikrocontrollers 190 durch die Steuerung 120 gesteuert. Wie zuvor beschrieben, gibt die Steuerung 120 je nach der Anforderung der CPU 110 ein Signal aus, um einen oder beide Schalterstromkreis/e in der Leistungs-Gate-Einheit 130 auszuschalten (Unterbrechung der Stromversorgung). Die Steuerung 120 gibt zusätzlich mittels des externen Interrupt-Signals NMI1 oder des Interrupt-Signals T0IRQ von der Zeitschaltung 145 als Auslöser ein Signal aus, um den Schalterstromkreis 132 in der Leistungs-Gate-Einheit 130 einzuschalten (Start der Stromversorgung).
Der Mikrocontroller 190 beinhaltet ferner die Steuerung 120, die Leistungs-Gate-Einheit 130 und dergleichen; deshalb kann, ähnlich wie der Mikrocontroller 100, auch der Mikrocontroller 190 in drei Betriebsmodi (Aktiv-Modus, Noff1-Modus und Noff2-Modus) arbeiten. Zudem sind die Schaltungen, die in jedem Betriebsmodus aktiv oder inaktiv sind, gleich denjenigen des Mikrocontrollers 100 (siehe Tabelle 1). Des Weiteren werden, ähnlich wie bei dem Mikrocontroller 100, die Betriebsmodi des Mikrocontrollers 190 durch die Steuerung 120 umgeschaltet. Die Steuerung 120 schaltet die Betriebsmodi basierend auf den Ablaufdiagrammen in 3 bis 5 um.
Damit der Mikrocontroller 190 schnell vom Noff1-/Noff2-Modus in den Aktiv-Modus zurückkehren kann, weisen die Register 185 bis 187 jeweils einen flüchtigen Datenspeicherabschnitt und einen nichtflüchtigen Datenspeicherabschnitt auf, um Daten als Sicherung zu speichern, während die Stromversorgung unterbrochen ist. Bei dem Mikrocontroller 190 weist ferner, ähnlich wie die Register 185 bis 187, das Register 184 in dem Vergleicher 151 einen flüchtigen Datenspeicherabschnitt (Speicher) und einen nichtflüchtigen Datenspeicherabschnitt (Speicher) auf.
Bei dem Mikrocontroller 100 beinhaltet zwar das Register 184 keinen nichtflüchtigen Speicher, aber das Register 184 des Mikrocontrollers 100 kann, ähnlich wie die Register 185 bis 187, einen nichtflüchtigen Speicher beinhalten.
Bei dem Wechsel vom Aktiv-Modus zu dem Noff1-/Noff2-Modus werden, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird, die in den flüchtigen Speichern der Register 184 bis 187 gespeicherten Daten in die nichtflüchtigen Speicher geschrieben, und die in den flüchtigen Speichern gespeicherten Daten werden auf Anfangswerte zurückgesetzt. Anschließend wird die Stromversorgung zu den Registern 184 bis 187 unterbrochen.
Bei der Rückkehr vom Noff1-/Noff2-Modus in den Aktiv-Modus wird die Stromversorgung zu den Registern 184 bis 187 wieder aufgenommen, und Daten in den flüchtigen Speichern werden auf Anfangswerte zurückgesetzt. Dann werden die in den nichtflüchtigen Speichern gespeicherten Daten in den flüchtigen Speicher geschrieben.
Folglich sind auch im Modus mit niedrigem Stromverbrauch Daten, die zur Verarbeitung des Mikrocontrollers 190 nötig sind, in den Registern 184 bis 187 gespeichert, und der Mikrocontroller 190 kann daher sofort vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den Aktiv-Modus zurückkehren.
Auf diese Weise kann dieser Ausführungsform entsprechend der Mikrocontroller bereitgestellt werden, der unter Anwendung des Modus mit niedrigem Stromverbrauch bei niedrigem Stromverbrauch arbeiten und schnell vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den normalen Betriebsmodus zurückkehren kann.
Folglich ist auch der Mikrocontroller 190 für Vorrichtungen, die durch intermittierende Steuerung arbeiten, wie z. B. eine Sensorvorrichtung und eine Überwachungsvorrichtung, sehr geeignet. Die Mikrocontroller 100 und 190 sind beispielsweise für Steuervorrichtungen von Feuermeldern, Rauchmeldern, Managementeinheiten von Sekundärbatterien und dergleichen geeignet. Im Besonderen haben Vorrichtungen, die Batterien als Stromquellen aufweisen, ein Problem mit dem Stromverbrauch aufgrund der langen Betriebsdauer. Jedoch kann, ähnlich wie bei dem Mikrokontroller 100, der Stromverbrauch während des Betriebs verringert werden, da es sich bei dem Großteil der Betriebsperiode des Mikrocontrollers 190 um den Noff1-Modus handelt und nur Schaltungen arbeiten, die für die Rückkehr des Mikrocontrollers 190 in den Aktiv-Modus nötig sind.
(Ausführungsform 6)
Es wird eine Struktur eines mehrschichtigen Films, der eine Oxidhalbleiterschicht umfasst und für einen Transistor verwendet werden kann, anhand von 11, 12A und 12B, 13A und 13B sowie 14 beschrieben.
Ein mehrschichtiger Film 706, der in 11 dargestellt ist, umfasst eine Oxidschicht 706a, eine Oxidhalbleiterschicht 706b, die über der Oxidschicht 706a angeordnet ist, und eine Oxidschicht 706c, die über der Oxidhalbleiterschicht 706b angeordnet ist. Obwohl der mehrschichtige Film 706 in der folgenden Beschreibung drei Schichten aufweist, kann der mehrschichtige Film 706 zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten aufweisen. Beispielsweise kann der mehrschichtige Film 706 die Oxidschicht 706a und die Oxidhalbleiterschicht 706b umfassen, die über der Oxidschicht 706a angeordnet ist. Der mehrschichtige Film 706 kann alternativ die Oxidhalbleiterschicht 706b und die Oxidschicht 706c umfassen, die über der Oxidhalbleiterschicht 706b angeordnet ist.
Nun wird die Bandstruktur des mehrschichtigen Films 706 anhand von 12A und 12B sowie 13A und 13B beschrieben.
Es sei angemerkt, dass ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Energielücke von 3,15 eV für die Oxidschicht 706a verwendet wurde, dass ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Energielücke von 2,8 eV für die Oxidhalbleiterschicht 706b verwendet wurde und dass eine Oxidschicht mit physikalischen Eigenschaften, die denjenigen der Oxidschicht 706a ähnlich sind, für die Oxidschicht 706c verwendet wurde. Zudem war eine Energielücke der Nachbarschaft einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 706a und der Oxidhalbleiterschicht 706b 3 eV, und eine Energielücke der Nachbarschaft einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 706c und der Oxidhalbleiterschicht 706b war 3 eV. Die Energielücke wurde mit einem spektroskopischen Ellipsometer (UT-300, hergestellt von HORIBA Jobin Yvon) gemessen. Des Weiteren waren die Dicken der Oxidschicht 706a, der Oxidhalbleiterschicht 706b und der Oxidschicht 706c 10 nm, 10 nm bzw. 10 nm.
12A wird auf eine solche Weise erhalten, dass ein Energieunterschied zwischen dem Vakuumniveau und der oberen Kante des Valenzbandes jeder Schicht gemessen wurde, während der mehrschichtige Film 706 von der Oxidschicht 706c an geätzt wurde, und dass die ermittelten Werte in einem Graphen aufgezeichnet wurden. Der Energieunterschied zwischen dem Vakuumniveau und der oberen Kante des Valenzbandes wurde mit einem Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie-(UPS-)Gerät, hergestellt von ULVAC-PHI, Inc., gemessen.
12B wird auf eine solche Weise erhalten, dass ein Energieunterschied zwischen dem Vakuumniveau und der unteren Kante des Leitungsbandes durch Subtrahieren einer Energielücke jeder Schicht von dem Energieunterschied zwischen dem Vakuumniveau und der oberen Kante des Valenzbandes berechnet wird und dass die ermittelten Werte in einem Graphen aufgezeichnet werden.
13A stellt schematisch einen Teil der Bandstruktur in 12B dar. 13A stellt den Fall dar, in dem Siliziumoxidfilme in Kontakt mit der Oxidschicht 706a und der Oxidschicht 706c angeordnet sind. In 13A stellt EcI1 die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes des Siliziumoxidfilms dar; EcS1 stellt die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes der Oxidschicht 706a dar; EcS2 stellt die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht 706b dar; EcS3 stellt die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes der Oxidschicht 706c dar; und EcI2 stellt die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes des Siliziumoxidfilms dar.
Wie in 13A dargestellt, verändert sich die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes stetig von der Oxidschicht 706a bis zu der Oxidhalbleiterschicht 706b und der Oxidschicht 706c. Das liegt daran, dass Sauerstoff zwischen der Oxidschicht 706a, der Oxidhalbleiterschicht 706b und der Oxidschicht 706c diffundiert.
Wie zuvor beschrieben, wird der mehrschichtige Film, der einen Stapel aus Oxidhalbleiterschichten umfasst, die gleiche Hauptbestandteile enthalten, nicht einfach durch Stapeln der Schichten, sondern derart ausgebildet, dass ein stetiger Übergang (hier eine U-förmige Wanne, bei der sich die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes stetig zwischen den Schichten verändert) gebildet wird. Mit anderen Worten: Die geschichtete Struktur wird derart ausgebildet, dass kein Defektzustand (defect state), der als Einfangzentrum (trap center) oder Rekombinationszentrum (recombination center) in einem Oxidhalbleiter dient, oder keine Verunreinigung, die eine den Fluss von Ladungsträgern behindernde Barriere bildet, an Grenzflächen zwischen den Schichten existiert. Würde eine Verunreinigung zwischen den gestapelten Oxidhalbleiterschichten existieren, so würde die Stetigkeit des Energiebandes verloren gehen, so dass Ladungsträger an der Grenzfläche durch Einfang oder Rekombination verschwinden.
Um den stetigen Übergang zu bilden, werden vorzugsweise die Schichten nacheinander unter Verwendung einer Abscheidungseinrichtung (Sputtereinrichtung) mit mehreren Kammern einschließlich einer Load-Lock-Kammer gestapelt, ohne der Luft ausgesetzt zu sein. Kammern in der Sputtereinrichtung werden vorzugsweise einer Hochvakuumevakuierung (auf zirka 1 × 10^–4 Pa bis 5 × 10^–7 Pa) unter Verwendung einer Adsorptionsvakuumpumpe, wie z. B. einer Kryopumpe, unterzogen, so dass Feuchtigkeit und dergleichen, die als Verunreinigungen gegen einen Oxidhalbleiter dienen, möglichst entfernt werden. Alternativ ist bevorzugt, dass durch eine Kombination von einer Turbomolekularpumpe und einer Kaltfalle ein Rückfluss eines Gases, das Kohlenstoff, Feuchtigkeit und dergleichen enthält, aus einem Absaugsystem verhindert wird.
Um einen hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiter zu erhalten, ist nicht nur eine Hochvakuumevakuierung der Kammern, sondern auch eine Erhöhung der Reinheit eines Sputtergases wichtig. Wenn ein hochreines Sauerstoffgas oder Argongas, das einen Taupunkt von –40°C oder niedriger, bevorzugt –80°C oder niedriger, stärker bevorzugt –100°C oder niedriger aufweist, als Sputtergas verwendet wird, kann verhindert werden, dass sich Feuchtigkeit und dergleichen in den Oxidhalbleiterfilm einmischen.
13A stellt den Fall dar, in dem es sich bei der Oxidschicht 706a und der Oxidschicht 706c um Oxidschichten mit den ähnlichen physikalischen Eigenschaften handelt; es ist jedoch stärker bevorzugt, dass es sich bei der Oxidschicht 706a und der Oxidschicht 706c um Oxidschichten mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften handelt. Zum Beispiel ist EcS1 vorzugsweise höher als EcS3, in welchem Falle ein Teil der Bandstruktur wie in 13B dargestellt wird. Bei der Bandstruktur in 13B liegt, wobei beispielsweise davon ausgegangen wird, dass EcI2 die Energie eines Gate-Isolierfilms ist und dass eine Gate-Elektrode auf der linken Seite von EcI2 angeordnet ist, die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes vorzugsweise derart, dass, wie in 13B dargestellt, EcS1 höher ist als EcS3. Das liegt daran, dass ein Strom hauptsächlich in EcS2 fließt, welches in der Nähe von EcS3 liegt, welches auf der Seite der Gate-Elektrode positioniert ist.
In dem Fall, in dem der Siliziumoxidfilm zwischen der Oxidschicht 706c und dem Gate angeordnet ist, dient der Siliziumoxidfilm als Gate-Isolierfilm, und die Oxidschicht 706c kann verhindern, dass Indium, welches in der Oxidhalbleiterschicht 706b enthalten ist, in den Gate-Isolierfilm diffundiert. Um durch die Oxidschicht 706c die Diffusion von Indium zu verhindern, enthält die Oxidschicht 706c vorzugsweise eine kleinere Menge an Indium als die Oxidhalbleiterschicht 706b.
12A und 12B sowie 13A und 13B zufolge dient die Oxidhalbleiterschicht 706b des mehrschichtigen Films 706 als Wanne, so dass ein Kanal in der Oxidhalbleiterschicht 706b eines Transistors, der den mehrschichtigen Film 706 beinhaltet, gebildet wird. Es sei angemerkt, dass, da sich die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes stetig in dem mehrschichtigen Film 706 verändert, die Struktur des mehrschichtigen Films 706 als U-förmige Wanne bezeichnet werden kann.
Wie in 14 dargestellt, können Einfangniveaus (trap levels), die aus einer Verunreinigung oder einem Defekt stammen, in der Nähe der Grenzflächen zwischen den Oxidschichten 706a und 706c und isolierenden Filmen, wie z. B. den Siliziumoxidfilmen, gebildet werden. Die Oxidschichten 706a und 706c ermöglichen, dass die Oxidhalbleiterschicht 706b und die Einfangzustände (trap states) getrennt voneinander sind. Jedoch könnten in dem Fall, in dem ein Energieunterschied zwischen EcS1 oder EcS3 und EcS2 klein ist, Elektronen von der Oxidhalbleiterschicht 706b über die Energielücke hinüber den Einfangzustand erreichen. Wenn die Elektronen von dem Einfangzustand eingefangen werden, werden sie zu negativen festen Ladungen, so dass die Schwellenspannung des Transistors in positiver Richtung verschoben wird.
Deshalb ist bevorzugt, dass die Energieunterschiede zwischen EcS1 und EcS2 und zwischen EcS3 und EcS2 jeweils 0,1 eV oder mehr, stärker bevorzugt 0,15 eV oder mehr sind, weil eine Veränderung der Schwellenspannung des Transistors verhindert wird und stabile elektrische Eigenschaften erzielt werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht 706b, die hohe Kristallinität aufweist, beschrieben.
Kristalle, die bezüglich der c-Achse ausgerichtet sind, können durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets gebildet werden, das einen polykristallinen Oxidhalbleiter mit hoher Ausrichtung enthält. Die Oxidhalbleiterschicht, die durch Abscheidung erhalten wird, weist eine gleichmäßige Dicke und gleichmäßige Kristallausrichtung auf. Deshalb handelt es sich bei der Oxidhalbleiterschicht 706b um einen CAAC-OS-Film.
Lokalisierte Zustände in dem mehrschichtigen Film 706 werden verringert, wodurch der Transistor, bei dem der mehrschichtige Film 706 eingesetzt wird, stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Die lokalisierten Zustände des mehrschichtigen Films 706 können durch eine Methode des konstanten Photostroms (constant photocurrent method, CPM) gemessen werden.
Es sei angemerkt, dass, damit der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweist, der Absorptionskoeffizient aufgrund der durch CPM-Messung erkannten lokalisierten Zuständen in dem mehrschichtigen Film 706 weniger als 1 × 10^–3 cm^–1, bevorzugt weniger als 3 × 10^–4 cm^–1 ist.
Als nächstes wird eine Abscheidungseinrichtung zum Abscheiden der Oxidhalbleiterschicht 706b mit hoher Kristallinität anhand von 15A und 15B, 16A und 16B sowie 17 beschrieben. Zusätzlich wird ein Verfahren zum Abscheiden einer Oxidhalbleiterschicht unter Verwendung der Abscheidungseinrichtung beschrieben.
Zunächst wird eine Struktur einer Abscheidungseinrichtung, die das Eindringen weniger Verunreinigungen in einen Film während des Abscheidens ermöglicht, anhand von 15A und 15B beschrieben.
15A ist eine Draufsicht, die schematisch eine Mehrkammer-Abscheidungseinrichtung darstellt. Die Abscheidungseinrichtung beinhaltet eine atmosphärenseitige Substratzuführkammer 71, die drei Kassettenports 74 zum Halten von Substraten beinhaltet, eine Load-Lock-Kammer 72a, eine Unload-Lock-Kammer 72b, eine Transferkammer 73, eine Transferkammer 73a, eine Transferkammer 73b, eine Substraterwärmungskammer 75 und Abscheidungskammern 70a und 70b. Die atmosphärenseitige Substratzuführkammer 71 ist mit der Load-Lock-Kammer 72a und der Unload-Lock-Kammer 72b verbunden. Die Load-Lock-Kammer 72a und die Unload-Lock-Kammer 72b sind mit der Transferkammer 73 verbunden, wobei die Transferkammern 73a und 73b dazwischen positioniert sind. Die Substraterwärmungskammer 75 und die Abscheidungskammern 70a und 70b sind jeweils nur mit der Transferkammer 73 verbunden.
Es sei angemerkt, dass Verbindungsstellen zwischen den Kammern jeweils mit einem Gate-Ventil (mit schrägen Linien in der Zeichnung schraffiert) versehen sind und dass die anderen Kammern als die atmosphärenseitige Substratzuführkammer 71 unabhängig in einem Vakuumzustand gehalten werden können. Des Weiteren beinhalten die atmosphärenseitige Substratzuführkammer 71 und die Transferkammer 73 jeweils einen oder mehrere Substrattransferroboter 76, der/die ein Glassubstrat transportieren kann/können. Dabei dient die Substraterwärmungskammer 75 vorzugsweise auch als Plasmabehandlungskammer. Bei einer Ein-Wafer-Mehrkammer-Abscheidungseinrichtung (single wafer multi-chamber deposition apparatus) ist es möglich, ein Substrat zu transportieren, ohne dass es der Luft zwischen einer Behandlung und einer anderen Behandlung ausgesetzt ist, und es kann eine Adsorption von Verunreinigungen an ein Substrat unterdrückt werden. Darüber hinaus kann man die Reihenfolge der Abscheidung, der Wärmebehandlung oder dergleichen frei erstellen. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Transferkammern, die Anzahl der Abscheidungskammern, die Anzahl der Load-Lock-Kammern, die Anzahl der Unload-Lock-Kammern und die Anzahl der Substraterwärmungskammern nicht auf die obigen beschränkt sind und nach Bedarf in Abhängigkeit vom Raum zur Platzierung oder von dem Prozess gewählt werden können.
15B stellt eine Mehrkammer-Abscheidungseinrichtung mit einer Struktur dar, die sich von derjenigen der Abscheidungskammer in 15A unterscheidet. Die Abscheidungseinrichtung beinhaltet eine atmosphärenseitige Substratzuführkammer 81, die Kassettenports 84 beinhaltet, eine Load-und-Unload-Lock-Kammer 82, eine Transferkammer 83, eine Substraterwärmungskammer 85 und Abscheidungskammern 80a, 80b, 80c und 80d. Die Load-und-Unload-Lock-Kammer 82, die Substraterwärmungskammer 85 und die Abscheidungskammern 80a, 80b, 80c und 80d sind miteinander verbunden, wobei die Transferkammer 83 dazwischen positioniert ist.
Es sei angemerkt, dass Verbindungsstellen zwischen den Kammern jeweils mit einem Gate-Ventil (mit schrägen Linien in der Zeichnung schraffiert) versehen sind und dass die anderen Kammern als die atmosphärenseitige Substratzuführkammer 81 unabhängig in einem Vakuumzustand gehalten werden können. Des Weiteren beinhalten die atmosphärenseitige Substratzuführkammer 81 und die Transferkammer 83 jeweils einen oder mehrere Substrattransferroboter 86, der/die ein Glassubstrat transportieren kann/können.
Nun werden die Details der in 15B dargestellten Abscheidungskammer (Sputterkammer) anhand von 16A und 16B beschrieben. Die Abscheidungskammer 80b in 16A beinhaltet ein Target 87, eine Abscheidungs-Schutzplatte 88 und einen Substrattisch 90. Es sei angemerkt, dass ein Glassubstrat 89 auf dem Substrattisch 90 aufgestellt ist. Obwohl nicht dargestellt, kann der Substrattisch 90 einen Substrathaltemechanismus, der das Glassubstrat 89 hält, ein hinteres Heizgerät, welches das Glassubstrat 89 von der Rückfläche erwärmt, oder dergleichen beinhalten. Die Abscheidungs-Schutzplatte 88 kann verhindern, dass Teilchen, die aus dem Target 87 gesputtert werden, auf einem Bereich, bei dem keine Abscheidung nötig ist, abgeschieden werden.
Die Abscheidungskammer 80b in 16A ist mit der Transferkammer 83 verbunden, wobei ein Gate-Ventil dazwischen positioniert ist, und die Transferkammer 83 ist mit der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 verbunden, wobei ein Gate-Ventil dazwischen positioniert ist. Die Transferkammer 83 ist mit dem Substrattransferroboter 86 versehen, der das Glassubstrat von der Abscheidungskammer 80b zu der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 sowie von der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 zu der Abscheidungskammer 80b liefern kann. Die Load-und-Unload-Lock-Kammer 82, die eine Vakuumkammer ist, ist in einen Oberteil und einen Unterteil aufgeteilt. Einer der Ober- und Unterteile kann als Load-Kammer (Einleitkammer) verwendet werden, und der andere von ihnen kann als Unload-Kammer (Ausleitkammer) verwendet werden. Eine derartige Struktur wird bevorzugt, weil die Struktur die Installationsfläche der Sputtereinrichtung verringern kann.
Die Abscheidungskammer 80b in 16A ist ferner mit einem Refiner 94 verbunden, wobei eine Massenstromsteuerung 97 dazwischen positioniert ist. Obwohl die Anzahl der Refiner 94 und die Anzahl der Massenstromsteuerungen 97 jeweils der Anzahl der Gasarten entsprechen, sind der Einfachheit halber nur ein Refiner 94 und eine Massenstromsteuerung 97 dargestellt. Als Gas, das in die Abscheidungskammer 80b und dergleichen eingeleitet wird, wird ein Gas verwendet, das einen Taupunkt von –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger aufweist. Ein Sauerstoffgas, ein Edelgas (wie z. B. ein Argongas) oder dergleichen, welches einen niedrigen Taupunkt aufweist, wird verwendet, wodurch die Menge an Feuchtigkeit, die sich während des Abscheidens in den Film einmischt, verringert werden kann.
Die Abscheidungskammer 80b in 16A ist ferner mit einer Kryopumpe 95a verbunden, wobei ein Ventil dazwischen positioniert ist, die Transferkammer 83 ist mit einer Kryopumpe 95b verbunden, wobei ein Ventil dazwischen positioniert ist, und die Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 ist mit einer Vakuumpumpe 96 verbunden, wobei ein Ventil dazwischen positioniert ist. Es sei angemerkt, dass die Load-Lock-Kammer und die Unload-Lock-Kammer in der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 jeweils unabhängig mit der Vakuumpumpe verbunden sein können. Die Abscheidungskammer 80b und die Transferkammer 83 sind jeweils mit der Vakuumpumpe 96 verbunden, wobei ein Ventil dazwischen positioniert ist.
Es sei angemerkt, dass die Vakuumpumpe 96 eine Pumpe sein kann, bei der eine Trockenpumpe und eine mechanische Boosterpumpe in Reihe verbunden sind. Bei einer derartigen Struktur kann eine Evakuierung unter Verwendung der Vakuumpumpe 96 durchgeführt werden, wenn der Druck in der Abscheidungskammer 80b und der Transferkammer 83 in dem Bereich des atmosphärischen Drucks bis zum Niedrigvakuum (etwa 0,1 Pa bis 10 Pa) liegt, und es kann sodann eine Evakuierung unter Verwendung der Kryopumpe 95a oder 95b durchgeführt werden, wenn der Druck in der Abscheidungskammer 80b und der Transferkammer 83 in dem Bereich vom Niedrigvakuum zum Hochvakuum (1 × 10^–4 Pa bis 1 × 10^–7 Pa) liegt, indem das Ventil umgeschaltet wird.
Als nächstes wird ein Beispiel für die Abscheidungskammer in 15B, das sich von dem in 16A dargestellten Beispiel unterscheidet, anhand von 16B beschrieben.
Die in 16B dargestellte Abscheidungskammer 80b ist durch ein Gate-Ventil mit der Transferkammer 83 verbunden, und die Transferkammer 83 ist durch ein Gate-Ventil mit der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 verbunden.
Die Abscheidungskammer 80b in 16B ist über ein Gaserwärmungssystem 98 mit der Massenstromsteuerung 97 verbunden, und das Gaserwärmungssystem 98 ist über die Massenstromsteuerung 97 mit dem Refiner 94 verbunden. Mit dem Gaserwärmungssystem 98 kann ein Gas, das in die Abscheidungskammer 80b eingeleitet wird, auf eine Temperatur von höher als oder gleich 40°C und niedriger als oder gleich 400°C, bevorzugt höher als oder gleich 50°C und niedriger als oder gleich 200°C erwärmt werden. Es sei angemerkt, dass, obwohl die Anzahl der Gaserwärmungssysteme 98 und die Anzahl der Massenstromsteuerungen 97 jeweils der Anzahl der Gasarten entsprechen, der Einfachheit halber nur ein Gaserwärmungssystem 98 und eine Massenstromsteuerung 97 bereitgestellt sind.
Die Abscheidungskammer 80b in 16B ist sowohl mit einer Turbomolekularpumpe 95c als auch mit einer Vakuumpumpe 96b verbunden, wobei Ventile zwischen ihnen positioniert sind. Es sei angemerkt, dass als Hilfspumpe eine Vakuumpumpe 96a für die Turbomolekularpumpe 95c vorgesehen ist, wobei ein Ventil dazwischen positioniert ist. Die Vakuumpumpe 96a und die Vakuumpumpe 96b können jeweils eine Struktur haben, die derjenigen der Vakuumpumpe 96 ähnlich ist.
Darüber hinaus ist die Abscheidungskammer 80b in 16B mit einer Kryofalle (cryotrap) 99 versehen.
Es ist bekannt, dass die Turbomolekularpumpe 95c ein groß bemessenes Molekül (oder Atom) stabil evakuieren kann, eine niedrige Wartungshäufigkeit benötigt und damit eine hohe Produktivität ermöglicht, wohingegen sie geringe Fähigkeiten bei der Evakuierung von Wasserstoff und Wasser aufweist. Daher ist die Kryofalle 99, die starke Fähigkeiten bei der Evakuierung eines Moleküls (oder Atoms) mit einem vergleichsweise hohen Schmelzpunkt, wie z. B. von Wasser, aufweist, mit der Abscheidungskammer 80b verbunden. Die Temperatur eines Kühlers der Kryofalle 99 ist auf niedriger als oder gleich 100 K, bevorzugt niedriger als oder gleich 80 K eingestellt. In dem Fall, in dem die Kryofalle 99 eine Mehrzahl von Kühlern beinhaltet, ist es vorzuziehen, die Temperatur jedes Kühlers auf eine andere Temperatur einzustellen, da eine effiziente Evakuierung möglich ist. Die Temperaturen eines Kühlers der ersten Stufe und eines Kühlers der zweiten Stufe können beispielsweise auf 100 K oder niedriger bzw. 20 K oder niedriger eingestellt sein.
Die Transferkammer 83 in 16B ist mit der Vakuumpumpe 96b und Kryopumpen 95d und 95e jeweils durch ein Ventil verbunden. Bei einer Kryopumpe kann eine Evakuierung dann nicht durchgeführt werden, wenn die Kryopumpe in Regeneration ist. Jedoch kann für den Fall von zwei oder mehr Kryopumpen, die parallel verbunden sind, selbst dann, wenn eine der Kryopumpen in Regeneration ist, eine Evakuierung unter Verwendung einer beliebigen der anderen Kryopumpen durchgeführt werden. Es sei angemerkt, dass die obige Regeneration einer Kryopumpe eine Behandlung zum Entladen von Molekülen (oder Atomen), die in der Kryopumpe eingeschlossen sind, bezeichnet. Sind zu viele Moleküle (oder Atome) in einer Kryopumpe eingeschlossen, so wird die Evakuierungsfähigkeit der Kryopumpe gesenkt. Daher wird regelmäßig eine Regeneration durchgeführt.
Die Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 in 16B ist mit einer Kryopumpe 95f und einer Vakuumpumpe 96c verbunden, wobei jeweils ein Ventil zwischen ihnen positioniert ist. Es sei angemerkt, dass die Vakuumpumpe 96c eine Struktur haben kann, die derjenigen der Vakuumpumpe 96 ähnlich ist.
Als nächstes werden Details der in 15B dargestellten Substraterwärmungskammer 85 anhand von 17 beschrieben.
Die in 17 dargestellte Substraterwärmungskammer 85 ist mit der Transferkammer 83 verbunden, wobei ein Gate-Ventil dazwischen positioniert ist. Die Transferkammer 83 ist mit der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 verbunden, wobei ein Gate-Ventil dazwischen positioniert ist. Es sei angemerkt, dass die Gasabsaugung der Load-und-Unload-Lock-Kammer 82 ähnlich derjenigen in 16A oder 16B sein kann.
Die Substraterwärmungskammer 85 in 17 ist über die Massenstromsteuerung 97 mit dem Refiner 94 verbunden. Es sei angemerkt, dass, obwohl die Anzahl der Refiner 94 und die Anzahl der Massenstromsteuerungen 97 jeweils der Anzahl der Gasarten entsprechen, der Einfachheit halber nur ein Refiner 94 und eine Massenstromsteuerung 97 bereitgestellt sind. Die Substraterwärmungskammer 85 ist mit der Vakuumpumpe 96b verbunden, wobei ein Ventil dazwischen positioniert ist.
Die Substraterwärmungskammer 85 beinhaltet einen Substrattisch 92. Der Substrattisch 92 hält mindestens ein Substrat und kann eine Mehrzahl von Substraten halten. Die Substraterwärmungskammer 85 beinhaltet zusätzlich einen Erwärmungsmechanismus 93. Als der Erwärmungsmechanismus 93 kann beispielsweise ein Erwärmungsmechanismus verwendet werden, der einen Gegenstand unter Verwendung einer Widerstandsheizung oder dergleichen erwärmt. Alternativ kann eine Wärmeleitung oder Wärmestrahlung aus einem Medium, wie z. B. einem erwärmten Gas, als Erwärmungsmechanismus verwendet werden. Beispielsweise können eine RTA-(rapid thermal anneal)Behandlung, wie z. B. eine GRTA-(gas rapid thermal anneal)Behandlung oder eine LRTA-(lamp rapid thermal anneal)Behandlung, verwendet werden. Bei der LRTA-Behandlung handelt es sich um eine Behandlung zum Erwärmen eines Gegenstandes durch Bestrahlung mit Licht (einer elektromagnetischen Welle), das aus einer Lampe, wie z. B. einer Halogenlampe, einer Metall-Halogenid-Lampe, einer Xenonbogenlampe, einer Kohlebogenlampe, einer Hochdruck-Natriumlampe oder einer Hochdruck-Quecksilberlampe, emittiert wird. Eine GRTA-Einrichtung ist eine Einrichtung zum Durchführen einer Wärmebehandlung unter Verwendung eines Hochtemperaturgases. Ein Inertgas wird als Gas verwendet.
Es sei angemerkt, dass der Rückdruck (back pressure) der Abscheidungskammer 80b und der der Substraterwärmungskammer 85 jeweils niedriger als oder gleich 1 × 10^–4 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa sind.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist der Partialdruck eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 18 niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist der Partialdruck eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 28 niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist der Partialdruck eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 44 niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist des Weiteren die Leckrate 3 × 10^–6 Pa·m³/s oder niedriger, bevorzugt 1 × 10^–6 Pa·m³/s oder niedriger.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist die Leckrate eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 18 niedriger als oder gleich 1 × 10^–7 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–8 Pa·m³/s.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist die Leckrate eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 28 niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–6 Pa·m³/s.
Sowohl bei der Abscheidungskammer 80b als auch bei der Substraterwärmungskammer 85 ist die Leckrate eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 44 niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–6 Pa·m³/s.
Es sei angemerkt, dass ein Totaldruck und ein Partialdruck in einer Vakuumkammer unter Verwendung eines Massenanalysators gemessen werden können. Es kann beispielsweise der Qulee CGM-051, ein Quadrupolmassenanalysator (auch als Q-Masse bezeichnet), hergestellt von ULVAC, Inc., verwendet werden. Es sei angemerkt, dass eine Leckrate aus dem Totaldruck und dem Partialdruck, die unter Verwendung des Massenanalysators gemessen werden, hergeleitet werden kann.
Die Leckrate hängt von einer externen Leckage und einer internen Leckage ab. Die externe Leckage bezeichnet ein Einströmen von Gas von außerhalb eines Vakuumsystems durch ein winziges Loch, einen Dichtungsdefekt oder dergleichen. Die interne Leckage rührt von einer Leckage durch eine Unterteilung, wie z. B. ein Ventil, in einem Vakuumsystem oder von Gas her, das aus einem internen Element abgegeben wird. Es müssen Messungen sowohl hinsichtlich der externen Leckage als auch hinsichtlich der internen Leckage vorgenommen werden, damit die Leckrate niedriger als oder gleich dem obigen Wert ist.
Zum Beispiel wird ein Öffnungs-/Schließ-Abschnitt der Abscheidungskammer vorzugsweise mit einer Metalldichtung abgedichtet. Für die Metalldichtung wird vorzugsweise Metall, das mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid oder Chromoxid bedeckt ist, verwendet. Die Metalldichtung ermöglicht eine größere Anhaftung als ein O-Ring, was die externe Leckage verringern kann. Des Weiteren wird unter Verwendung des Metalls, das mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt ist, das sich im Passivzustand befindet, die Abgabe von Gas, das Verunreinigungen enthält, die aus der Metalldichtung abgegeben werden, unterdrückt, so dass die interne Leckage verringert werden kann.
Als Element der Abscheidungseinrichtung wird Aluminium, Chrom, Titan, Zirconium, Nickel oder Vanadium, welches eine kleinere Menge von Verunreinigungen enthaltendem Gas abgibt, verwendet. Alternativ kann eine Legierung verwendet werden, die Eisen, Chrom, Nickel und dergleichen enthält und mit dem vorstehenden Element bedeckt ist. Die Legierung, die Eisen, Chrom, Nickel und dergleichen enthält, ist fest, wärmebeständig und verarbeitungsgeeignet. Hierbei kann dann, wenn eine Oberflächenunebenheit des Elementes durch Polieren oder dergleichen verringert wird, um die Oberflächenfläche zu verringern, das abgegebene Gas verringert werden.
Alternativ kann das oben genannte Element der Abscheidungseinrichtung mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt sein.
Das Element der Abscheidungseinrichtung ist vorzugsweise soweit wie möglich nur aus Metall gebildet. Beispielsweise ist in dem Fall, in dem ein Sichtfenster, das aus Quarz oder dergleichen gebildet ist, bereitgestellt ist, die Oberfläche des Elementes vorzugsweise dünn mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt, um das abgegebene Gas zu unterdrücken.
In dem Fall, in dem der Refiner genau vor der Einleitungsposition eines Abscheidungsgases bereitgestellt ist, ist die Länge eines Rohres zwischen dem Refiner und der Abscheidungskammer weniger als oder gleich 10 m, bevorzugt weniger als oder gleich 5 m, stärker bevorzugt weniger als oder gleich 1 m. Ist die Länge des Rohres weniger als oder gleich 10 m, weniger als oder gleich 5 m oder weniger als oder gleich 1 m, so kann der Einfluss der Gasabgabe aus dem Rohr entsprechend verringert werden.
Als Rohr für das Abscheidungsgas wird ferner vorzugsweise ein Metallrohr verwendet, dessen Innenseite mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt ist. Mit dem vorstehenden Rohr wird die Menge an Verunreinigungen enthaltendem abgegebenem Gas verringert, und es kann das Eindringen von Verunreinigungen in das Abscheidungsgas beispielsweise im Vergleich zu einem SUS316L-EP-Rohr verringert werden. Ferner wird eine ultra-kompakte Hochleistungsmetalldichtungsverbindung (eine UPG-Verbindung) vorzugsweise als Rohrverbindung verwendet. Eine Struktur, bei der alle Materialien des Rohres Metalle sind, wird vorgezogen, da der Einfluss des erzeugten abgegebenen Gases oder der externen Leckage im Vergleich zu einer Struktur, bei der Harz oder dergleichen verwendet wird, verringert werden kann.
Ist ein Adsorbat in der Abscheidungskammer vorhanden, so hat das Adsorbat keine Auswirkung auf den Druck in der Abscheidungskammer, da es an einer Innenwand oder dergleichen adsorbiert ist. Das Adsorbat bewirkt jedoch, dass Gas abgegeben wird, wenn das Innere der Abscheidungskammer evakuiert wird. Obwohl keine Korrelation zwischen der Leckrate und der Evakuierungsrate besteht, ist es daher wichtig, dass das Adsorbat, das in der Abscheidungskammer vorhanden ist, weitestgehend desorbiert wird und eine Evakuierung unter Verwendung einer Pumpe mit hoher Evakuierungsfähigkeit vorab durchgeführt wird. Es sei angemerkt, dass die Abscheidungskammer einem Brennen zur Förderung der Desorption des Adsorbats unterzogen werden kann. Beim Brennen kann die Desorptionsrate des Adsorbats um ein Zehnfaches erhöht werden. Das Brennen sollte bei einer Temperatur von höher als oder gleich 100°C und niedriger als oder gleich 450°C durchgeführt werden. Dabei kann dann, wenn das Adsorbat entfernt wird, während ein Inertgas in die Abscheidungskammer eingeleitet wird, die Desorptionsrate von Wasser oder dergleichen, das durch eine einfache Evakuierung schwierig zu desorbieren ist, weiter erhöht werden. Es sei angemerkt, dass die Desorptionsrate des Adsorbats weiter erhöht werden kann, indem das einzuleitende Inertgas bei einer Temperatur, die im Wesentlichen gleich der Temperatur beim Brennen ist, erwärmt wird. Hierbei wird vorzugsweise ein Edelgas als Inertgas verwendet. In Abhängigkeit von der Art eines auszubildenden Films kann Sauerstoff oder dergleichen anstelle eines Inertgases verwendet werden. Beispielsweise wird für den Fall des Abscheidens einer Oxidhalbleiterschicht die Verwendung von Sauerstoff, welcher der Hauptbestandteil des Oxides ist, in einigen Fällen vorgezogen.
Alternativ wird eine Behandlung zum Evakuieren des Inneren der Abscheidungskammer vorzugsweise für eine bestimmte Zeitspanne durchgeführt, nachdem ein erwärmtes Sauerstoffgas, ein erwärmtes Inertgas, wie z. B. ein erwärmtes Edelgas, oder dergleichen eingeleitet worden ist, um den Druck in der Abscheidungskammer zu erhöhen. Die Einleitung des erwärmten Gases kann das Adsorbat in der Abscheidungskammer desorbieren, und es können die in der Abscheidungskammer vorhandenen Verunreinigungen verringert werden. Es sei angemerkt, dass eine positive Wirkung erfüllt werden kann, wenn diese Behandlung 2- bis einschließlich 30-mal, bevorzugt 5- bis einschließlich 15-mal wiederholt wird. Insbesondere wird ein Inertgas, Sauerstoff oder dergleichen bei einer Temperatur von höher als oder gleich 40°C und niedriger als oder gleich 400°C, bevorzugt höher als oder gleich 50°C und niedriger als oder gleich 500°C in die Abscheidungskammer eingeleitet, so dass der Druck bei höher als oder gleich 0,1 Pa und niedriger als oder gleich 10 kPa, bevorzugt höher als oder gleich 1 Pa und niedriger als oder gleich 1 kPa, stärker bevorzugt höher als oder gleich 5 Pa und niedriger als oder gleich 100 Pa für 1 Minute bis 300 Minuten, bevorzugt 5 Minuten bis 120 Minuten gehalten werden kann. Anschließend wird das Innere der Abscheidungskammer für länger als oder gleich 5 Minuten und kürzer als oder gleich 300 Minuten, bevorzugt länger als oder gleich 10 Minuten und kürzer als oder gleich 120 Minuten evakuiert.
Die Desorptionsrate des Adsorbats kann weiter auch durch eine Dummy-Abscheidung erhöht werden. Hierbei bezeichnet die Dummy-Abscheidung ein Abscheiden auf einem Dummy-Substrat durch Sputtern oder dergleichen, bei dem ein Film auf dem Dummy-Substrat und der Innenwand der Abscheidungskammer ausgebildet wird, so dass Verunreinigungen in der Abscheidungskammer und ein Adsorbat an der Innenwand der Abscheidungskammer in dem Film eingeschlossen werden. Als Dummy-Substrat wird vorzugsweise ein Substrat verwendet, das eine kleinere Menge von Gas abgibt. Durch eine Dummy-Abscheidung kann die Verunreinigungskonzentration in einem auszubildenden Film verringert werden. Es sei angemerkt, dass die Dummy-Abscheidung gleichzeitig mit dem Brennen der Abscheidungskammer durchgeführt werden kann.
Wird eine Oxidhalbleiterschicht unter Verwendung der vorstehenden Abscheidungseinrichtung ausgebildet, so kann das Einmischen von Verunreinigungen in die Oxidhalbleiterschicht unterdrückt werden. Darüber hinaus kann dann, wenn ein Film, der in Kontakt mit der Oxidhalbleiterschicht steht, unter Verwendung der vorstehenden Abscheidungseinrichtung ausgebildet wird, das Einmischen von Verunreinigungen in die Oxidhalbleiterschicht aus dem Film, der in Kontakt mit ihr steht, verhindert werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden eines CAAC-OS unter Verwendung der vorstehenden Abscheidungseinrichtung beschrieben.
Die Oberflächentemperatur des Targets wird auf niedriger als oder gleich 100°C, bevorzugt niedriger als oder gleich 50°C, stärker bevorzugt etwa Raumtemperatur (typischerweise 20°C oder 25°C) eingestellt. Bei einer Sputtereinrichtung für ein großes Substrat wird oftmals ein Target mit einer großen Fläche verwendet. Es ist jedoch schwierig, ein Target für ein großes Substrat ohne Verbindungsstelle zu bilden. In der Praxis entsteht, obwohl zur Herstellung einer großen Form eine Mehrzahl von Targets derart angeordnet wird, dass so wenig Raum wie möglich dazwischen vorhanden ist, unvermeidlich ein kleiner Raum. Nimmt die Oberflächentemperatur des Targets zu, so verflüchtigt sich in einigen Fällen Zn oder dergleichen aus einem solchen kleinen Raum, und es könnte der Raum allmählich expandieren. Expandiert der Raum, so könnte ein Metall einer Grundplatte oder ein Metall, das zur Adhäsion verwendet wird, gesputtert werden und eine Erhöhung der Verunreinigungskonzentration bewirken. Daher ist vorzuziehen, dass das Target ausreichend abgekühlt wird.
Insbesondere wird für die Grundplatte ein Metall verwendet, das eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeableitungseigenschaft aufweist (insbesondere Cu). Das Target kann effizient abgekühlt werden, indem eine ausreichende Menge von Kühlwasser durch einen Wasserkanal fließt, der in der Grundplatte ausgebildet ist. Hierbei wird die ausreichende Menge von Kühlwasser, die von der Größe des Targets abhängt, derart gewählt, dass sie beispielsweise für den Fall eines kreisförmigen Targets mit einem Durchmesser von 300 mm größer als oder gleich 3 l/min, größer als oder gleich 5 l/min oder größer als oder gleich 10 l/min ist.
Der CAAC-OS wird in einer Sauerstoffgasatmosphäre bei einer Substraterwärmungstemperatur von höher als oder gleich 100°C und niedriger als oder gleich 600°C, bevorzugt höher als oder gleich 150°C und niedriger als oder gleich 550°C und stärker bevorzugt höher als oder gleich 200°C und niedriger als oder gleich 500°C ausgebildet. Die Dicke des CAAC-OS ist größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 40 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 20 nm. Je höher die Erwärmungstemperatur während des Abscheidens, desto niedriger die Verunreinigungskonzentration in dem gewonnenen CAAC-OS. Des Weiteren tritt wahrscheinlich eine Wanderung von gesputterten Teilchen an einer Abscheidungsoberfläche auf. Daher ist die Atomanordnung in dem Oxidfilm geordnet, und seine Dichte wird erhöht, so dass ein CAAC-OS mit hoher Kristallinität leicht gebildet wird. Wenn das Abscheiden in einer Sauerstoffgasatmosphäre durchgeführt wird, wird darüber hinaus ein Plasmaschaden gemildert, und es ist ein überschüssiges Atom, wie z. B. ein Edelgasatom, nicht in dem Oxidfilm enthalten, wodurch ein CAAC-OS mit hoher Kristallinität leicht gebildet wird. Es sei angemerkt, dass das Abscheiden in einer Mischatmosphäre aus einem Sauerstoffgas und einem Edelgas durchgeführt werden kann. In diesem Fall ist der Prozentsatz des Sauerstoffgases höher als oder gleich 30 Vol.-%, bevorzugt höher als oder gleich 50 Vol.-%, stärker bevorzugt höher als oder gleich 80 Vol.-%, noch stärker bevorzugt 100 Vol.-%.
Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem das Target Zn enthält, ein Plasmaschaden durch die Abscheidung in einer Sauerstoffgasatmosphäre gemildert wird. Dies bedeutet, dass ein CAAC-OS gewonnen werden kann, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass sich Zn verflüchtigt.
Der CAAC-OS wird unter den folgenden Bedingungen gebildet: Der Abscheidungsdruck ist niedriger als oder gleich 0,8 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 0,4 Pa; und der Abstand zwischen dem Target und einem Substrat ist weniger als oder gleich 40 mm, bevorzugt weniger als oder gleich 25 mm. Wird der CAAC-OS unter einer derartigen Bedingung abgeschieden, so kann die Häufigkeit der Kollision zwischen einem gesputterten Teilchen und einem weiteren gesputterten Teilchen, einem Gasmolekül oder einem Ion verringert werden. Das heißt, dass in Abhängigkeit vom Abscheidungsdruck der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat kürzer gemacht wird als der mittlere freie Weg eines gesputterten Teilchens, eines Gasmoleküls oder eines Ions, so dass die Konzentration von Verunreinigungen, die sich in den Film einmischen, verringert werden kann.
Wenn beispielsweise der Druck 0,4 Pa ist und die Temperatur 25°C ist (die absolute Temperatur 298 K ist), weist ein Wasserstoffmolekül (H₂) einen mittleren freien Weg von 48,7 mm auf, ein Heliumatom (He) weist einen mittleren freien Weg von 57,9 mm auf, ein Wassermolekül (H₂O) weist einen mittleren freien Weg von 31,3 mm auf, ein Methanmolekül (CH₄) weist einen mittleren freien Weg von 13,2 mm auf, ein Neonatom (Ne) weist einen mittleren freien Weg von 42,3 mm auf, ein Stickstoffmolekül (N₂) weist einen mittleren freien Weg von 23,2 mm auf, ein Kohlenmonoxidmolekül (CO) weist einen mittleren freien Weg von 16,0 mm auf, ein Sauerstoffmolekül (O₂) weist einen mittleren freien Weg von 26,4 mm auf, ein Argonatom (Ar) weist einen mittleren freien Weg von 28,3 mm auf, ein Kohlendioxidmolekül (CO₂) weist einen mittleren freien Weg von 10,9 mm auf, ein Kryptonatom (Kr) weist einen mittleren freien Weg von 13,4 mm auf, und ein Xenonatom (Xe) weist einen mittleren freien Weg von 9,6 mm auf. Es sei angemerkt, dass das Verdoppeln des Drucks einen mittleren freien Weg halbiert und dass das Verdoppeln der absoluten Temperatur einen mittleren freien Weg verdoppelt.
Der mittlere freie Weg hängt von dem Druck, der Temperatur und dem Durchmesser eines Moleküls (Atoms) ab. In dem Fall, in dem der Druck und die Temperatur konstant sind, ist, je größer der Durchmesser eines Moleküls (Atoms) ist, desto kürzer der mittlere freie Weg. Es sei angemerkt, dass die Durchmesser der Moleküle (Atome) wie folgt sind: H₂: 0,218 nm; He: 0,200 nm; H₂O: 0,272 nm; CH₄: 0,419 nm; Ne: 0,234 nm; N₂: 0,316 nm; CO: 0,380 nm; O₂: 0,296 nm; Ar: 0,286 nm; CO₂: 0,460 nm; Kr: 0,415 nm; und Xe: 0,491 nm.
Ist daher der Durchmesser eines Moleküls (Atoms) größer, so ist der mittlere freie Weg kürzer, und der Grad der Kristallinität wird aufgrund des großen Durchmessers des Moleküls (Atoms) verringert, wenn das Molekül (Atom) in den Film eindringt. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dass sich beispielsweise ein Molekül (Atom), dessen Durchmesser größer ist als derjenige von Ar, wahrscheinlich als Verunreinigung verhält.
Als nächstes wird eine Wärmebehandlung durchgeführt. Die Wärmebehandlung wird unter verringertem Druck oder in einer Inertatmosphäre oder einer Oxidationsatmosphäre durchgeführt. Durch die Wärmebehandlung kann die Verunreinigungskonzentration in dem CAAC-OS verringert werden.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise auf eine solche Weise durchgeführt, dass, nachdem eine Wärmebehandlung unter verringertem Druck oder in einer Inertatmosphäre durchgeführt worden ist, die Atmosphäre in eine Oxidationsatmosphäre übergeht, wobei die Temperatur aufrechterhalten wird, und eine Wärmebehandlung weiterhin durchgeführt wird. Wird die Wärmebehandlung unter verringertem Druck oder in einer Inertatmosphäre durchgeführt, so kann die Verunreinigungskonzentration in dem CAAC-OS verringert werden. Es werden jedoch gleichzeitig Sauerstofffehlstellen erzeugt. Durch die Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre können die erzeugten Sauerstofffehlstellen verringert werden.
Wird zusätzlich zu der Substraterwärmung während des Abscheidens eine Wärmebehandlung an dem CAAC-OS durchgeführt, so kann die Verunreinigungskonzentration in dem Film verringert werden.
Insbesondere kann die Wasserstoffkonzentration in dem CAAC-OS, gemessen durch SIMS, auf niedriger als oder gleich 2 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt werden.
Die Stickstoffkonzentration in dem CAAC-OS, gemessen durch SIMS, kann auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt werden.
Die Kohlenstoffkonzentration in der Oxidhalbleiterschicht, gemessen durch SIMS, kann auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt werden.
Die durch eine TDS-Analyse gemessene Menge jedes der folgenden Gasmoleküle (Atome), die aus dem CAAC-OS abgegeben werden, kann kleiner als oder gleich 1 × 10¹⁹/cm³, bevorzugt kleiner als oder gleich 1 × 10¹⁸/cm³ sein: ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 2 aufweist (z. B. Wasserstoffmolekül), ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 18 aufweist, ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 28 aufweist, und ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) von 44 aufweist.
Bezüglich eines Messverfahrens der Abgabemenge unter Verwendung einer TDS-Analyse wird auf die Beschreibung eines Messverfahrens der Menge der abgegebenen Sauerstoffatome, das später beschrieben wird, Bezug genommen.
Auf die vorstehende Weise kann ein CAAC-OS-Film mit hoher Kristallinität ausgebildet werden.
Als nächstes wird ein Top-Gate-Top-Kontakt-(top-gate top-contact, TGTC-)Transistor, der eine Art von Top-Gate-Transistor ist, anhand von 18A bis 18C beschrieben.
18A bis 18C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten eines TGTC-Transistors. 18A ist die Draufsicht auf den Transistor. 18B ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie B1-B2 in 18A. 18C ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie B3-B4 in 18A.
Der Transistor in 18B beinhaltet einen isolierenden Basisfilm 602, der über einem Halbleitersubstrat 600 angeordnet ist; einen mehrschichtigen Film 606, der eine Oxidschicht 606a, die über dem isolierenden Basisfilm 602 angeordnet ist, eine Oxidhalbleiterschicht 606b, die über der Oxidschicht 606a angeordnet ist, und eine Oxidschicht 606c umfasst, die über der Oxidhalbleiterschicht 606b angeordnet ist; eine Source-Elektrode 616a und eine Drain-Elektrode 616b, welche über dem isolierenden Basisfilm 602 und dem mehrschichtigen Film 606 angeordnet sind; einen Gate-Isolierfilm 612, der über dem mehrschichtigen Film 606, der Source-Elektrode 616a und der Drain-Elektrode 616b angeordnet ist; eine Gate-Elektrode 604, die über dem Gate-Isolierfilm 612 angeordnet ist; und einen isolierenden Schutzfilm 618, der über dem Gate-Isolierfilm 612 und der Gate-Elektrode 604 angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass der Transistor nicht notwendigerweise den isolierenden Basisfilm 602 und/oder den isolierenden Schutzfilm 618 beinhaltet.
Es sei angemerkt, dass die Source-Elektrode 616a und die Drain-Elektrode 616b in Kontakt mit Seitenkanten der Oxidhalbleiterschicht 606b angeordnet sind.
Wie in 18B dargestellt, wird in einigen Fällen abhängig von der Art eines für die Source-Elektrode 616a und die Drain-Elektrode 616b verwendeten leitenden Films Sauerstoff, der in einem Teil der Oxidschicht 606c enthalten ist, entfernt, so dass n-Typ-Bereiche gebildet werden, um als Source-Bereich und Drain-Bereich zu dienen. Ferner handelt es sich bei dem n-Typ-Bereich um einen Bereich, in dem viele Sauerstoffdefekte in der Oxidschicht existieren. Außerdem wird ein Bestandteil der Source-Elektrode 616a in den n-Typ-Bereich eingemischt; in dem Fall, in dem beispielsweise ein Wolframfilm für die Source-Elektrode 616a verwendet wird, wird Wolfram als Element in die n-Typ-Bereiche eingemischt. Des Weiteren wird, obwohl nicht dargestellt, Sauerstoff aus der Oxidschicht in einen in Kontakt mit der Oxidschicht stehenden Bereich der Source-Elektrode 616a eingemischt, so dass eine Mischschicht in dem Bereich ausgebildet werden kann. Es sei angemerkt, dass der obige n-Typ-Bereich auch in der Oxidschicht auf der Seite der Drain-Elektrode 616b gebildet wird. In 18B ist eine Grenze des n-Typ-Bereichs durch eine Punktlinie dargestellt.
In einem die Gate-Elektrode 604 überlappenden Bereich in 18A wird ein Abstand zwischen der Source-Elektrode 616a und der Drain-Elektrode 616b als Kanallänge bezeichnet. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem der Transistor den Source-Bereich und den Drain-Bereich umfasst, ein Abstand zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich in dem die Gate-Elektrode 604 überlappenden Bereich als Kanallänge bezeichnet werden kann.
Es sei angemerkt, dass eine Kanalbildung einem Bereich des mehrschichtigen Films 606 entspricht, der die Gate-Elektrode 604 überlappt und zwischen der Source-Elektrode 616a und der Drain-Elektrode 616b positioniert ist. Der Kanal entspricht ferner einem Bereich des Kanalbildungsbereichs, in dem ein Strom hauptsächlich fließt. Der Kanalbereich ist hier ein Teil der Oxidhalbleiterschicht 606b in dem Kanalbildungsbereich.
Bezüglich des mehrschichtigen Films 606 wird auf die Beschreibung des mehrschichtigen Films 706 in 11 Bezug genommen. Insbesondere wird bezüglich der Oxidschicht 606a auf die Beschreibung der Oxidschicht 706c Bezug genommen, bezüglich der Oxidhalbleiterschicht 606b wird auf die Beschreibung der Oxidhalbleiterschicht 706b Bezug genommen, und bezüglich der Oxidschicht 606c wird auf die Beschreibung der Oxidschicht 706a Bezug genommen.
Die Oxidschicht 606c enthält eine oder mehrere Art/en von Elementen, die in der Oxidhalbleiterschicht 606b enthalten ist/sind. Die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes der Oxidschicht 606c liegt um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher am Vakuumniveau als diejenige der Oxidhalbleiterschicht 606b. Es sei angemerkt, dass die Oxidhalbleiterschicht 606b vorzugsweise mindestens Indium enthält, um die Ladungsträgerbeweglichkeit der Oxidhalbleiterschicht 606b zu erhöhen. Dabei bildet ein Anlegen eines elektrischen Feldes an die Gate-Elektrode 604 einen Kanal in der Oxidhalbleiterschicht 606b des mehrschichtigen Films 606, wobei die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes niedrig ist. Das heißt: Wenn die Oxidschicht 606c zwischen der Oxidhalbleiterschicht 606b und dem Gate-Isolierfilm 612 angeordnet ist, kann der Kanal des Transistors in der Oxidhalbleiterschicht 606b gebildet werden, die nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm 612 steht. Überdies ist es, da die Oxidschicht 606c eine oder mehrere Arten von Elementen enthält, die in der Oxidhalbleiterschicht 606b enthalten ist/sind, unwahrscheinlich, dass eine Grenzflächenstreuung an der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 606b und der Oxidschicht 606c auftritt. Daher werden Ladungsträger bei Bewegung an der Grenzfläche nicht behindert, was eine Erhöhung der Feldeffektbeweglichkeit des Transistors zur Folge hat.
Die Oxidschicht 606c weist eine Dicke von größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm auf. Die Oxidhalbleiterschicht 606b weist eine Dicke von größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 200 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 15 nm auf. Die Oxidschicht 606a weist eine Dicke von größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm auf.
Die Oxidschicht 606a enthält eine oder mehrere Art/en von Elementen, die in der Oxidhalbleiterschicht 606b enthalten ist/sind. Die Energie der unteren Kante des Leitungsbandes der Oxidschicht 606a liegt um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher am Vakuumniveau als diejenige der Oxidhalbleiterschicht 606b. Da die Oxidschicht 606a eine oder mehrere Arten von Elementen enthält, die in der Oxidhalbleiterschicht 606b enthalten ist/sind, ist es unwahrscheinlich, dass eine Grenzflächenstreuung an der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 606b und der Oxidschicht 606a auftritt. Wenn die Grenzfläche einen Grenzflächenzustand aufweist, wird in einigen Fällen ein zweiter Transistor ausgebildet, bei dem die Grenzfläche als Kanal dient, und die scheinbare Schwellenspannung des Transistors schwankt. Auf diese Weise ermöglicht das Bereitstellen der Oxidschicht 606a, dass Schwankungen der elektrischen Eigenschaften des Transistors, wie z. B. Schwellenspannung, verringert werden.
Die Oxidschicht 606a und die Oxidschicht 606c können jeweils beispielsweise eine Oxidschicht sein, welche die gleichen Elementen wie die Oxidhalbleiterschicht 606b (d. h. Indium, Gallium und Zink) als Hauptbestandteile enthält und in welcher der Anteil an Galliumatomen höher ist als derjenige in der Oxidhalbleiterschicht 606b. Insbesondere wird eine Oxidschicht, in welcher der Anteil an Galliumatomen das 1,5-Fache oder mehr, bevorzugt das Doppelte oder mehr, stärker bevorzugt das Dreifache oder mehr desjenigen in der Oxidhalbleiterschicht 606b beträgt, jeweils als die Oxidschicht 606a und als die Oxidschicht 606c verwendet. Gallium wird an Sauerstoff fest gebunden und weist somit eine Funktion auf, um eine Erzeugung von Sauerstofffehlstellen in der Oxidschicht zu verhindern. Mit anderen Worten: Bei der Oxidschicht 606a und der Oxidschicht 606c handelt es sich um Oxidschichten, in denen Sauerstofffehlstellen weniger wahrscheinlich entstehen als in der Oxidhalbleiterschicht 606b.
Es sei angemerkt, dass die Oxidschicht 606a, die Oxidhalbleiterschicht 606b und die Oxidschicht 606c amorph oder kristallin sind. Es ist bevorzugt, dass die Oxidschicht 606a amorph oder kristallin ist, dass die Oxidhalbleiterschicht 606b kristallin ist und dass die Oxidschicht 606c amorph ist. Wenn die Oxidhalbleiterschicht 606b, in der ein Kanal gebildet wird, kristallin ist, kann der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.
Als nächstes werden weitere Strukturen des Transistors nachstehend beschrieben.
Bezüglich des Halbleitersubstrats 600 wird auf die Beschreibung des Halbleitersubstrats 800 Bezug genommen.
Die Source-Elektrode 616a und die Drain-Elektrode 616b können mittels einer einzigen Schicht oder einer gestapelten Schicht unter Verwendung eines oder mehrerer leitender Filme ausgebildet werden, der/die eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält/enthalten: Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer, Yttrium, Zirconium, Molybdän, Ruthenium, Silber, Tantal und Wolfram. Es sei angemerkt, dass die Source-Elektrode 616a und die Drain-Elektrode 616b die gleiche Zusammensetzung oder unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können. Beispielsweise wird ein Stapel aus einem Wolframfilm und einem Tantalnitridfilm verwendet.
Es sei angemerkt, dass in 18A der mehrschichtige Film 606 derart ausgebildet ist, dass er sich weiter nach außen erstreckt als die Gate-Elektrode 604; jedoch kann der mehrschichtige Film 606 weiter innen ausgebildet sein als die Gate-Elektrode 604, um eine durch Licht hervorgerufene Erzeugung von Ladungsträgern in dem mehrschichtigen Film 606 zu verhindern.
Der isolierende Basisfilm 602 kann unter Verwendung einer einzigen Schicht oder einer gestapelten Schicht ausgebildet werden, wobei ein isolierender Film zum Einsatz kommt, der eine oder mehrere Arten aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält.
Der isolierende Basisfilm 602 kann beispielsweise ein mehrschichtiger Film aus einer Siliziumnitridschicht als erste Schicht und einer Siliziumoxidschicht als zweite Schicht sein. In diesem Fall kann eine Siliziumoxynitridschicht statt der Siliziumoxidschicht verwendet werden. Als Siliziumoxidschicht wird vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht mit einer niedrigen Defektdichte verwendet. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, die eine Spindichte (spin density) von 3 × 10¹⁷ Spins/cm³ oder niedriger, bevorzugt 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ oder niedriger aufweist, welche einem Signal bei einem g-Faktor (g-factor) von 2,001 bei Elektronenspinresonanz-(ESR-)Spektroskopie entspricht. Als Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, die eine kleine Menge an Wasserstoff und eine kleine Menge an Ammoniak abgibt. Man kann die Menge an abgegebenem Wasserstoff und die Menge an abgegebenem Ammoniak durch eine TDS-Analyse messen. Des Weiteren wird eine Siliziumnitridschicht, die keinen Sauerstoff durchlässt oder ihn kaum durchlässt, als Siliziumnitridschicht verwendet.
Der isolierende Basisfilm 602 kann alternativ beispielsweise ein mehrschichtiger Film aus einer ersten Siliziumnitridschicht als erste Schicht, einer ersten Siliziumoxidschicht als zweite Schicht und einer zweiten Siliziumoixdschicht als dritte Schicht sein. In diesem Fall kann die erste und/oder zweite Siliziumoxidschicht eine Siliziumoxynitridschicht sein. Alternativ kann die Siliziumnitridschicht auch eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Die erste Siliziumoxidschicht ist vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht mit einer niedrigen Defektdichte. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, die eine Spindichte von 3 × 10¹⁷ Spins/cm³ oder niedriger, bevorzugt 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ oder niedriger aufweist, welche einem Signal bei einem g-Faktor von 2,001 bei Elektronenspinresonanz-(ESR-)Spektroskopie entspricht. Als zweite Oxidschicht wird eine Siliziumoxidschicht, die überschüssigen Sauerstoff enthält, verwendet. Als Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, die eine kleine Menge an Wasserstoff und eine kleine Menge an Ammoniak abgibt. Des Weiteren wird eine Siliziumnitridschicht, die keinen Sauerstoff durchlässt oder ihn kaum durchlässt, als Siliziumnitridschicht verwendet.
Die Siliziumoxidschicht, die überschüssigen Sauerstoff enthält, bezieht sich auf eine Siliziumoxidschicht, die durch eine Wärmebehandlung oder dergleichen Sauerstoff abgeben kann. Wenn sich die Siliziumoxidschicht im weiteren Sinne auf einen isolierenden Film bezieht, handelt es sich bei dem auf diese Weise gewonnenen isolierenden Film, der überschüssigen Sauerstoff enthält, um einen isolierenden Film mit einer Funktion zum Abgeben von Sauerstoff durch eine Wärmebehandlung.
Hier kann ein Film, der durch eine Wärmebehandlung Sauerstoff abgibt, Sauerstoff abgeben, dessen Menge größer als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, größer als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³ oder größer als oder gleich 1 × 10²⁰ Atome/cm³ bei einer TDS-Analyse ist (umgerechnet in die Anzahl von Sauerstoffatomen).
Nun wird ein Verfahren zum Messen der Menge an abgegebenem Sauerstoff mittels der TDS-Analyse beschrieben.
Die Gesamtmenge an abgegebenem Gas aus einer Messprobe bei TDS ist proportional zum integralen Wert der Ionenintensität des abgegebenen Gases. Dann wird ein Vergleich mit einer Referenzprobe angestellt, wodurch die Gesamtmenge an abgegebenem Gas berechnet werden kann.
Zum Beispiel kann die Anzahl von abgegebenen Sauerstoffmolekülen (N_O2) aus einer Messprobe entsprechend der Formel (1) unter Verwendung der TDS-Ergebnisse eines Siliziumwafers, der Wasserstoff mit einer vorbestimmten Dichte enthält, welcher die Referenzprobe ist, und der TDS-Ergebnisse der Messprobe berechnet werden. Hierbei ist davon auszugehen, dass alle Gase mit einer Massenzahl von 32, die man bei der TDS-Analyse erhält, von einem Sauerstoffmolekül stammen. CH₃OH, welches als Gas mit einer Massenzahl von 32 angegeben wird, wird nicht berücksichtigt, da es voraussichtlich kaum vorhanden ist. Zusätzlich wird auch ein Sauerstoffmolekül, das ein Sauerstoffatom mit einer Massenzahl von 17 oder 18 enthält, das ein Isotop eines Sauerstoffatoms ist, nicht berücksichtigt, da der Anteil eines solchen Moleküls in der Natur minimal ist. [Formel 1]
N_H2 ist der Wert, der durch die Umwandlung der Anzahl von Wasserstoffmolekülen, die aus der Standardprobe desorbiert werden, in Dichten erhalten wird. S_H2 ist der integrale Wert der Ionenintensität, wenn die Standardprobe einer TDS-Analyse unterzogen wird. Hier wird der Referenzwert der Standardprobe auf N_H2/S_H2 gesetzt. S_O2 ist der integrale Wert der Ionenintensität, wenn die Messprobe durch TDS analysiert wird. α ist ein Koeffizient, der die Ionenintensität bei der TDS-Analyse beeinflusst. Bezüglich der Details der Formel 1 nehme man Bezug auf die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H6-275697 . Es sei angemerkt, dass die Menge an abgegebenem Sauerstoff mit einem thermischen Desorptionsspektroskopie-Gerät EMD-WA1000S/W, hergestellt von ESCO Ltd., unter Verwendung eines Siliziumwafers, der Wasserstoffatome mit 1 × 10¹⁶ Atome/cm³ enthält, als Referenzprobe gemessen wird.
Ferner wird bei der TDS-Analyse Sauerstoff teilweise als Sauerstoffatom erkannt. Das Verhältnis zwischen Sauerstoffmolekülen und Sauerstoffatomen kann aus der Ionisationsrate der Sauerstoffmoleküle ermittelt werden. Es sei angemerkt, dass, da das obige α die Ionisationsrate der Sauerstoffmoleküle umfasst, auch die Anzahl der abgegebenen Sauerstoffatome durch Schätzen der Anzahl der abgegebenen Sauerstoffmoleküle geschätzt werden kann.
Es sei angemerkt, dass N_O2 die Anzahl der abgegebenen Sauerstoffmoleküle ist. Die Menge an abgegebenem Sauerstoff, umgerechnet in Sauerstoffatome, ist das Doppelte der Anzahl der abgegebenen Sauerstoffmoleküle.
Des Weiteren kann der Film, aus dem Sauerstoff durch eine Wärmebehandlung abgegeben wird, ein Peroxidradikal enthalten. Konkret gesagt, ist die Dichte der einem Peroxidradikal entsprechenden Spins 5 × 10¹⁷ Spins/cm³ oder höher. Es sei angemerkt, dass das Enthalten eines Peroxidradikals bedeutet, dass bei ESR ein asymmetrisches Signal bei einem g-Wert von zirka 2,01 beobachtet wird.
Der isolierende Film, der überschüssigen Sauerstoff enthält, kann unter Verwendung von Sauerstoffüberschuss aufweisendem Siliziumoxid (SiO_X (X > 2)) ausgebildet werden. Bei dem Sauerstoffüberschuss aufweisenden Siliziumoxid (SiO_X (X > 2)) ist die Anzahl von Sauerstoffatomen pro Volumeneinheit mehr als das Doppelte der Anzahl von Siliziumatomen pro Volumeneinheit. Die Anzahl von Siliziumatomen und die Anzahl von Sauerstoffatomen pro Volumeneinheit werden durch RBS gemessen.
In dem Fall, in dem der Gate-Isolierfilm 612 und/oder der isolierende Basisfilm 602 einen isolierenden Film umfassen/umfasst, der überschüssigen Sauerstoff enthält, können Sauerstoffleerstellen in der Oxidhalbleiterschicht 606b verringert werden.
Der isolierende Schutzfilm 618 kann aus einer einzigen Schicht oder einer gestapelten Schicht ausgebildet werden, wobei ein isolierender Film zum Einsatz kommt, der eines oder mehrere aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält.
Bei dem auf die vorstehende Weise hergestellten Transistor wird ein Kanal in der Oxidhalbleiterschicht 606b des mehrschichtigen Films 606 gebildet; der Transistor weist daher stabile elektrische Eigenschaften und hohe Feldeffektbeweglichkeit auf.
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen des Transistors anhand von 19A bis 19C sowie 20A und 20B beschrieben.
Zunächst wird das Halbleitersubstrat 600 hergestellt, über dem der isolierende Basisfilm 602 ausgebildet ist. Als der isolierende Basisfilm 602 wird eine Siliziumoxidschicht, die überschüssigen Sauerstoff enthält, unter Verwendung einer Sputtereinrichtung ausgebildet.
Dann wird eine Oxidschicht, die zu der Oxidschicht 606a wird, abgeschieden. Ein 20 nm dicker IGZO-(In:Ga:Zn = 1:3:2)Film wird als die Oxidschicht 606a ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Abscheidung des IGZO-(In:Ga:Zn = 1:3:2)Films unter den folgenden Abscheidungsbedingungen durchgeführt wird: Eine Sputtereinrichtung wird verwendet; die Substrattemperatur ist 200°C; die Ar- und O₂-Durchflussmengen betrugen 30 sccm bzw. 15 sccm; der Abscheidungsdruck ist 0,4 Pa; die Abscheidungsleistung (DC) ist 0,5 kW; und ein Abstand zwischen dem Substrat und dem Target (T-S-Abstand) ist 60 mm.
Dann wird eine Oxidhalbleiterschicht, die zu der Oxidhalbleiterschicht 606b wird, abgeschieden. Ein 15 nm dicker IGZO-(In:Ga:Zn = 1:1:1)Film wird als die Oxidhalbleiterschicht 606b ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Abscheidung des IGZO-(In:Ga:Zn = 1:1:1)Films unter den folgenden Abscheidungsbedingungen durchgeführt wird: Eine Sputtereinrichtung wird verwendet; die Substrattemperatur ist 300°C; die Ar- und O₂-Durchflussmengen betrugen 30 sccm bzw. 15 sccm; der Abscheidungsdruck ist 0,4 Pa; die Abscheidungsleistung (DC) ist 0,5 kW; und ein Abstand zwischen dem Substrat und dem Target (T-S-Abstand) ist 60 mm.
Dann wird eine Oxidschicht, die zu der Oxidschicht 606c wird, abgeschieden. Ein 5 nm dicker IGZO-(In:Ga:Zn = 1:3:2)Film wird als die Oxidschicht 606c ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Abscheidung des IGZO-(In:Ga:Zn = 1:3:2)Films unter den folgenden Abscheidungsbedingungen durchgeführt wird: Eine Sputtereinrichtung wird verwendet; die Substrattemperatur ist 200°C; die Ar- und O₂-Durchflussmengen betrugen 30 sccm bzw. 15 sccm; der Abscheidungsdruck ist 0,4 Pa; die Abscheidungsleistung (DC) ist 0,5 kW; und ein Abstand zwischen dem Substrat und dem Target (T-S-Abstand) ist 60 mm.
Als nächstes wird vorzugsweise eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von höher als oder gleich 250°C und niedriger als oder gleich 650°C, bevorzugt höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 500°C durchgeführt werden. Die erste Wärmebehandlung wird in einer Inertgasatmosphäre, einer Atmosphäre, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, bevorzugt 1% oder mehr, stärker bevorzugt 10% oder mehr enthält, oder unter verringertem Druck durchgeführt. Alternativ kann die erste Wärmebehandlung auf eine solche Weise durchgeführt werden, dass eine Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird, und dann eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, bevorzugt 1% oder mehr, stärker bevorzugt oder 10% oder mehr enthält, durchgeführt wird, um desorbierten Sauerstoff zu kompensieren. Durch die erste Wärmebehandlung kann die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht, die zu der Oxidhalbleiterschicht 606b wird, erhöht werden. Zudem können Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Feuchtigkeit, aus dem isolierenden Basisfilm 602, der Oxidschicht, die zu der Oxidschicht 606a wird, der Oxidhalbleiterschicht, die zu der Oxidhalbleiterschicht 606b wird, und/oder der Oxidschicht, die zu der Oxidschicht 606c wird, entfernt werden.
Dann werden die Oxidschicht, die zu der Oxidschicht 606a wird, die Oxidhalbleiterschicht, die zu der Oxidhalbleiterschicht 606b wird, und die Oxidschicht, die zu der Oxidschicht 606c wird, teilweise geätzt, um den mehrschichtigen Film 606 auszubilden, der die Oxidschicht 606a, die Oxidhalbleiterschicht 606b und die Oxidschicht 606c umfasst (siehe 19A).
Als nächstes wird ein leitender Film, der zu der Source-Elektrode 616a und der Drain-Elektrode 616b wird, ausgebildet.
Als nächstes wird der leitende Film, der zu der Source-Elektrode 616a und der Drain-Elektrode 616b wird, teilweise geätzt, um die Source-Elektrode 616a und die Drain-Elektrode 616b auszubilden (siehe 19B).
Als nächstes wird vorzugsweise eine zweite Wärmebehandlung durchgeführt. Bezüglich der zweiten Wärmebehandlung kann auf die Beschreibung der ersten Wärmebehandlung Bezug genommen werden. Die zweite Wärmebehandlung kann Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, aus dem mehrschichtigen Film 606 entfernen.
Danach wird der Gate-Isolierfilm 612 ausgebildet (siehe 19C). Der Gate-Isolierfilm 612 kann ein mehrschichtiger Film sein, der eine erste Siliziumoxidschicht als erste Schicht, eine zweite Siliziumoxidschicht als zweite Schicht und eine Siliziumnitridschicht als dritte Schicht umfasst. In diesem Fall können/kann die erste Siliziumoxidschicht und/oder die zweite Siliziumoxidschicht eine Siliziumoxynitridschicht sein. Zudem kann die Siliziumnitridschicht eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Die erste Siliziumoxidschicht ist vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht mit einer niedrigen Defektdichte. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, die eine Spindichte von 3 × 10¹⁷ Spins/cm³ oder niedriger, bevorzugt 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ oder niedriger aufweist, welche einem Signal bei einem g-Faktor von 2,001 bei ESR entspricht. Als zweite Oxidschicht wird eine Siliziumoxidschicht, die überschüssigen Sauerstoff enthält, verwendet. Als Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, die eine kleine Menge an Wasserstoff und Ammoniak abgibt. Des Weiteren wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, die keinen Sauerstoff durchlässt oder ihn kaum durchlässt.
Als nächstes wird ein leitender Film, der zu der Gate-Elektrode 604 wird, ausgebildet.
Dann wird der leitende Film, der zu der Gate-Elektrode 604 wird, teilweise geätzt, um die Gate-Elektrode 604 auszubilden (siehe 20A).
Anschließend wird der isolierende Schutzfilm 618 abgeschieden (siehe 20B).
Auf diese Weise kann der Transistor in 18A bis 18C hergestellt werden.
Da Sauerstofffehlstellen in der Oxidhalbleiterschicht 606b des mehrschichtigen Films 606 verringert sind, weist der Transistor stabile elektrische Eigenschaften auf.
(Ausführungsform 7)
Der Mikrocontroller, der in dieser Beschreibung offenbart ist, kann bei einer Vielfalt von elektronischen Geräten (einschließlich Spielgeräten) zum Einsatz kommen. Beispiele für die elektronischen Geräte umfassen Anzeigevorrichtungen von Fernsehgeräten, Monitore und dergleichen, Beleuchtungsvorrichtungen, Desktop-Personalcomputer und Notebook-Personalcomputer, Textverarbeitungssysteme, Bildwiedergabevorrichtungen, die Standbilder oder Bewegtbilder wiedergeben, die in Aufzeichnungsmedien, wie z. B. Digital Versatile Disks (DVDs), gespeichert sind, tragbare Kompaktdisk-(CD-)Player, Funkempfänger, Bandaufzeichnungsgeräte, Kopfhörerstereoanlagen, Stereoanlagen, schnurlose Telefonhandgeräte, Sender/Empfänger, Mobiltelefone, Autotelefone, tragbare Spielgeräte, Rechner, tragbare Informationsendgeräte, elektronische Notebooks, Lesegeräte für elektronische Bücher, elektronische Übersetzer, Audioeingabevorrichtungen, Kameras, wie z. B. Videokameras und digitale Fotokameras, elektrische Rasierer, IC-Chips, Hochfrequenz-Heizgeräte, wie z. B. Mikrowellenöfen, elektrische Reiskocher, elektrische Waschmaschinen, elektrische Staubsauger, Klimatisierungssysteme, wie z. B. Klimaanlagen, Geschirrspüler, Geschirrtrockner, Wäschetrockner, Futontrockner, elektrische Kühlschränke, elektrische Gefrierschränke, elektrische Kühl-Gefrierschränke, Gefrierschränke zum Konservieren von DNA, Rauchmelder, Strahlungszähler und eine medizinische Ausrüstung, wie z. B. Dialysatoren. Ferner umfassen die Beispiele eine industrielle Anlage, wie z. B. Führungslichter, Verkehrsampeln, Bandfördergeräte, Aufzüge, Rolltreppen, Industrieroboter und Leistungsspeichersysteme. Darüber hinaus sind bewegliche Objekte und dergleichen, die durch Ölmotoren oder Motoren unter Verwendung von Leistung aus nicht-wasserhaltigen Sekundärbatterien angetrieben werden, auch in der Kategorie „elektronisches Gerät” enthalten. Beispiele für die beweglichen Objekte umfassen Elektrofahrzeuge (electric vehicles, EV), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), die sowohl eine Brennkraftmaschine als auch einen Motor umfassen, Einsteck-Hybrid-Elektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), Kettenfahrzeuge, bei denen Räder dieser Fahrzeuge durch Raupenketten ersetzt sind, motorisierte Fahrräder einschließlich motorgestützter Fahrräder, Motorräder, elektrische Rollstühle, Golfmobile, Boote oder Schiffe, U-Boote, Hubschrauber, Flugzeuge, Raketen, künstliche Satelliten, Raumsonden, Planetensonden, Raumfahrzeuge und dergleichen. Konkrete Beispiele für diese elektronischen Geräte sind in 21A bis 21C dargestellt.
Ein Alarmgerät 8100 in 21A ist ein Heimfeueralarm und beinhaltet einen Detektor und einen Mikrocomputer 8101, der einen Oxidhalbleiter enthält.
In 21A ist eine Klimaanlage, die eine Inneneinheit 8200 und eine Außeneinheit 8204 beinhaltet, ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, bei dem ein Mikrocomputer, der einen Oxidhalbleiter enthält, eingesetzt wird. Insbesondere beinhaltet die Inneneinheit 8200 ein Gehäuse 8201, einen Luftauslass 8202, einen Mikrocomputer 8203 und dergleichen. Obwohl der Mikrocomputer 8203 in der Inneneinheit 8200 in 21A bereitgestellt ist, kann der Mikrocomputer 8203 in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt sein. Alternativ kann der Mikrocomputer 8203 sowohl in der Inneneinheit 8200 als auch in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt sein. Der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebe Mikrocomputer wird als Mikrocomputer der Klimaanlage eingesetzt, was zur Einsparung elektrischer Energie führt.
Ein elektrischer Kühl-Gefrierschrank 8300 in 21A ist ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das mit dem Mikrocomputer versehen ist, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird. Insbesondere beinhaltet der elektrische Kühl-Gefrierschrank 8300 ein Gehäuse 8301, eine Tür für einen Kühlschrank 8302, eine Tür für einen Gefrierschrank 8303, einen Mikrocomputer 8304 und dergleichen. In 21A ist der Mikrocomputer 8304 in dem Gehäuse 8301 bereitgestellt. Der bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebe Transistor wird bei dem Mikrocomputer des elektrischen Kühl-Gefrierschranks 8300 eingesetzt, was zur Einsparung elektrischer Energie führt.
21B stellt ein Beispiel für ein Elektrofahrzeug dar, das ein Beispiel für ein elektronisches Gerät ist. Ein Elektrofahrzeug 9700 ist mit einer Sekundärbatterie 9701 ausgestattet. Die Ausgabe der elektrischen Energie der Sekundärbatterie 9701 wird durch eine Steuerschaltung 9702 reguliert, und die elektrische Energie wird einer Ansteuervorrichtung 9703 zugeführt. Die Steuerschaltung 9702 wird durch einen Mikrocomputer 9704 mit einem ROM, einem RAM, einer CPU oder dergleichen, das/die nicht dargestellt ist, gesteuert. Der Mikrocomputer, bei dem ein Oxidhalbleiter verwendet wird, wird als der Mikrocomputer 9704 des Elektrofahrzeugs 9700 eingesetzt, was zur Einsparung elektrischer Energie führt.
Die Ansteuervorrichtung 9703 beinhaltet einen Gleichstrommotor oder einen Wechselstrommotor allein oder zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine. Auf Basis von einem Fahrer eingegebener Daten, wie beispielsweise Betriebsdaten (z. B. Beschleunigung, Abbremsung oder Halt), oder Daten während der Fahrt des Elektrofahrzeugs 9700 (z. B. Daten über Anstieg oder Abfall oder Daten über eine Belastung an einem Antriebsrad) gibt der Mikrocomputer 9704 ein Steuersignal an die Steuereinheit 9702 aus. Die Steuerschaltung 9702 reguliert die von der Sekundärbatterie 9701 zugeführte elektrische Energie entsprechend dem Steuersignal des Mikrocomputers 9704, um die Ausgabe der Ansteuervorrichtung 9703 zu steuern. In dem Fall, in dem der Wechselstrommotor montiert ist, ist, obwohl nicht dargestellt, auch ein Wechselrichter integriert, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
(Ausführungsform 8)
Bei dieser Ausführungsform stellt 22 ein Beispiel für eine Querschnittsstruktur des bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Schalters dar, wobei ein Oxidhalbleiter für einen Kanalbildungsbereich eines ersten Transistors 902 verwendet wird und ein einkristalliner Siliziumwafer für einen Kanalbildungsbereich eines zweiten Transistors 901 verwendet wird. Ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren dafür wird nachfolgend beschrieben.
Es sei angemerkt, dass ein Halbleitermaterial, wie z. B. Germanium, Silizium-Germanium oder Siliziumkarbid sowie einkristallines Silizium, für den in dem Schalter enthaltenen zweiten Transistor 901 verwendet werden kann. Zum Beispiel kann der Silizium enthaltende Transistor unter Verwendung eines durch ein SOI-Verfahren ausgebildeten Siliziumdünnfilms, eines durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren ausgebildeten Siliziumdünnfilms oder dergleichen hergestellt werden.
Obwohl bei dieser Ausführungsform nur eine Querschnittsstruktur eines Teils des Schalters gezeigt ist, kann ein Logikelement oder eine weitere Schaltung mit dieser mehrschichtigen Struktur konfiguriert sein.
Der zweite Transistor 901, der unter Verwendung eines ein Halbleitermaterial enthaltenden Substrats 900 hergestellt wird, kann entweder ein n-Kanal-Transistor (NMOSFET) oder ein p-Kanal-Transistor (PMOSFET) sein. In dem Beispiel in 22 ist der zweite Transistor 901 durch eine flache Grabenisolation (shallow trench isolation, STI) 905 elektrisch von sonstigen Elementen isoliert. Die Verwendung der STI 905 kann eine Erzeugung eines Vogelschnabels (bird's beak), der durch ein LOCOS-Element-Isolationsverfahren verursacht wird, in einem Elementisolationsbereich verringern und die Größe des Elementisolationsbereichs reduzieren. Andererseits wird bei einer Halbleitervorrichtung, deren Struktur nicht miniaturisiert werden muss, die STI 905 nicht notwendigerweise ausgebildet, und es kann ein Element-Isolationsmittel, wie z. B. LOCOS, verwendet werden. In dem Substrat 900, an dem der zweite Transistor 901 ausgebildet ist, ist eine Wanne 904 ausgebildet, der eine Leitfähigkeit verleihende Verunreinigung, wie z. B. Bor, Phosphor oder Arsen, zugesetzt ist.
Der zweite Transistor 901 in 22 beinhaltet einen Kanalbildungsbereich in dem Substrat 900, Verunreinigungsbereiche 906 (auch als Source-Bereich und Drain-Bereich bezeichnet), die derart angeordnet sind, dass der Kanalbildungsbereich dazwischen positioniert ist, einen Gate-Isolationsfilm 907, der über dem Kanalbildungsbereich angeordnet ist, und eine Gate-Elektrodenschicht 908, die über dem Gate-Isolationsfilm 907 angeordnet ist, um den Kanalbildungsbereich zu überlappen. Die Gate-Elektrodenschicht kann eine Schichtanordnung aus einer Gate-Elektrodenschicht, die ein erstes Material zur Erhöhung der Verarbeitungsgenauigkeit enthält, und einer Gate-Elektrodenschicht aufweisen, die ein zweites Material zur Verringerung des Widerstandes als Leitung enthält. Beispielsweise kann die Gate-Elektrodenschicht eine Stapelstruktur aus kristallinem Silizium, dem eine Leitfähigkeit verleihende Verunreinigung, wie z. B. Phosphor, zugesetzt ist, und Nickelsilizid haben. Es sei angemerkt, dass die Struktur nicht darauf beschränkt ist und dass Materialien, die Anzahl der gestapelten Schichten, die Form oder dergleichen angemessen je nach benötigten Spezifikationen angepasst werden können.
Kontaktstecker 913 und 915 sind mit den Verunreinigungsbereichen 906 in dem Substrat 900 verbunden. Dabei dienen die Kontaktstecker 913 und 915 auch als Source-Elektrode und Drain-Elektrode des zweiten Transistors 901, an den die Kontaktstecker 913 und 915 angeschlossen sind. Zudem können Verunreinigungsbereiche, die sich von den Verunreinigungsbereichen 906 unterscheiden, zwischen den Verunreinigungsbereichen 906 und dem Kanalbildungsbereich bereitgestellt sein. Die Verunreinigungsbereiche dienen als LDD-Bereiche oder Erweiterungsbereiche, um je nach der Konzentration einer darin eingesetzten Verunreinigung die Verteilung eines elektrischen Feldes in der Nähe des Kanalbildungsbereichs zu steuern. Isolierende Seitenwandfilme 909 sind an Seitenflächen der Gate-Elektrodenschicht 908 angeordnet, wobei ein isolierender Film dazwischen platziert ist. Durch Verwenden dieses isolierenden Films und der isolierenden Seitenwandfilme 909 können die LDD-Bereiche oder Erweiterungsbereiche gebildet werden.
Der zweite Transistor 901 ist mit einem isolierenden Film 910 bedeckt. Der isolierende Film 910 kann als Schutzfilm dienen und verhindern, dass Verunreinigungen von außen in den Kanalbildungsbereich eingemischt werden. Mittels des isolierenden Films 910, der durch ein PE-CVD-Verfahren unter Verwendung eines Materials, wie z. B. Siliziumnitrid, ausgebildet wird, kann in dem Fall, in dem einkristallines Silizium für den Kanalbildungsbereich verwendet wird, eine Hydrierung durch eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Wenn ein isolierender Film mit einer Zugspannung oder Druckspannung als der isolierende Film 910 verwendet wird, kann eine Verzerrung des für den Kanalbildungsbereich verwendeten Halbleitermaterials bewirkt werden. Durch Anlegen einer Zugspannung an ein Siliziummaterial, das für den Kanalbildungsbereich eines n-Kanal-Transistors verwendet wird, oder Anlegen einer Druckspannung an ein Siliziummaterial, das für den Kanalbildungsbereich eines p-Kanal-Transistors verwendet wird, kann die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors erhöht werden.
Ein isolierender Film 911 ist über dem isolierenden Film 910 angeordnet, und eine Oberfläche des isolierenden Films 911 ist durch CMP geebnet. Folglich können Elementschichten mit hoher Genauigkeit über einer Schicht, die den zweiten Transistor 901 umfasst, gestapelt sein.
Eine Schicht mit einem Kondensator 903 und dem ersten Transistor 902, bei dem ein Oxidhalbleiterfilm für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird, ist oberhalb der Schicht mit dem zweiten Transistor 901 ausgebildet.
Der erste Transistor 902 ist ein Top-Gate-Transistor, der einen mehrschichtigen Film 926, eine Source-Elektrodenschicht 927, eine Drain-Elektrodenschicht 928, einen Gate-Isolierfilm 929 und eine Gate-Elektrodenschicht 930 beinhaltet. Der erste Transistor 902 hat die gleiche Struktur wie der Transistor in 20B der vorstehenden Ausführungsform, und deshalb kann man bezüglich des ersten Transistors 902 auf die vorstehende Beschreibung Bezug nehmen. Daher werden sonstige Strukturen nachfolgend beschrieben.
Als der isolierende Film 924 wird vorzugsweise ein Sauerstoff abgebender isolierender Oxidfilm verwendet, der durch eine Wärmebehandlung Sauerstoff abgibt.
Der isolierende Oxidfilm, aus dem ein Teil von Sauerstoff durch Erwärmung abgegeben wird, kann durch Erwärmung Sauerstoff in den Oxidhalbleiterfilm diffundieren, der in dem mehrschichtigen Film 926 enthalten ist und später ausgebildet wird, da durch Erwärmung Sauerstoff aus dem isolierenden Oxidfilm abgegeben wird. In dem Fall, in dem beispielsweise ein Siliziumoxidfilm als der isolierende Film 924 verwendet wird, ist seine Zusammensetzungsformel SiO_2+α (α > 0). Mit dem auf diese Weise ausgebildeten isolierenden Film 924 kann dem Oxidhalbleiterfilm Sauerstoff zugeführt werden, wodurch Sauerstofffehlstellen in dem Oxidhalbleiterfilm kompensiert werden können.
Des Weiteren kann der isolierende Film 924 durch ein Sputterverfahren, ein PE-CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet werden. In dem Fall, in dem der isolierende Film 924 beispielsweise durch ein PE-CVD-Verfahren ausgebildet wird, wird Wasserstoff oder Wasser, der/das aus einem Quellengas stammt, mitunter in den isolierenden Film 924 eingemischt. Deshalb wird vorzugsweise eine Wärmebehandlung als Dehydrierung oder Dehydratisierung durchgeführt, nachdem der isolierende Film 924 durch ein PE-CVD-Verfahren ausgebildet worden ist. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, bei der Wasserstoff oder Wasser aus dem isolierenden Film 924 abgegeben wird. Ein Elektroofen, eine RTA-Vorrichtung oder dergleichen kann für die Wärmebehandlung verwendet werden. Unter Verwendung einer RTA-Vorrichtung kann die Wärmebehandlung auch bei einer Temperatur, die höher als oder gleich der unteren Entspannungsgrenze des Substrats ist, durchgeführt werden, wenn die Erwärmungszeit kurz ist. Daher kann die Zeit, während deren Wasserstoff oder Wasser aus dem isolierenden Film 924 abgegeben wird, verkürzt werden.
Durch die Wärmebehandlung kann Dehydrierung oder Dehydratisierung an dem isolierenden Film 924 durchgeführt werden, und somit kann eine Diffusion von Wasserstoff oder Wasser in den Oxidhalbleiterfilm des mehrschichtigen Films 926, der später ausgebildet wird, verhindert werden.
In dem Fall, in dem Sauerstoff in den isolierenden Film 924 eingesetzt wird, kann die Menge an durch Erwärmung abgegebenem Sauerstoff vermehrt werden. Sauerstoff kann durch ein Ionenimplantationsverfahren, ein Ionendotierungsverfahren, eine Plasmabehandlung oder dergleichen in den isolierenden Film 924 eingesetzt werden.
Der mehrschichtige Film 926 wurde auf eine solche Weise ausgebildet, dass eine erste Oxidschicht in Kontakt mit dem isolierenden Film 924 ausgebildet wurde, ein Oxidhalbleiter in Kontakt mit der ersten Oxidschicht ausgebildet wurde und eine zweite Oxidschicht in Kontakt mit der Oxidhalbleiterschicht ausgebildet wurde.
Es sei angemerkt, dass die Gate-Elektrodenschicht 930 und die obere Elektrodenschicht 931 jeweils eine Dicke von 10 nm bis 400 nm, bevorzugt 100 nm bis 300 nm aufweisen. Bei dieser Ausführungsform werden die Gate-Elektrodenschicht 930 und die obere Elektrodenschicht 931 auf die folgende Weise ausgebildet: Ein 135 nm dicker Wolframfilm wird durch ein Sputterverfahren über einem 30 nm dicken Tantalnitridfilm gestapelt, um einen leitenden Film für die Gate-Elektrode auszubilden, und dann wird der leitende Film durch Ätzen in eine gewünschte Form bearbeitet (strukturiert). Es sei angemerkt, dass eine Fotolackmaske durch ein Tintenstrahlverfahren ausgebildet werden kann. Das Ausbilden der Fotolackmaske durch ein Tintenstrahlverfahren benötigt keine Fotomaske; somit können die Herstellungskosten gesenkt werden.
Der erste Transistor 902 beinhaltet eine Backgate-Elektrodenschicht 923. Mit der Backgate-Elektrodenschicht 923 kann der erste Transistor 902 als „normalerweise ausgeschalteter (normally-off)” Transistor dienen. Wird beispielsweise das Potential der Backgate-Elektrodenschicht 923 auf GND oder ein festes Potential eingestellt, so kann sich die Schwellenspannung des ersten Transistors 902 weiter in positiver Richtung verschieben, wodurch ein „normalerweise ausgeschalteter” Transistor hergestellt wird. Wie zuvor beschrieben, kann der erste Transistor 902 ein Multi-Gate-Transistor sein, der mehrere Kanalbildungsbereichen aufweist.
Damit der zweite Transistor 901, der erste Transistor 902 und der Kondensator 903 elektrisch miteinander verbunden sind, um eine elektrische Schaltung auszubilden, ist/sind eine oder mehrere Leitungsschicht/en zum Verbinden dieser Elemente zwischen Schichten und auf der oberen Schicht übereinander angeordnet.
In 22 ist entweder der Source-Anschluss oder der Drain-Anschluss des zweiten Transistors 901 über den Kontaktstecker 913 elektrisch mit einer Leitungsschicht 914 verbunden. Die Leitungsschicht 914 ist elektrisch mit einem Ausgangsanschluss eines Logikelementes verbunden. Der andere aus dem Source-Anschluss und dem Drain-Anschluss des zweiten Transistors 901 ist über den Kontaktstecker 915 elektrisch mit einer Leitungsschicht 916 verbunden.
Die Leitungsschicht 916 ist elektrisch mit einem Eingangsanschluss eines weiteren Logikelementes verbunden. Das Gate des zweiten Transistors 901 ist über einen Kontaktstecker 917, eine Leitungsschicht 918, einen Kontaktstecker 921, eine Leitungsschicht 922 und einen Kontaktstecker 925 elektrisch mit der Drain-Elektrodenschicht 928 des ersten Transistors 902 verbunden.
Die Drain-Elektrodenschicht 928 erstreckt sich nach rechts in 22 und dient als untere Elektrodenschicht des Kondensators 903. Der Gate-Isolierfilm 929 des ersten Transistors 902 ist über der Drain-Elektrodenschicht 928 angeordnet. In einem Bereich, in dem der Kondensator 903 ausgebildet ist, dient der Gate-Isolierfilm 929 als dielektrischer Zwischenelektrodenfilm des Kondensators 903. Die obere Elektrodenschicht 931 ist über dem dielektrischen Zwischenelektrodenfilm angeordnet und über einen Kontaktstecker 935 elektrisch mit einer Leitungsschicht 936 verbunden.
Die Leitungsschichten 914, 916, 918, 922 und 936 sowie die Backgate-Elektrodenschicht 923 sind in isolierenden Filmen eingebettet. Diese Leitungsschichten und dergleichen werden vorzugsweise unter Verwendung eines niederohmigen leitenden Materials, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, ausgebildet. Alternativ können die Leitungsschichten unter Verwendung von Graphen, das durch ein PE-CVD-Verfahren ausgebildet wird, als leitendes Material ausgebildet werden. Graphen ist eine ein-Atom-dicke Lage aus sp²-gebundenen Kohlenstoffmolekülen oder ein Stapel aus 2 bis 100 Lagen aus den Kohlenstoffmolekülen. Beispiele für ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Graphens sind ein thermisches CVD-Verfahren, bei dem Graphen auf einem Metallkatalysator gebildet wird, und ein PE-CVD-Verfahren, bei dem Graphen aus Methan, ohne Verwendung eines Katalysators, durch Plasma, das lokal durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erzeugt wird, gebildet wird.
Unter Verwendung eines derartigen niederohmigen leitenden Materials kann eine RC-Verzögerung von Signalen, die über die Leitungsschichten übertragen werden, verringert werden. Wird für die Leitungsschichten Kupfer verwendet, so wird ein Sperrfilm ausgebildet, um zu verhindern, dass Kupfer in den Kanalbildungsbereich diffundiert. Die Sperrfilme können jeweils beispielsweise unter Verwendung eines Films aus Tantalnitrid, eines geschichteten Films aus Tantalnitrid und Tantal, eines Films aus Titannitrid, eines geschichteten Films aus Titannitrid und Titan oder dergleichen ausgebildet werden; sie sind jedoch nicht auf die Filme aus diesen Materialien beschränkt, solange ihre Funktion zum Verhindern einer Diffusion eines Leitungsmaterials und ihre Adhäsion an das Leitungsmaterial, an einen Basisfilm oder dergleichen gewährleistet werden. Der Sperrfilm kann als unabhängig ausgebildete Schicht ausgebildet werden, oder er kann derart gebildet werden, dass ein Material des Sperrfilms in einem Leitungsmaterial enthalten ist und durch eine Wärmebehandlung an der Innenwand einer Öffnung, die in einem isolierenden Film bereitgestellt ist, abgeschieden wird.
Die isolierenden Filme 911, 912, 919, 920, 933 und 934 können unter Verwendung eines Isolators ausgebildet werden, wobei Bespiele dafür sind: Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Borphosphorsilicatglas (BPSG), Phosphorsilicatglas (PSG), Siliziumoxid, dem Kohlenstoff zugesetzt ist (SiOC), Siliziumoxid, dem Fluor zugesetzt ist (SiOF), Siliziumoxid, das aus Si(OC₂H₅)₄ gebildet wird (Tetraethylorthosilicat, TEOS), Wasserstoff-Silsesquioxan (hydrogen silsesquioxane, HSQ), Methylsilsesquioxan (MSQ), Organosilicatglas (OSG) und ein auf organischem Polymer basierendes Material. Gerade in dem Fall, in dem die Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung vorangebracht wird, ist die parasitäre Kapazität zwischen Leitungen von Bedeutung und die Signalverzögerung wird vergrößert. Somit ist die relative Dielektrizitätskonstante von Siliziumoxid (k = 4,0 bis 4,5) zu hoch, und vorzugsweise wird ein Material mit k = 3,0 oder weniger verwendet. Da zudem eine CMP-Behandlung durchgeführt wird, nachdem die Leitung in den isolierenden Film eingebettet worden ist, muss der isolierende Film eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Solange ihre mechanische Festigkeit sichergestellt werden kann, können die isolierenden Zwischenschichtfilme porös gemacht werden, um eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufzuweisen. Die isolierenden Filme werden durch Sputtern, CVD, ein Beschichtungsverfahren einschließlich Rotationsbeschichtung (auch als Spin-on-Glas (SOG) bezeichnet) oder dergleichen ausgebildet.
Zusätzlich kann ein isolierender Film bereitgestellt werden, der als Ätzstoppschicht bei der Planarisierungsbehandlung durch CMP oder dergleichen dient, die durchgeführt wird, nachdem das Leitungsmaterial in die isolierenden Filme 911, 912, 919, 920, 933 und 934 eingebettet worden ist.
Sperrfilme sind über den Leitungsschichten 914, 916, 918, 922 und 936 sowie der Backgate-Elektrodenschicht 923 angeordnet, und ein Schutzfilm ist über jedem Sperrfilm angeordnet. Der Sperrfilm ist bereitgestellt, um eine Diffusion des Leitungsmaterials, wie z. B. Kupfer, zu verhindern. Die Sperrfilm kann unter Verwendung eines isolierenden Materials, wie z. B. Siliziumnitrid, SiC oder SiBON, ausgebildet werden. Es sei angemerkt, dass ein dicker Sperrfilm die Kapazität zwischen Leitungen erhöht; deshalb wird vorzugsweise ein Material mit einer Barriereeigenschaft und einer niedrigen Dielektrizitätskonstante verwendet.
Jeder der Kontaktstecker 913, 915, 917, 921, 925 und 935 wird auf eine solche Weise ausgebildet, dass eine Öffnung (ein Durchgangsloch) mit einem hohen Aspektverhältnis in dem isolierenden Film gebildet und mit einem leitenden Material, wie z. B. Wolfram, gefüllt wird. Die Öffnung wird vorzugsweise durch stark anisotropes Trockenätzen gebildet. Im Besonderen wird vorzugsweise ein reaktives Ionenätz-(reactive ion etching, RIE-)Verfahren verwendet. Die Innenwand der Öffnung ist mit einem Sperrfilm (Diffusionsverhinderungsfilm) bedeckt, der aus einem Titanfilm, einem Titannitridfilm, einem Stapel aus solchen Filmen oder dergleichen ausgebildet ist, und ein Material, wie z. B. Wolfram oder Polysilizium, das mit Phosphor oder dergleichen dotiert ist, füllt die Öffnung. Wolfram wird beispielsweise durch Blanket-CVD in das Durchgangsloch eingebettet, und eine nach oben weisende Oberfläche des Kontaktsteckers wird durch CMP geebnet.
Ein isolierender Schutzfilm 937 ist in der obersten Schicht angeordnet und verhindert, dass Feuchtigkeit und ein Schmutzstoff von außen in die Halbleitervorrichtung eingemischt werden. Der isolierende Schutzfilm 937 kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur unter Verwendung eines Materials, wie z. B. Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitridoxid, haben.
Die Halbleitervorrichtung hat die oben beschriebene Struktur, bei der ein Transistor, der ein erstes Halbleitermaterial enthält und mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann, in Kombination mit einem Transistor verwendet wird, der ein zweites Halbleitermaterial enthält und einen sehr niedrigen Sperrstrom aufweist. Folglich ist es möglich, einen Mikrocomputer herzustellen, der mit niedrigem Strom arbeiten kann.
Diese Ausführungsform kann gegebenenfalls mit einer der anderen Ausführungsform kombiniert werden.
[Beispiel 1]
10 ist eine optische Mikrofotografie eines Mikrocontrollers 500, der unter Verwendung eines Siliziumsubstrats hergestellt wird. Der Mikrocontroller 500 weist Schaltungsblöcke und Funktionen auf, die denjenigen des in 9 dargestellten Mikrocontrollers 190 ähnlich sind. Es sei angemerkt, dass einige der Bezugszeichen, die den Schaltungsblöcken in 9 zugewiesen sind, auch in 10 verwendet werden.
Die Prozesstechnik des Mikrocontrollers 500 in 10 ist wie folgt: Ähnlich wie bei dem Mikrocontroller 100 in 2, wird die 0,35-μm-Prozesstechnik für den Transistor verwendet, der unter Verwendung von Silizium hergestellt wird, und die 0,8-μm-Prozesstechnik wird für den Transistor verwendet, der unter Verwendung einer Oxidhalbleiterschicht hergestellt wird. Die Größe des Mikrocontrollers 500 beträgt 11,0 mm × 12,0 mm.
Es wird bestätigt, dass Daten in dem Register 185 der CPU 110 gespeichert werden, wenn ein Wechsel des Betriebsmodus des Mikrocontrollers 500 vom Aktiv-Modus zu dem Noff2-Modus ohne Stromversorgung durchgeführt wird. Das Ergebnis wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Signalwellenformdiagramme in 23, 24A und 24B beschrieben.
Ob Daten gespeichert werden oder nicht, wird wie folgt überprüft: Im Aktiv-Modus werden Daten in einem HL-Register in dem flüchtigen Speicher des Registers 185 gespeichert, und die in dem HL-Register gespeicherten Daten werden ausgelesen, nachdem der Betriebsmodus vom Noff2-Modus ohne Stromversorgung in den Aktiv-Modus zurückgekehrt ist.
23, 24A und 24B zeigen Ergebnisse, die auf die folgende Weise erzielt werden: Ein Signal, das durch ein Mustergeneratormodul TLA7PG2, hergestellt von Tektronix, Inc., erzeugt wird, wird in den Mikrocontroller 500 eingegeben, und ein Signal, das an dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (Verbindungsanschluss) des Mikrocontrollers 500 erzeugt wird, wird mit einem Logikanalysator TLA7AA2, hergestellt von Tektronix, Inc., gemessen. „ADDR”, „DATA”, „CPU_VDD”, „MREQ_B”, „RD_B”, „WR_B” und „NMI_B” in 23, 24A und 24B sind Namen der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse, an denen die Messung mit dem Logikanalysator erfolgt.
Aus dem ADDR-Anschluss kann man die Anzahl der Schritte, die durch die CPU 110 abgezählt wird (der Wert wird der Reihe nach in Abhängigkeit von der Anzahl der Verarbeitungen verändert), oder eine durch die CPU 110 zugegriffene Adresse erfassen. Aus dem DATA-Anschluss kann man zudem einen Befehlscode, der durch die CPU 110 in dem Mikrocontroller 500 ausgeführt wird, oder Daten erfassen, die durch den Mikrocontroller 500 eingegeben oder ausgegeben werden. Aus dem CPU VDD-Anschluss kann man zudem ein Potential von VDD erfassen, welches der CPU 110 zugeführt wird.
Aus dem MREQ_B-Anschluss kann man des Weiteren ein Signal zum Bestimmen eines Zugriffs auf einen externen Speicher erfassen. Wenn der MREQ_B-Anschluss ein niedriges Potential aufweist, wird ein Zugriff auf den externen Speicher erlaubt; wenn der MREQ_B-Anschluss ein hohes Potential aufweist, wird der Zugriff auf den externen Speicher abgelehnt. Zusätzlich wird dann, wenn der MREQ_B-Anschluss ein niedriges Potential aufweist und der RD_B-Anschluss ein niedriges Potential aufweist, ein Auslesen von Daten aus dem externen Speicher erlaubt; wenn der MREQ_B-Anschluss ein niedriges Potential aufweist und der WR_B-Anschluss ein niedriges Potential aufweist, wird ein Schreiben von Daten in den externen Speicher erlaubt.
Aus dem NMI_B-Anschluss kann man zudem ein nicht-maskierbares Interrupt-Signal erfassen. Obwohl ein hohes Potential gewöhnlich zu dem NMI_B-Anschluss zugeführt wird, wird eine Interrupt-Verarbeitung ausgeführt, wenn ein niedriges Potential zu dem NMI_B-Anschluss zugeführt wird.
Es sei angemerkt, dass das „hohe Potential” ein Potential bezeichnet, das höher ist als ein Bezugspotential und dass das „niedrige Potential” ein Potential bezeichnet, das niedriger ist als das Bezugspotential. In dem Fall, in dem das Bezugspotential 0 V ist, kann das hohe Potential ein positives Potential genannt werden und das niedrige Potential kann ein negatives Potential genannt werden. Alternativ kann entweder das hohe Potential oder das niedrige Potential gleich dem Bezugspotential sein.
Zusätzlich handelt es sich bei Perioden 511 und 515 in 23 um Perioden, in denen der Mikrocontroller 500 im Aktiv-Modus arbeitet. Es handelt sich bei einer Periode 512 um eine Sicherungsverarbeitungs-Periode, in der bei jedem Register Daten von dem flüchtigen Speicher auf den nichtflüchtigen Speicher übertragen werden, bevor der Wechsel des Betriebsmodus des Mikrocontrollers 500 vom Aktiv-Modus zu dem Noff2-Modus durchgeführt wird. Es handelt sich bei einer Periode 513 um eine Periode, in welcher der Mikrocontroller 500 im Noff2-Modus arbeitet. Es handelt sich bei einer Periode 514 um eine Rückkehrverarbeitungs-Periode, in der bei jedem Register Daten von dem nichtflüchtigen Speicher an den flüchtigen Speicher zurückgegeben werden, bevor der Betriebsmodus des Mikrocontrollers 500 vom Noff2-Modus in den Aktiv-Modus zurückkehrt.
24A stellt Signale in einer Periode 591 dar, die teilweise vergrößerte Signale der Signale sind, die im Aktiv-Modus-Vorgang in der Periode 511 gemessen werden. Zudem stellt 24B Signale in einer Periode 592 dar, die teilweise vergrößerte Signale der Signale sind, die im Aktiv-Modus-Vorgang in der Periode 515 gemessen werden.
In der Periode 511 (Aktiv-Modus-Periode) werden Daten „AA55” in dem HL-Register gespeichert, das ein Teil des Registers 185 ist. Dieser Prozess wird ein Prozess 596 genannt (siehe 24A). In dem Prozess 596 ist „21”, welches aus dem DATA-Anschluss erfasst wird, wenn der ADDR-Anschluss „0007” ist, ein Befehlscode zum Speichern von Daten in dem HL-Register. Zusätzlich sind „55” und „AA”, welche nacheinander aus dem DATA-Anschluss erfasst werden, Daten, die in dem HL-Register gespeichert werden. Es sei angemerkt, dass der Mikrocontroller 500 byteweise Daten verarbeitete; daher wird zunächst „55” als niedriges Byte erfasst, und danach wird „AA” als hohes Byte erfasst (siehe 23 und 24A).
Als nächstes wird eine Betriebsüberprüfung des Mikrocontrollers 500 bei dem in 4 dargestellten Wechsel vom Aktiv-Modus zu dem Noff2-Modus beschrieben.
Bei der Betriebsüberprüfung wird ein Signal zum Umschalten des Betriebsmodus auf den Noff2-Modus in den Mikrocontroller 500 eingegeben. Wenn das Signal zum Umschalten des Betriebsmodus auf den Noff2-Modus in den Mikrocontroller 500 eingegeben wird, überträgt der Mikrocontroller 500 Daten, die auch nach der Unterbrechung der Stromversorgung gespeichert werden müssen, von den in den flüchtigen Speichern der Register (184 bis 187) gespeicherten Daten auf die nichtflüchtigen Speicher, so dass die Daten in den nichtflüchtigen Speichern gespeichert werden (Periode 512). Dabei werden die Daten „AA55”, die in dem HL-Register gespeichert sind, das einer der flüchtigen Speicher ist, auf den nichtflüchtigen Speicher übertragen und in ihm gespeichert.
Nachdem der Mikrocontroller 500 die Datenübertragung und die Datenspeicherung in dem nichtflüchtigen Speicherabschnitt beendet hat, lässt der Mikrocontroller 500 die Leistungs-Gate-Einheit 130 arbeiten, um die Stromversorgung zu jedem Schaltungsblock zu unterbrechen, und somit wird der Betriebsmodus zum Noff2-Modus (Periode 513). In der Periode 513 in 23 ist die Stromversorgung zu dem CPU_VDD-Anschluss unterbrochen.
Als nächstes wird eine Betriebsüberprüfung des Mikrocontrollers 500 bei dem Wechsel vom Noff2-Modus zu dem Aktiv-Modus beschrieben, wie er in 5 dargestellt ist
Die Rückkehr vom Noff2-Modus in den Aktiv-Modus wird durch Zuführen eines niedrigen Potentials zu dem NMI_B-Anschluss angefangen. Wenn dem NMI_B-Anschluss das niedrige Potential zugeführt wird, arbeitet die Leistungs-Gate-Einheit 130, um die Stromversorgung zu jedem Schaltungsblock wieder aufzunehmen. Anschließend werden Daten, die in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, auf den flüchtigen Speicher übertragen und in ihm gespeichert. Dabei werden die Daten „AA55”, die in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, auf den HL-Register übertragen und wieder in ihm gespeichert (Periode 514).
Nachdem die Rückkehr von Daten von dem nichtflüchtigen Speicher zu dem flüchtigen Speicher beendet worden ist, arbeitet der Mikrocontroller 500 in Reaktion auf die zurückgegebenen Daten wieder im Aktiv-Modus (Periode 515).
Danach werden in der Periode 515 Prozesse 597 und 598 ausgeführt, so dass die an das HL-Register zurückgegeben Daten bestätigt werden.
Während des Prozesses 597 ist „22”, welches aus dem „DATA”-Anschluss erfasst wird, wenn „0023” aus dem „ADDR”-Anschluss erfasst wird, ein Befehlscode zum Übertragen der in dem HL-Register gespeicherten Daten auf den externen Speicher. Des Weiteren bezeichnen „FD” und „7F”, welche nacheinander aus dem „DATA”-Anschluss erfasst werden, eine Adresse „7FFD” des externen Speichers, die eine Adresse ist, an die Daten übertragen werden sollen (siehe 23 und 24B).
Der Mikrocontroller 500 überträgt bei dem Prozess 598, der dem Prozess 597 folgt, Daten von dem HL-Register auf den externen Speicher. Wie zuvor beschrieben, verarbeitet der Mikrocontroller 500 byteweise Daten. Zudem speichert der externe Speicher ein Byte Daten pro Adresse. Auf diese Weise überträgt bei dem Prozess 598 der Mikrocontroller 500, der einen Befehl des Prozesses 597 empfangen hat, Daten als niedriges Byte in dem HL-Register an die Adresse „7FFD” in dem externen Speicher, und dann überträgt er Daten als hohes Byte an eine Adresse „7FFE” in dem externen Speicher.
Wie in 24B gezeigt, gibt bei dem Prozess 598 der Mikrocontroller 500 „7FFD” an den ADDR-Anschluss aus, und er gibt „55” als Daten des niedrigen Byte in dem HL-Register an den DATA-Anschluss aus. Ein niedriges Potential wird dabei dem MREQ_B-Anschluss und dem WR_B-Anschluss zugeführt, so dass „55” an die Adresse „7FFD” in dem externen Speicher geschrieben wird.
Anschließend gibt, wie in 24B gezeigt, der Mikrocontroller 500 „7FFE” an den ADDR-Anschluss aus, und er gibt „AA” als Daten des hohen Byte in dem HL-Register an den DATA-Anschluss aus. Ein niedriges Potential wird dabei dem MREQ_B-Anschluss und dem WR_B-Anschluss zugeführt, so dass „AA” an die Adresse „7FFE” in dem externen Speicher geschrieben wird.
Die Messergebnisse an dem ADDR-Anschluss und dem DATA-Anschluss bei den Prozessen 597 und 598 zeigen, dass in der Periode 515 Daten „AA55” in dem HL-Register gespeichert sind. Daher wird bestätigt, dass der Mikrocontroller 500 Daten in dem Register 185 selbst dann hält, wenn der Mikrocontroller 500 vom Aktiv-Modus auf den Noff2-Modus ohne Stromversorgung umgeschaltet wird. Zudem wird auch bestätigt, dass der Mikrocontroller 500 normal arbeitete, nachdem der Mikrocontroller 500 vom Noff2-Modus in den Aktiv-Modus zurückgekehrt war.
Zudem wird auch bestätigt, dass notwendige Daten in dem nichtflüchtigen Speicher des Registers gesichert werden, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird. Mit anderen Worten: Der Mikrocontroller 500 kann eine Verarbeitung zur Unterbrechung der Stromversorgung beginnen, bevor die Verarbeitung der CPU endet; deshalb kann die Flexibilität des Zeitpunkts, zu dem die Stromversorgung unterbrochen wird, erhöht werden. Es wird auch bestätigt, dass der Mikrocontroller schnell vom Modus mit niedrigem Stromverbrauch in den normalen Betriebsmodus zurückkehren kann.
Erläuterung der Bezugszeichen

MCLK, TCLK: Taktsignal; T0IRQ, P0IRQ, C0IRQ, INT, NMI: Interrupt-Signal; 100, 190, 500: Mikrocontroller; 101 bis 104: Einheit; 110: CPU; 111: Busbrücke; 112: RAM; 113: Speicherschnittstelle; 115: Takterzeugungsschaltung; 120: Steuerung; 121: Interrupt-Steuerung; 122, 146, 152: I/O-Schnittstelle; 130: Leistungs-Gate-Einheit; 131, 132: Schalterstromkreis; 140: Takterzeugungsschaltung; 141: Quarzoszillatorschaltung; 142: Oszillator; 143: Quarz-Einheit; 145: Zeitschaltung; 150: I/O-Port; 151: Vergleicher; 161 bis 163: Busleitung; 164: Datenbusleitung; 170 bis 176: Verbindungsanschluss; 180, 183 bis 187: Register; FN: Knoten; 200: Register; 201, 202: Speicherschaltung; 203, 204, 207: Transistor; 205: Kondensator; 206: Transmission-Gate; 208, 209: Inverter; BL: Bitleitung; RWL: Wortleitung; WWL; Wortleitung; 400: Speicherzelle; 401 bis 403: Transistor; 404: Kondensator; 405: Stromversorgungsleitung; 511 bis 515, 591, 592: Periode; 596 bis 598: Prozess; 800: Halbleitersubstrat; 801: isolierender Elementisolationsfilm; 802: p-Wanne; 803, 807: Verunreinigungsbereich; 804, 808: Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration; 805, 809: Gate-Elektrode; 806, 831: Gate-Isolierfilm; 810 bis 813, 817 bis 820, 822, 823: Leitung; 816, 821, 824, 844, 845: isolierender Film; 830: Oxidhalbleiterschicht; 832, 833, 846: leitender Film; 834: Gate-Elektrode; 835, 836: Seitenwand; 860 bis 862: Transistor.

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2012-230352 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 17. Oktober 2012, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.

Claims

Mikrocontroller, der umfasst: eine CPU; eine Steuerung; eine Zeitschaltung; ein erstes Register in der CPU; ein zweites Register, das elektrisch mit der Zeitschaltung verbunden ist; und ein Leistungs-Gate, das konfiguriert ist, der CPU, der Zeitschaltung, dem ersten Register und dem zweiten Register einen Strom zuzuführen, wobei sich der Mikrocontroller in einem Betriebsmodus befinden kann, wobei der Betriebsmodus mindestens das Folgende umfasst: einen ersten Modus, wobei der erste Modus ein Modus ist, in dem die CPU, die Zeitschaltung, das erste Register, das zweite Register und die Steuerung arbeiten; einen zweiten Modus, wobei der zweite Modus ein Modus ist, in dem die Zeitschaltung, das zweite Register und die Steuerung arbeiten; und einen dritten Modus, wobei der dritte Modus ein Modus ist, in dem die Steuerung arbeitet, wobei der Mikrocontroller konfiguriert ist, sich durch einen Befehl der CPU von dem ersten Modus in einen der zweiten und dritten Modi zu versetzen, wobei der Mikrocontroller konfiguriert ist, sich durch die Steuerung entsprechend einem ersten Signal, das von der Zeitschaltung zugeführt wird, von dem zweiten Modus in den ersten Modus zu versetzen, wobei der Mikrocontroller konfiguriert ist, sich durch die Steuerung entsprechend einem zweiten Signal, das der Steuerung zugeführt wird, von dem dritten Modus in den ersten Modus zu versetzen, und wobei das erste Register und das zweite Register jeweils umfassen: einen ersten flüchtigen Speicher; und einen ersten nichtflüchtigen Speicher, der einen ersten Transistor umfasst, wobei ein Kanalbildungsbereich des ersten Transistors einen ersten mehrschichtigen Oxidhalbleiterfilm umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, wobei die CPU und das erste Register nicht in dem zweiten Modus arbeiten, und wobei die CPU, das erste Register, die Zeitschaltung und das zweite Register nicht in dem dritten Modus arbeiten.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, der ferner umfasst: einen I/O-Port; ein drittes Register, das elektrisch mit dem I/O-Port verbunden ist; einen Vergleicher; und ein viertes Register, das elektrisch mit dem Vergleicher verbunden ist, wobei der I/O-Port, das dritte Register, der Vergleicher und das vierte Register in dem ersten Modus arbeiten und nicht in dem zweiten und dem dritten Modus arbeiten.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Interrupt-Steuerung; und ein fünftes Register, das elektrisch mit der Interrupt-Steuerung verbunden ist, wobei die Interrupt-Steuerung und das fünfte Register in dem ersten Modus arbeiten und nicht in dem zweiten und dem dritten Modus arbeiten.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Interrupt-Steuerung; und ein fünftes Register, das elektrisch mit der Interrupt-Steuerung verbunden ist, wobei die Interrupt-Steuerung und das fünfte Register in dem ersten Modus arbeiten und nicht in dem zweiten und dem dritten Modus arbeiten, und wobei das fünfte Register umfasst: einen zweiten flüchtigen Speicher; und einen zweiten nichtflüchtigen Speicher, der einen zweiten Transistor umfasst, wobei ein Kanalbildungsbereich des zweiten Transistors einen zweiten mehrschichtigen Oxidhalbleiterfilm umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, der ferner umfasst: ein RAM, das elektrisch mit der CPU verbunden ist, wobei das RAM einen dritten Transistor umfasst, und wobei ein Kanalbildungsbereich des dritten Transistors einen dritten mehrschichtigen Oxidhalbleiterfilm umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, wobei die Zeitschaltung konfiguriert ist, das erste Signal in regelmäßigen Intervallen auszugeben.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, wobei der erste nichtflüchtige Speicher konfiguriert ist, Daten, die in dem ersten flüchtigen Speicher gespeichert sind, zu sichern, bevor eine Stromversorgung durch das Leistungs-Gate unterbrochen wird, und wobei die in dem ersten nichtflüchtigen Speicher gesicherten Daten in den ersten flüchtigen Speicher in einem Fall geschrieben werden, in dem die Stromversorgung durch das Leistungs-Gate wieder aufgenommen wird.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, wobei der erste mehrschichtige Oxidhalbleiterfilm Indium, Gallium und Zink umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 1, wobei der erste mehrschichtige Oxidhalbleiterfilm eine Struktur hat, bei der eine erste, eine zweite und eine dritte Oxidhalbleiterschicht in der Zahlenreihenfolge gestapelt sind, und wobei die erste Oxidhalbleiterschicht oder die dritte Oxidhalbleiterschicht Indium umfasst, dessen Menge mehr als oder gleich dem 1,5-fachen der Menge in der zweiten Oxidhalbleiterschicht beträgt, die zwischen der ersten Oxidhalbleiterschicht und der dritten Oxidhalbleiterschicht liegt.
Mikrocontroller, der umfasst: eine CPU; eine Steuerung; eine Zeitschaltung; ein erstes Register in der CPU; ein zweites Register, das elektrisch mit der Zeitschaltung verbunden ist; und ein Leistungs-Gate, das konfiguriert ist, der CPU, der Zeitschaltung, dem ersten Register und dem zweiten Register einen Strom zuzuführen, wobei sich der Mikrocontroller in einem Betriebsmodus befinden kann, wobei der Betriebsmodus mindestens das Folgende umfasst: einen ersten Modus, wobei der erste Modus ein Modus ist, in dem die CPU, die Zeitschaltung, das erste Register, das zweite Register und die Steuerung arbeiten; einen zweiten Modus, wobei der zweite Modus ein Modus ist, in dem die Zeitschaltung, das zweite Register und die Steuerung arbeiten; und einen dritten Modus, wobei der dritte Modus ein Modus ist, in dem die Steuerung arbeitet, wobei der Mikrocontroller konfiguriert ist, sich durch einen Befehl der CPU von dem ersten Modus in einen der zweiten und dritten Modi zu versetzen, wobei der Mikrocontroller konfiguriert ist, sich durch die Steuerung entsprechend einem ersten Signal, das von der Zeitschaltung zugeführt wird, von dem zweiten Modus in den ersten Modus zu versetzen, wobei der Mikrocontroller konfiguriert ist, sich durch die Steuerung entsprechend einem zweiten Signal, das der Steuerung zugeführt wird, von dem dritten Modus in den ersten Modus zu versetzen, und wobei das erste Register und das zweite Register jeweils umfassen: einen ersten flüchtigen Speicher; und einen ersten nichtflüchtigen Speicher, der einen ersten Transistor und einen vierten Transistor umfasst, wobei ein Kanalbildungsbereich des ersten Transistors einen ersten mehrschichtigen Oxidhalbleiterfilm umfasst und wobei ein Kanalbildungsbereich des vierten Transistors einkristallines Silizium umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, wobei die CPU und das erste Register nicht in dem zweiten Modus arbeiten, und wobei die CPU, das erste Register, die Zeitschaltung und das zweite Register nicht in dem dritten Modus arbeiten.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, der ferner umfasst: einen I/O-Port; ein drittes Register, das elektrisch mit dem I/O-Port verbunden ist; einen Vergleicher; und ein viertes Register, das elektrisch mit dem Vergleicher verbunden ist, wobei der I/O-Port, das dritte Register, der Vergleicher und das vierte Register in dem ersten Modus arbeiten und nicht in dem zweiten und dem dritten Modus arbeiten.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, der ferner umfasst: eine Interrupt-Steuerung; und ein fünftes Register, das elektrisch mit der Interrupt-Steuerung verbunden ist, wobei die Interrupt-Steuerung und das fünfte Register in dem ersten Modus arbeiten und nicht in dem zweiten und dem dritten Modus arbeiten.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, der ferner umfasst: eine Interrupt-Steuerung; und ein fünftes Register, das elektrisch mit der Interrupt-Steuerung verbunden ist, wobei die Interrupt-Steuerung und das fünfte Register in dem ersten Modus arbeiten und nicht in dem zweiten und dem dritten Modus arbeiten, und wobei das fünfte Register umfasst: einen zweiten flüchtigen Speicher; und einen zweiten nichtflüchtigen Speicher, der einen zweiten Transistor umfasst, wobei ein Kanalbildungsbereich des zweiten Transistors einen zweiten mehrschichtigen Oxidhalbleiterfilm umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, der ferner umfasst: ein RAM, das elektrisch mit der CPU verbunden ist, wobei das RAM einen dritten Transistor umfasst, und wobei ein Kanalbildungsbereich des dritten Transistors einen dritten mehrschichtigen Oxidhalbleiterfilm umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, wobei die Zeitschaltung konfiguriert ist, das erste Signal in regelmäßigen Intervallen auszugeben.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, wobei der erste nichtflüchtige Speicher konfiguriert ist, Daten, die in dem ersten flüchtigen Speicher gespeichert sind, zu sichern, bevor eine Stromversorgung durch das Leistungs-Gate unterbrochen wird, und wobei die in dem ersten nichtflüchtigen Speicher gesicherten Daten in den ersten flüchtigen Speicher in einem Fall geschrieben werden, in dem die Stromversorgung durch das Leistungs-Gate wieder aufgenommen wird.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, wobei der erste mehrschichtige Oxidhalbleiterfilm Indium, Gallium und Zink umfasst.
Mikrocontroller nach Anspruch 11, wobei der erste mehrschichtige Oxidhalbleiterfilm eine Struktur hat, bei der eine erste, eine zweite und eine dritte Oxidhalbleiterschicht in der Zahlenreihenfolge gestapelt sind, und wobei die erste Oxidhalbleiterschicht oder die dritte Oxidhalbleiterschicht Indium umfasst, dessen Menge mehr als oder gleich dem 1,5-fachen der Menge in der zweiten Oxidhalbleiterschicht beträgt, die zwischen der ersten Oxidhalbleiterschicht und der dritten Oxidhalbleiterschicht liegt.