JP2015109426A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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哲弘 田中
Tetsuhiro Tanaka
哲弘 田中
宏充 郷戸
Hiromitsu Goto
宏充 郷戸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which has high on-state current and low off-state current; or provide a semiconductor device having stable electrical characteristics.SOLUTION: Provided is a semiconductor device which uses a gate electrode having the Gibbs free energy of oxidation reaction higher than that of a gate insulation film. A semiconductor device manufacturing method comprises the steps of: forming an oxide semiconductor and a second electrode on a first electrode; forming a gate insulation film so as to contact the first electrode, the oxide semiconductor and the second electrode; forming a gate electrode which faces a lateral face of the oxide semiconductor across the gate insulation film and at least includes an oxide layer; and subsequently performing a heat treatment to supply oxygen from the gate electrode to the oxide semiconductor via the gate insulation film.

Description

本発明は、物、方法、又は製造方法に関する。又は、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法又はそれらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、酸化物半導体を含む半導体装置、表示装置、又は発光装置に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, the present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, or a light-emitting device including an oxide semiconductor.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A display device, an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.

近年、半導体装置の高集積化はトランジスタの微細化によって達成されてきた。ところが、従来用いられてきた平面的に作製するプレーナー型トランジスタでは、短チャネル効果が深刻になり、微細化の限界が近づいている。上述の問題を克服するために、半導体基板を立体的に加工し、基板に対して上下方向に電流が流れるように、ソース領域、ドレイン領域、およびゲート電極を形成する縦型トランジスタが提案されている(非特許文献2)。特に、ゲート電極が半導体の周囲を囲む構造の縦型トランジスタはSGT(Surrounding Gate Transistor)と呼ばれ、トランジスタの占有面積が小さくできる点と、高いオン電流が実現できる点で注目されている(非特許文献1、非特許文献3)。 In recent years, high integration of semiconductor devices has been achieved by miniaturization of transistors. However, in a planar type transistor which has been conventionally used and is manufactured in a planar manner, the short channel effect becomes serious and the limit of miniaturization is approaching. In order to overcome the above-mentioned problems, a vertical transistor has been proposed in which a semiconductor substrate is processed three-dimensionally and a source region, a drain region, and a gate electrode are formed so that a current flows vertically with respect to the substrate. (Non-Patent Document 2). In particular, a vertical transistor having a structure in which a gate electrode surrounds a semiconductor is called an SGT (Surrounding Gate Transistor), and is attracting attention because it can reduce the area occupied by the transistor and can realize a high on-current (non-transisting). Patent Document 1, Non-Patent Document 3).

ところで、シリコン以外にトランジスタに適用可能な半導体として、酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、製造工程が容易で、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよりも動作が速く、オフ状態のリーク電流が極めて低いことから、集積回路や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)への応用が期待されている。 By the way, an oxide semiconductor attracts attention as a semiconductor applicable to a transistor other than silicon. Transistors using oxide semiconductors are easier to manufacture, operate faster than transistors using amorphous silicon, and have very low off-state leakage current. Therefore, integrated circuits and image display devices (also simply referred to as display devices) Application is expected.

酸化物半導体の膜中および界面に存在する酸素欠損は、トランジスタの電気特性を変動させることが知られているが、酸化物半導体の界面および膜中に、効果的に酸素を供給することで、上記課題を克服できることが知られている。酸化物半導体に酸素を供給する方法として、酸化物半導体と接する絶縁体から酸素を供給する方法(特許文献1)や、ゲート電極から酸素を供給する方法(特許文献2)が開示されている。 Oxygen deficiency existing in the oxide semiconductor film and at the interface is known to fluctuate the electrical characteristics of the transistor, but by supplying oxygen effectively to the oxide semiconductor interface and film, It is known that the above problems can be overcome. As a method for supplying oxygen to an oxide semiconductor, a method for supplying oxygen from an insulator in contact with the oxide semiconductor (Patent Document 1) and a method for supplying oxygen from a gate electrode (Patent Document 2) are disclosed.

特開2012−009836号公報JP 2012-009836 A 特開2013−131740号公報JP 2013-131740 A

IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM) Technical Digest pp.23−26、1989IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Technical Digest pp. 23-26, 1989 IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM) Technical Digest pp.949−951、2002IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Technical Digest pp. 949-951, 2002 IEEE Symposium VLSI Technology Technical Digest pp.21−22、1993IEEE Symposium VLSI Technology Technological Digest pp. 21-22, 1993

本発明の一態様は、オン電流が高い半導体装置を提供すること、または、オフ電流が低い半導体装置を提供すること、または、短チャネル効果が発現しにくい半導体装置を提供すること、または、占有面積の小さい半導体装置を提供すること、または、安定な電気特性をもつ半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置などを提供することを課題の一とする。 One embodiment of the present invention provides a semiconductor device with a high on-state current, a semiconductor device with a low off-state current, or a semiconductor device that hardly exhibits a short channel effect, or is occupied. An object is to provide a semiconductor device with a small area or a semiconductor device with stable electrical characteristics. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device or the like.

なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発明の一形態の課題となり得る。 Note that the description of a plurality of tasks does not disturb each other's existence. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Problems other than those listed will be apparent from descriptions of the specification, drawings, claims, and the like, and these problems may also be a problem of one embodiment of the present invention.

本発明の一態様は、酸化物半導体と、酸化物半導体の下面に接する第1の電極と、酸化物半導体の上面に接する第2の電極と、酸化物半導体の側面と面する、少なくとも第1の層および第2の層を含むゲート電極と、酸化物半導体とゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有し、第1の電極は第2の電極と重なる領域を有し、ゲート電極の第1の層は、ゲート絶縁膜と接して設けられ、かつゲート電極の第2の層よりも酸素濃度が低いことを特徴とする半導体装置である。 One embodiment of the present invention is an oxide semiconductor, a first electrode in contact with a lower surface of the oxide semiconductor, a second electrode in contact with an upper surface of the oxide semiconductor, and at least a first surface facing a side surface of the oxide semiconductor. And the gate electrode including the second layer and a gate insulating film provided between the oxide semiconductor and the gate electrode, and the first electrode has a region overlapping with the second electrode The first layer of the gate electrode is a semiconductor device provided in contact with the gate insulating film and having a lower oxygen concentration than the second layer of the gate electrode.

上記態様において、ゲート電極の第1の層は、ゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質を含む。 In the above aspect, the first layer of the gate electrode contains a substance having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the gate insulating film.

上記態様において、ゲート電極の第1の層および第2の層が、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれた一種以上を含む。 In the above aspect, the first layer and the second layer of the gate electrode include one or more selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum, and gold.

上記態様において、ゲート絶縁膜が酸素透過性を有する。 In the above embodiment, the gate insulating film has oxygen permeability.

上記態様において、少なくともゲート電極の側面と接して、ゲート電極よりも酸素透過性の低い絶縁膜が設けられる。 In the above embodiment, an insulating film having a lower oxygen permeability than the gate electrode is provided in contact with at least the side surface of the gate electrode.

上記態様において、ゲート電極が、酸化物半導体の全ての側面と面する。 In the above embodiment, the gate electrode faces all the side surfaces of the oxide semiconductor.

上記態様において、第1の電極の側面と、ゲート電極が面している。 In the above embodiment, the side surface of the first electrode faces the gate electrode.

第1の電極上に、酸化物半導体および酸化物半導体上の第2の電極を形成し、第1の電極、酸化物半導体および第2の電極と接するようにゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜を介して酸化物半導体の側面と面し、少なくとも酸化物層を含むゲート電極を形成した後、加熱処理を行うことで、ゲート絶縁膜を介してゲート電極から酸化物半導体へ酸素を供給する。 An oxide semiconductor and a second electrode over the oxide semiconductor are formed over the first electrode, a gate insulating film is formed so as to be in contact with the first electrode, the oxide semiconductor, and the second electrode. A gate electrode including at least an oxide layer is formed so as to face a side surface of the oxide semiconductor through the film, and then heat treatment is performed, so that oxygen is supplied from the gate electrode to the oxide semiconductor through the gate insulating film .

なお、本発明の一態様は、チャネルに酸化物半導体を用いたトランジスタの構成例を示したが、本発明の一態様はこれに限定されない。例えば、チャネルやその近傍、ソース領域、ドレイン領域などにおいて、場合によっては、または、状況に応じて、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、などを有する材料で形成してもよい。 Note that although an example of a structure of a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel is described in one embodiment of the present invention, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, in the channel and its vicinity, the source region, the drain region, etc., depending on the case or depending on the situation, Si (silicon), Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), etc. You may form with the material which has.

本発明の一態様により、オン電流が高い半導体装置を提供すること、または、オフ電流が低い半導体装置を提供すること、または、短チャネル効果が発現しにくい半導体装置を提供すること、または、占有面積の小さい半導体装置を提供すること、または、安定な電気特性をもつ半導体装置を提供することが可能になる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置などを提供することが可能になる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current, a semiconductor device with low off-state current, or a semiconductor device in which a short channel effect is unlikely to be generated or occupied A semiconductor device with a small area can be provided, or a semiconductor device with stable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device or the like can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention need not have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

トランジスタの構成例を示す斜視図。FIG. 11 is a perspective view illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構成例を示す斜視図および断面図。10A and 10B are a perspective view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. 半導体領域の形状例を示す図。The figure which shows the example of a shape of a semiconductor region. トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a transistor. FIG. トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a transistor. FIG. トランジスタの作製方法の一例を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating an example of a method for manufacturing a transistor. FIG. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタ構成およびその作製方法の一例を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating an example of a transistor structure and a manufacturing method thereof. FIG. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. 記憶装置の構成例を示す上面図。FIG. 9 is a top view illustrating a structure example of a memory device. 記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a memory device. 記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a memory device. 記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a memory device. 記憶装置の構成例を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a memory device. 記憶装置の一例を示す回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an example of a memory device. 表示装置の一例を示す上面図および回路図。4A and 4B are a top view and a circuit diagram illustrating an example of a display device. 電子機器の一例を示す外観図。FIG. 6 is an external view illustrating an example of an electronic device. RFタグの使用例を説明する図。6A and 6B illustrate a usage example of an RF tag. TDS分析の結果を示す図。The figure which shows the result of a TDS analysis. 酸化シリコン膜中の酸素の拡散を説明する図。6A and 6B illustrate oxygen diffusion in a silicon oxide film. 酸化反応のギブス自由エネルギーを示す図。The figure which shows the Gibbs free energy of an oxidation reaction.

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ること、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分又は同様の機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments and examples. In the embodiments and examples described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In each drawing described in this specification, the size, the film thickness, or the region of each component is exaggerated for clarity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

なお、本明細書にて用いる第1、第2等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば「第1の」を「第2の」又は「第3の」等を適宜置き換えて説明することができる。 Note that the first and second ordinal numbers used in the present specification are given in order to avoid confusion between components, and are not limited numerically. Therefore, for example, “first” can be described by appropriately replacing “second” or “third”.

また、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the functions of the “source” and “drain” of the transistor may be switched when a transistor with a different polarity is used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタについて図を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a transistor according to one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

図1は、本発明の一態様のトランジスタの斜視図である。なお、図1は図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。図1に示すトランジスタ100(または110)は、基板109と、配線101と、ゲート電極102(またはゲート電極112)と、ドレイン電極105を有している。 FIG. 1 is a perspective view of a transistor of one embodiment of the present invention. Note that FIG. 1 is shown with some elements omitted for clarity. A transistor 100 (or 110) illustrated in FIG. 1 includes a substrate 109, a wiring 101, a gate electrode 102 (or a gate electrode 112), and a drain electrode 105.

図2(B)は図1に示すトランジスタの平面Xによる断面図を示している(図2(A)参照)。図2(B)に示すトランジスタ100は、基板109と、基板109上に形成された配線101と、配線101上に形成されたソース電極103と、ソース電極103上に形成された酸化物半導体104と、ソース電極103と重なるように酸化物半導体104上に形成されたドレイン電極105と、ソース電極103、酸化物半導体104およびドレイン電極105の側面と接するように設けられたゲート絶縁膜106と、ゲート絶縁膜106を介して、ソース電極103、酸化物半導体104およびドレイン電極105の側面と面するように設けられたゲート電極102と、ドレイン電極105、ゲート電極102、ゲート絶縁膜106および配線101と接する保護絶縁膜107と、保護絶縁膜107上の層間絶縁膜108を有している。 2B is a cross-sectional view of the transistor illustrated in FIG. 1 taken along a plane X (see FIG. 2A). 2B includes a substrate 109, a wiring 101 formed over the substrate 109, a source electrode 103 formed over the wiring 101, and an oxide semiconductor 104 formed over the source electrode 103. A drain electrode 105 formed over the oxide semiconductor 104 so as to overlap with the source electrode 103; a gate insulating film 106 provided in contact with the side surfaces of the source electrode 103, the oxide semiconductor 104, and the drain electrode 105; The gate electrode 102 provided to face the side surfaces of the source electrode 103, the oxide semiconductor 104, and the drain electrode 105 with the gate insulating film 106 interposed therebetween, and the drain electrode 105, the gate electrode 102, the gate insulating film 106, and the wiring 101 A protective insulating film 107 in contact with the protective insulating film 107, and an interlayer insulating film 108 over the protective insulating film 107. .

基板109は、単なる支持体に限らず、他のトランジスタやキャパシタなどの素子が形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート電極102、配線101の少なくとも一つが、上記の他の素子と電気的に接続されていてもよい。また、基板109と配線101との間に、基板109からの不純物拡散を防止するために絶縁膜を設けてもよい。 The substrate 109 is not limited to a mere support, and may be a substrate on which other elements such as transistors and capacitors are formed. In this case, at least one of the gate electrode 102 and the wiring 101 of the transistor may be electrically connected to the other element. Further, an insulating film may be provided between the substrate 109 and the wiring 101 in order to prevent impurity diffusion from the substrate 109.

なお、例えば、本明細書等において、様々な基板109を用いて、トランジスタを形成することが出来る。基板109の種類は、特定のものに限定されることはない。その基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板又はシリコン基板)、SOI基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、又はSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、又は形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、又は回路の高集積化を図ることができる。 Note that in this specification and the like, a transistor can be formed using various substrates 109, for example. The type of the substrate 109 is not limited to a specific type. Examples of the substrate include a semiconductor substrate (for example, a single crystal substrate or a silicon substrate), an SOI substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, a substrate having stainless steel foil, and a tungsten substrate. , A substrate having a tungsten foil, a flexible substrate, a laminated film, a paper containing a fibrous material, or a base film. Examples of the glass substrate include barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and soda lime glass. As an example of the flexible substrate, there are plastics typified by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyethersulfone (PES), or a synthetic resin having flexibility such as acrylic. Examples of the laminated film include polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, and polyvinyl chloride. Examples of the base film include polyester, polyamide, polyimide, an inorganic vapor deposition film, and papers. In particular, by manufacturing a transistor using a semiconductor substrate, a single crystal substrate, an SOI substrate, or the like, a transistor with small variation in characteristics, size, or shape, high current capability, and small size can be manufactured. . When a circuit is formed using such transistors, the power consumption of the circuit can be reduced or the circuit can be highly integrated.

なお、ある基板を用いてトランジスタを形成し、その後、別の基板にトランジスタを転置し、別の基板上にトランジスタを配置してもよい。トランジスタが転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、石材基板、木材基板、布基板(天然繊維(絹、綿、麻)、合成繊維(ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維(アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル)などを含む)、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。 Note that a transistor may be formed using a certain substrate, and then the transistor may be transferred to another substrate, and the transistor may be disposed on another substrate. As an example of the substrate on which the transistor is transferred, in addition to the substrate on which the transistor can be formed, a paper substrate, a cellophane substrate, a stone substrate, a wood substrate, a cloth substrate (natural fiber (silk, cotton, hemp), There are synthetic fibers (nylon, polyurethane, polyester) or recycled fibers (including acetate, cupra, rayon, recycled polyester), leather substrates, rubber substrates, and the like. By using these substrates, it is possible to form a transistor with good characteristics, a transistor with low power consumption, manufacture a device that is not easily broken, impart heat resistance, reduce weight, or reduce thickness.

なお、所定の機能を実現させるために必要な回路の全てを、同一の基板(例えば、ガラス基板、プラスチック基板、単結晶基板、又はSOI基板など)に形成することが可能である。こうして、部品点数の削減によるコストの低減、又は回路部品との接続点数の低減による信頼性の向上を図ることができる。 Note that all circuits necessary for realizing a predetermined function can be formed over the same substrate (eg, a glass substrate, a plastic substrate, a single crystal substrate, or an SOI substrate). Thus, the cost can be reduced by reducing the number of components, or the reliability can be improved by reducing the number of connection points with circuit components.

トランジスタ100はSGT(Surrounding Gate Transistor)で、ソース電極103とドレイン電極105との間の距離、すなわち酸化物半導体104の高さがトランジスタ100のチャネル長に相当する。トランジスタ100は、酸化物半導体104の側面全体がゲート電極102で囲まれているため完全空乏で動作し、オン電流が高く、DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)によるリーク電流(オフ電流)の増加を防ぐことができる。トランジスタ100のチャネル長は、例えば30nm以上500nm以下、好ましくは、50nm以上300nm以下、さらに好ましくは100nm以上200nm以下とすることができる。 The transistor 100 is a SGT (Surrounding Gate Transistor), and the distance between the source electrode 103 and the drain electrode 105, that is, the height of the oxide semiconductor 104 corresponds to the channel length of the transistor 100. The transistor 100 operates completely depleted because the entire side surface of the oxide semiconductor 104 is surrounded by the gate electrode 102, has high on-current, and prevents an increase in leakage current (off-current) due to DIBL (Drain Induced Barrier Lowering). be able to. The channel length of the transistor 100 can be, for example, 30 nm to 500 nm, preferably 50 nm to 300 nm, more preferably 100 nm to 200 nm.

単結晶シリコンで作製されたSGTは、立体的に加工された単結晶シリコン基板にチャネルが形成されるので、界面準位密度が高い面方位にもチャネルが形成され、そのため、プレーナー型のトランジスタと比べて電気特性が劣化しやすい場合がある。一方、酸化物半導体で作製されたSGTは、面方位に対する界面準位の依存性が非常に少なく、上述した問題が発生しない。そのためSGTを酸化物半導体で作製することは好ましい。 Since the SGT made of single crystal silicon has a channel formed in a three-dimensionally processed single crystal silicon substrate, a channel is also formed in a plane orientation with a high interface state density. In some cases, the electrical characteristics are likely to deteriorate. On the other hand, an SGT manufactured using an oxide semiconductor has very little dependence on the interface state with respect to the plane orientation, and the above-described problem does not occur. Therefore, it is preferable to manufacture SGT with an oxide semiconductor.

また、単結晶シリコンでSGTを作製する場合、ソース領域およびドレイン領域を形成するために高度な不純物注入技術が要求されるが、酸化物半導体でSGTを作製する場合、不純物注入を行わずともトランジスタを作製することができるので、単結晶シリコンに比べて製造工程が容易である。 In addition, when an SGT is formed using single crystal silicon, an advanced impurity implantation technique is required to form a source region and a drain region. However, when an SGT is formed using an oxide semiconductor, a transistor can be formed without performing impurity implantation. Therefore, the manufacturing process is easier than that of single crystal silicon.

一般的に、酸化物半導体を使ったトランジスタは、酸素欠損によりトランジスタの電気特性が変動することが知られている。そのため、トランジスタ100も酸化物半導体104に酸素が供給されることが好ましい。保護絶縁膜107および層間絶縁膜108に酸素を含ませて酸素供給を試みた場合、酸化物半導体104は上下と側面を電極で囲まれているため、上記絶縁膜から供給された酸素が電極を透過できず、酸化物半導体104まで到達しない。ゲート絶縁膜106から酸素を供給する方法もあるが、微細化されたトランジスタは、ゲート容量を確保するために、ゲート絶縁膜106を薄く形成することが一般的である。そのため、ゲート絶縁膜106は十分な量の酸素を含むことができず、酸化物半導体104の酸素欠損を十分に修復することができないおそれがある。上述の理由で、トランジスタ100において、周囲に存在する絶縁膜から酸化物半導体104に酸素を供給することは難しい。 In general, a transistor including an oxide semiconductor is known to have a variation in electric characteristics of the transistor due to oxygen deficiency. Therefore, the transistor 100 is preferably supplied with oxygen to the oxide semiconductor 104. In the case where oxygen is supplied to the protective insulating film 107 and the interlayer insulating film 108 and oxygen supply is attempted, the oxide semiconductor 104 is surrounded by electrodes on the top and bottom and the side surfaces. It cannot penetrate and does not reach the oxide semiconductor 104. Although there is a method in which oxygen is supplied from the gate insulating film 106, in a miniaturized transistor, the gate insulating film 106 is generally formed thin in order to ensure gate capacitance. Therefore, the gate insulating film 106 cannot contain a sufficient amount of oxygen, and oxygen vacancies in the oxide semiconductor 104 may not be sufficiently repaired. For the above reasons, in the transistor 100, it is difficult to supply oxygen to the oxide semiconductor 104 from the surrounding insulating film.

本実施の形態では、ゲート電極に酸素供給能力を与えることで、上述の問題を解決する方法を示す。ゲート電極が酸素供給能力を持つことで、縦型トランジスタにおいても、動作を安定化させることができる。以下にその詳細を記す。 In this embodiment mode, a method for solving the above problem by giving an oxygen supply capability to a gate electrode is shown. Since the gate electrode has oxygen supply capability, the operation can be stabilized even in the vertical transistor. The details are described below.

ゲート電極102は酸素を含む導電膜であり、ゲート絶縁膜106よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質を有する。即ち、ゲート電極102はゲート絶縁膜106よりも還元しやすい性質を有する。言い換えると、ゲート電極102はゲート絶縁膜106よりも酸化しにくい性質を有する。 The gate electrode 102 is a conductive film containing oxygen and contains a substance having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the gate insulating film 106. That is, the gate electrode 102 has a property that it is easier to reduce than the gate insulating film 106. In other words, the gate electrode 102 has a property that it is less likely to be oxidized than the gate insulating film 106.

ゲート電極102の厚さは例えば3nm以上300nm以下、好ましくは5nm以上100nm以下、さらに好ましくは10nm以上50nm以下にするとよい。 The thickness of the gate electrode 102 is, for example, 3 nm to 300 nm, preferably 5 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm.

ゲート絶縁膜106は酸素透過性を有する。酸素透過性を有する膜とは、酸素分子を透過する膜、または酸素原子の拡散係数が十分高く、作製工程上の加熱処理などにより、酸素原子が透過する膜をいう。例えば、酸素分子を透過する膜は、酸素分子が透過可能な程度に低密度であればよい。具体的には、膜密度が3.2g/cm未満であればよい。また、酸素原子が透過する膜は、ゲート絶縁膜106の厚さにもよるが、150℃以上450℃以下における酸素原子の拡散係数が3×10−16cm/秒以上、好ましくは1×10−15cm/秒以上、さらに好ましくは8×10−15cm/秒以上であればよい。 The gate insulating film 106 has oxygen permeability. A film having oxygen permeability refers to a film that transmits oxygen molecules or a film that has a sufficiently high diffusion coefficient of oxygen atoms and allows oxygen atoms to pass through heat treatment or the like in a manufacturing process. For example, a film that transmits oxygen molecules may have a low density that allows oxygen molecules to pass through. Specifically, the film density may be less than 3.2 g / cm 3 . In addition, a film through which oxygen atoms permeate has a diffusion coefficient of oxygen atoms at 150 ° C. or higher and 450 ° C. or lower of 3 × 10 −16 cm 2 / second or more, preferably 1 ×, depending on the thickness of the gate insulating film 106. It may be 10 −15 cm 2 / second or more, more preferably 8 × 10 −15 cm 2 / second or more.

酸素を含むゲート電極102は、ゲート絶縁膜106よりも還元しやすい物質で構成されているため、加熱処理を施すと、ゲート電極102が還元し酸素を放出する。ゲート電極102から放出された酸素は、ゲート絶縁膜106を透過し、酸化物半導体104に到達することができる。 Since the gate electrode 102 containing oxygen is formed using a substance that is more easily reduced than the gate insulating film 106, when heat treatment is performed, the gate electrode 102 is reduced and oxygen is released. Oxygen released from the gate electrode 102 can pass through the gate insulating film 106 and reach the oxide semiconductor 104.

なお、加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。 Note that the heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state.

以上のようなゲート電極102およびゲート絶縁膜106が存在する状態で加熱処理を施すことで、ゲート電極102からゲート絶縁膜106を介して酸化物半導体104に酸素を供給することができる。 By performing heat treatment with the gate electrode 102 and the gate insulating film 106 as described above, oxygen can be supplied from the gate electrode 102 to the oxide semiconductor 104 through the gate insulating film 106.

参考として、図22に各元素の酸化反応のギブス自由エネルギーを示す。図22の横軸は温度[℃]であり、縦軸はギブス自由エネルギー(ΔG[kJ/mol])である。図22に示す酸化反応のギブス自由エネルギーは、以下の計算によって求めたものである。まず、表1に示す各物質における標準生成エンタルピーΔHおよび標準エントロピーSの値を用いて、表2に示す各酸化反応の式に代入することで、各酸化反応における標準生成エンタルピーΔHおよび標準生成エントロピーΔSの値を算出する。表2に、算出した各酸化反応における標準生成エンタルピーΔHおよび標準生成エントロピーΔSの値を示す。なお、表1に示す各物質における標準生成エンタルピーΔHおよび標準エントロピーSの値は、主として日本化学会編「化学便覧基礎編II改訂4版285頁、丸善株式会社」から引用したものである。 For reference, FIG. 22 shows the Gibbs free energy of the oxidation reaction of each element. The horizontal axis of FIG. 22 is temperature [° C.], and the vertical axis is Gibbs free energy (ΔG [kJ / mol]). The Gibbs free energy of the oxidation reaction shown in FIG. 22 is obtained by the following calculation. First, by using the values of standard production enthalpy ΔH and standard entropy S in each substance shown in Table 1 and substituting them into the formulas of each oxidation reaction shown in Table 2, standard production enthalpy ΔH and standard production entropy in each oxidation reaction The value of ΔS is calculated. Table 2 shows the calculated standard production enthalpy ΔH and standard production entropy ΔS in each oxidation reaction. In addition, the value of standard production | generation enthalpy (DELTA) H and standard entropy S in each substance shown in Table 1 is quoted mainly from the Chemical Society of Japan "Chemical Handbook basic edition II revised 4th page 285, Maruzen Co., Ltd.".

Figure 2015109426
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次に、表2に示す標準生成エンタルピーΔHおよび標準生成エントロピーΔSの値を下記の数式(1)に代入して、温度が0℃以上900℃以下の範囲における各酸化反応のギブス自由エネルギーの値を算出した。なお、数式(1)のTは、温度[K]である。 Next, the values of the standard production enthalpy ΔH and the standard production entropy ΔS shown in Table 2 are substituted into the following formula (1), and the Gibbs free energy values of the respective oxidation reactions in the temperature range of 0 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Was calculated. Note that T in Equation (1) is the temperature [K].

ΔG=ΔH−TΔS × 10−3 (1) ΔG = ΔH−TΔS × 10 −3 (1)

図22より、例えば、ゲート電極102は、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれた一種以上の元素を含む酸化物からなる層を用いればよい。白金および金は図22には記載されていないが、酸化しにくい金属として知られている。当該元素を含む酸化物は、酸化反応のギブス自由エネルギーが高いため、自身は還元しやすく、かつ接する膜を酸化しやすい。なお、導電率が高いため、ルテニウムまたはイリジウムを含む酸化物を用いると好ましい。ルテニウムまたはイリジウムを含む酸化物の一例としては、RuO(Xは0.5以上4以下)、IrO(Xは0.5以上4以下)、SrRuO(Xは1以上5以下)などが挙げられる。 From FIG. 22, for example, the gate electrode 102 may be a layer formed of an oxide containing one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum, and gold. Platinum and gold are not shown in FIG. 22, but are known to be difficult to oxidize. Since the oxide containing the element has high Gibbs free energy for the oxidation reaction, the oxide itself is easily reduced and the film in contact with the oxide is easily oxidized. Note that an oxide containing ruthenium or iridium is preferably used because of high conductivity. Examples of the oxide containing ruthenium or iridium include RuO X (X is 0.5 or more and 4 or less), IrO X (X is 0.5 or more and 4 or less), SrRuO X (X is 1 or more and 5 or less), and the like. Can be mentioned.

図2(C)に示すトランジスタ110は、トランジスタ100に加熱処理を施して、ゲート電極102を還元させた後の状態を示している。 A transistor 110 illustrated in FIG. 2C illustrates a state after the transistor 100 is subjected to heat treatment and the gate electrode 102 is reduced.

トランジスタ110は、導電膜112aおよび導電膜112bを含むゲート電極112を有し、導電膜112aはゲート絶縁膜106と接している。導電膜112aは、導電膜112bよりも酸素濃度が低い膜である。トランジスタ110において、ゲート電極112以外の構成は、図2(B)のトランジスタ100と同一である。 The transistor 110 includes a gate electrode 112 including a conductive film 112 a and a conductive film 112 b, and the conductive film 112 a is in contact with the gate insulating film 106. The conductive film 112a is a film having a lower oxygen concentration than the conductive film 112b. The structure of the transistor 110 other than the gate electrode 112 is the same as that of the transistor 100 in FIG.

図2(B)のゲート電極102は、加熱処理を施すことで、ゲート絶縁膜106近傍の領域が還元され、ゲート電極102よりも酸素濃度が低減された導電膜112aと、ゲート電極102と同程度の酸素濃度を有する導電膜112bへと変化する。このとき、ゲート電極102から放出された酸素は酸化物半導体104に到達し、酸化物半導体104の酸素欠損を低減させる役割を果たす。 The gate electrode 102 in FIG. 2B is subjected to heat treatment so that the region in the vicinity of the gate insulating film 106 is reduced, and the conductive film 112a in which the oxygen concentration is lower than that of the gate electrode 102 is the same as that of the gate electrode 102. The conductive film 112b has a certain oxygen concentration. At this time, oxygen released from the gate electrode 102 reaches the oxide semiconductor 104 and plays a role of reducing oxygen vacancies in the oxide semiconductor 104.

導電膜112aの厚さは、例えば1nm以上100nm以下、好ましくは1nm以上50nm以下、さらに好ましくは1nm以上10nm以下にすればよい。 The thickness of the conductive film 112a may be, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 1 nm to 10 nm.

なお、加熱処理の条件によって、ゲート電極102のすべての領域が導電膜112aへと変化する場合もある。つまり、導電膜112bが形成されない場合もある。 Note that depending on the heat treatment conditions, the entire region of the gate electrode 102 may be changed to the conductive film 112a. That is, the conductive film 112b may not be formed.

また、ゲート電極の導電性を高めるために、ゲート電極102またはゲート電極112上にゲート電極102またはゲート電極112より抵抗率の低い導電膜を設けてもよい。 In order to increase the conductivity of the gate electrode, a conductive film having a lower resistivity than the gate electrode 102 or the gate electrode 112 may be provided over the gate electrode 102 or the gate electrode 112.

導電膜112aとして、イリジウム、白金、酸化ルテニウム、金など、仕事関数が5eV、好ましくは5.2eVを超えるような物質を用いると、仕事関数の4.7eV以下の物質を用いた場合と比べ、NMOSトランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせることができて好ましい。 When a material having a work function of 5 eV, preferably exceeding 5.2 eV, such as iridium, platinum, ruthenium oxide, or gold, is used as the conductive film 112a, compared with a case where a material having a work function of 4.7 eV or less is used. This is preferable because the threshold voltage of the NMOS transistor can be shifted in the positive direction.

ゲート絶縁膜106は酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを含む絶縁体から一種以上選択して、単層または積層して用いればよい。 The gate insulating film 106 is selected from one or more insulators including silicon oxide, silicon oxynitride, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, and is used as a single layer or a stacked layer. That's fine.

ゲート絶縁膜106の積層構造の一例について説明する。ゲート絶縁膜106は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等価酸化膜厚を10nm以下または5nm以下とした場合でも、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系、正方晶系、立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。 An example of a stacked structure of the gate insulating film 106 is described. The gate insulating film 106 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride. Hafnium oxide has a higher dielectric constant than silicon oxide or silicon oxynitride. Therefore, since the physical film thickness can be increased with respect to the equivalent oxide film thickness, the leakage current due to the tunnel current can be reduced even when the equivalent oxide film thickness is 10 nm or less or 5 nm or less. That is, a transistor with a small off-state current can be realized. Further, hafnium oxide having a crystal structure has a higher dielectric constant than hafnium oxide having an amorphous structure. Therefore, in order to obtain a transistor with low off-state current, it is preferable to use hafnium oxide having a crystal structure. Examples of the crystal structure include a monoclinic system, a tetragonal system, and a cubic system. Note that one embodiment of the present invention is not limited thereto.

ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面は、欠陥に起因した界面準位を有する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位によってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の層を配置することによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この層は、緩衝機能を有する。緩衝機能を有する層としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化物半導体などを用いることができる。なお、緩衝機能を有する層には、例えば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する層には、例えば、チャネル領域となる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する層には、例えば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を用いる。 By the way, a hafnium oxide surface having a crystal structure may have an interface state due to a defect. The interface state may function as a trap center. Therefore, when hafnium oxide is disposed in the vicinity of the channel region of the transistor, the electrical characteristics of the transistor may be deteriorated by the interface state. Therefore, in order to reduce the influence of the interface state, it may be preferable to separate the layers by disposing another layer between the channel region of the transistor and hafnium oxide. This layer has a buffer function. As the layer having a buffer function, silicon oxide, silicon oxynitride, an oxide semiconductor, or the like can be used. Note that for the layer having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having an energy gap larger than that of a semiconductor serving as a channel region is used. Alternatively, for the layer having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having an electron affinity lower than that of a semiconductor serving as a channel region is used. Alternatively, for the layer having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having higher ionization energy than a semiconductor serving as a channel region is used.

ソース電極103およびドレイン電極105には、酸化物半導体104から酸素を引き抜く性質を有する導電膜を用いると好ましい。例えば、酸化物半導体104から酸素を引き抜く性質を有する導電膜として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステンなどを含む導電膜が挙げられる。 As the source electrode 103 and the drain electrode 105, a conductive film having a property of extracting oxygen from the oxide semiconductor 104 is preferably used. For example, as a conductive film having a property of extracting oxygen from the oxide semiconductor 104, a conductive film containing aluminum, titanium, chromium, nickel, molybdenum, tantalum, tungsten, or the like can be given.

酸化物半導体104から酸素を引き抜く性質を有する導電膜の作用により、酸化物半導体104中の酸素が脱離し、酸化物半導体104中に酸素欠損を形成する場合がある。酸素の引き抜きは、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、酸化物半導体104のソース電極103またはドレイン電極105と接触した近傍の領域には酸素欠損が形成される可能性が高い。また、加熱により該酸素欠損のサイトに水素が入りこみ、酸化物半導体104がn型化する場合がある。したがって、ソース電極103およびドレイン電極105の作用により、酸化物半導体104と、ソース電極103またはドレイン電極105が接する領域を低抵抗化させ、トランジスタ100、110のオン抵抗を低減することができる。 In some cases, oxygen in the oxide semiconductor 104 is released by the action of the conductive film having a property of extracting oxygen from the oxide semiconductor 104, so that oxygen vacancies are formed in the oxide semiconductor 104. The extraction of oxygen is more likely to occur as the temperature is higher. Since there are several heating steps in the manufacturing process of the transistor, there is a high possibility that oxygen vacancies are formed in a region in the vicinity of the oxide semiconductor 104 in contact with the source electrode 103 or the drain electrode 105. In addition, hydrogen may enter the oxygen deficient site by heating, so that the oxide semiconductor 104 becomes n-type. Therefore, by the action of the source electrode 103 and the drain electrode 105, the resistance of the region where the oxide semiconductor 104 and the source electrode 103 or the drain electrode 105 are in contact with each other can be reduced, so that the on-resistance of the transistors 100 and 110 can be reduced.

なお、チャネル長が小さい(例えば200nm以下、または100nm以下)トランジスタを作製する場合、n型化領域の形成によってソースードレイン間が短絡してしまうことがある。そのため、チャネル長が小さいトランジスタを形成する場合は、ソース電極103およびドレイン電極105に酸化物半導体104から適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜を用いればよい。適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜としては、例えば、ニッケル、モリブデンまたはタングステンを含む導電膜などがある。 Note that in the case where a transistor with a small channel length (for example, 200 nm or less or 100 nm or less) is manufactured, the source and the drain may be short-circuited due to formation of the n-type region. Therefore, in the case of forming a transistor with a small channel length, a conductive film having a property of appropriately extracting oxygen from the oxide semiconductor 104 may be used for the source electrode 103 and the drain electrode 105. Examples of the conductive film having a property of appropriately extracting oxygen include a conductive film containing nickel, molybdenum, or tungsten.

また、チャネル長がごく小さい(40nm以下、または30nm以下)トランジスタを作製する場合、ソース電極103およびドレイン電極105として、酸化物半導体104からほとんど酸素を引き抜くことのない導電膜を用いればよい。酸化物半導体104からほとんど酸素を引き抜くことのない導電膜としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、またはルテニウムを含む導電膜などがある。なお、複数種の導電膜を積層しても構わない。 In the case of manufacturing a transistor with a very small channel length (40 nm or less or 30 nm or less), a conductive film that hardly extracts oxygen from the oxide semiconductor 104 may be used as the source electrode 103 and the drain electrode 105. Examples of the conductive film that hardly extracts oxygen from the oxide semiconductor 104 include a conductive film containing tantalum nitride, titanium nitride, or ruthenium. Note that a plurality of types of conductive films may be stacked.

ソース電極103およびドレイン電極105は上述した金属だけに限定されず、不純物を注入して低抵抗化された半導体を用いても構わない。 The source electrode 103 and the drain electrode 105 are not limited to the metal described above, and a semiconductor whose resistance is reduced by injecting impurities may be used.

保護絶縁膜107は、水素、水分などの不純物及び酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果を有することが好ましい。酸素を遮断する保護絶縁膜107がゲート電極102の側面と接することで、ゲート電極102を還元する際に、ゲート電極102の側面から酸素が漏れるのを防ぐことができ、酸化物半導体104に効果的に酸素供給できる。そのため、保護絶縁膜107はゲート電極102よりも酸素ブロッキング効果が高い(酸素透過性が低い)ことが好ましい。保護絶縁膜107は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。特に、酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物及び酸素の双方に対してブロッキング効果が高く、保護絶縁膜107に適用するのに好ましい。 The protective insulating film 107 preferably has a blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture and oxygen. Since the protective insulating film 107 that blocks oxygen is in contact with the side surface of the gate electrode 102, oxygen can be prevented from leaking from the side surface of the gate electrode 102 when the gate electrode 102 is reduced, which is effective for the oxide semiconductor 104. Oxygen can be supplied. Therefore, the protective insulating film 107 preferably has a higher oxygen blocking effect (lower oxygen permeability) than the gate electrode 102. The protective insulating film 107 includes aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and the like. An insulator containing one or more selected from the above can be used. In particular, an aluminum oxide film has a high blocking effect against both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen, and is preferable for application to the protective insulating film 107.

層間絶縁膜108は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。特に、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンは誘電率が低く、絶縁性も高いので層間絶縁膜108に適用するのに好ましい。 The interlayer insulating film 108 includes aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and the like. An insulator containing one or more selected from the above can be used. In particular, silicon oxide or silicon oxynitride is preferable for application to the interlayer insulating film because it has a low dielectric constant and high insulating properties.

本実施の形態では、半導体領域が円錐台形状の場合を示しているが、半導体領域の形状はこれに限定されない。図3に半導体領域を立体的に加工した際の形状例を示す。図3(A)は角柱形状に半導体領域を形成した例である。角柱形状はレイアウトが容易で、トランジスタの占有面積を小さくできる。図3(B)は壁形状に半導体領域を形成した例である。壁形状は半導体領域の側面の面積を大きくすることができるため、トランジスタのオン電流を増大させることができる。図3(C)は角錐台形状に半導体領域を形成した例である。角錐台形状は壁形状に比べて、半導体領域側面に成膜されるゲート絶縁膜またはゲート電極の被覆性を高めることができる。なお、図3(A)、図3(B)および図3(C)は、意図しないゲート電界の集中を避けるために角を丸めてもよい。図3(D)は円柱形状に半導体領域を形成した例である。円柱形状は側面に角が存在しないため、均一にゲート電界を半導体領域に印加することができる。図3(E)は円錐台形状に半導体領域を形成した例である。円錐台形状は円柱形状に比べて、半導体領域側面に成膜されるゲート絶縁膜またはゲート電極の被覆性を高めることができる。 Although the semiconductor region has a truncated cone shape in this embodiment mode, the shape of the semiconductor region is not limited to this. FIG. 3 shows a shape example when the semiconductor region is three-dimensionally processed. FIG. 3A shows an example in which a semiconductor region is formed in a prismatic shape. The prismatic shape is easy to layout and can reduce the area occupied by the transistor. FIG. 3B shows an example in which a semiconductor region is formed in a wall shape. Since the wall shape can increase the area of the side surface of the semiconductor region, the on-state current of the transistor can be increased. FIG. 3C shows an example in which a semiconductor region is formed in a truncated pyramid shape. The shape of the truncated pyramid can improve the coverage of the gate insulating film or gate electrode formed on the side surface of the semiconductor region as compared with the wall shape. Note that in FIGS. 3A, 3B, and 3C, corners may be rounded to avoid unintentional concentration of the gate electric field. FIG. 3D illustrates an example in which a semiconductor region is formed in a cylindrical shape. Since the cylindrical shape has no corners on the side surfaces, the gate electric field can be uniformly applied to the semiconductor region. FIG. 3E shows an example in which a semiconductor region is formed in a truncated cone shape. The frustum shape can improve the coverage of the gate insulating film or the gate electrode formed on the side surface of the semiconductor region as compared with the cylindrical shape.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で示した酸化物半導体104について、詳細な説明を行う。
(Embodiment 2)
In this embodiment, the oxide semiconductor 104 described in Embodiment 1 will be described in detail.

酸化物半導体104は、インジウムを含む酸化物である。酸化物は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物半導体104は、元素Mを含むと好ましい。元素Mとして、例えば、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどがある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。元素Mは、例えば、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体104は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物が亜鉛を含むと、例えば、酸化物を結晶化しやすくなる。酸化物の価電子帯上端のエネルギーは、例えば、亜鉛の原子数比によって制御できる。 The oxide semiconductor 104 is an oxide containing indium. For example, when the oxide contains indium, the carrier mobility (electron mobility) increases. The oxide semiconductor 104 preferably contains the element M. Examples of the element M include aluminum, gallium, yttrium, and tin. The element M is an element having a high binding energy with oxygen, for example. The element M is an element having a function of increasing the energy gap of the oxide, for example. The oxide semiconductor 104 preferably contains zinc. When the oxide contains zinc, for example, the oxide is easily crystallized. The energy at the upper end of the valence band of the oxide can be controlled by, for example, the atomic ratio of zinc.

ただし、酸化物半導体104は、インジウムを含む酸化物に限定されない。酸化物半導体104は、例えば、Zn−Sn酸化物、Ga−Sn酸化物であっても構わない。 Note that the oxide semiconductor 104 is not limited to the oxide containing indium. For example, the oxide semiconductor 104 may be a Zn—Sn oxide or a Ga—Sn oxide.

また酸化物半導体104は、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。酸化物半導体104のエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。 For the oxide semiconductor 104, an oxide with a wide energy gap is used. For example, the energy gap of the oxide semiconductor 104 is 2.5 eV to 4.2 eV, preferably 2.8 eV to 3.8 eV, and more preferably 3 eV to 3.5 eV.

酸化物半導体104は、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、熱CVD法またはPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法を含むがこれに限定されない)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法を用いて成膜するとよい。特に、MOCVD法、ALD法または熱CVD法を用いると、プラズマを使わないため酸化物半導体104にダメージを与えにくく、トランジスタのオフ状態のリーク電流を低く抑えることができるので好ましい。 The oxide semiconductor 104 is formed by a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (a MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition Method), a thermal CVD method, or a PECVD (Plasma Deposition Method). However, the film formation may be performed using an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or a PLD (Pulsed Laser Deposition) method. In particular, it is preferable to use an MOCVD method, an ALD method, or a thermal CVD method because plasma is not used so that the oxide semiconductor 104 is hardly damaged and leakage current in an off state of the transistor can be suppressed low.

酸化物半導体104をスパッタリング法で成膜する場合、パーティクル数低減のため、インジウムを含むターゲットを用いると好ましい。また、元素Mの原子数比が高い酸化物ターゲットを用いた場合、ターゲットの導電性が低くなる場合がある。インジウムを含むターゲットを用いる場合、ターゲットの導電率を高めることができ、DC放電、AC放電が容易となるため、大面積の基板へ対応しやすくなる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる。 In the case where the oxide semiconductor 104 is formed by a sputtering method, a target containing indium is preferably used to reduce the number of particles. Further, when an oxide target having a high atomic ratio of the element M is used, the conductivity of the target may be lowered. In the case of using a target containing indium, the conductivity of the target can be increased, and DC discharge and AC discharge are facilitated, so that it is easy to deal with a large-area substrate. Therefore, the productivity of the semiconductor device can be increased.

酸化物半導体104をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比は、In:M:Znが3:1:1、3:1:2、3:1:4、1:1:0.5、1:1:1、1:1:2、1:4:4、などとすればよい。 In the case where the oxide semiconductor 104 is formed by a sputtering method, the atomic ratio of the target is as follows: In: M: Zn is 3: 1: 1, 3: 1: 2, 3: 1: 4, 1: 1: 0. 5, 1: 1: 1, 1: 1: 2, 1: 4: 4, etc.

酸化物半導体104をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。特に、亜鉛は、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなる場合がある。具体的には、ターゲットに含まれる亜鉛の原子数比の40atomic%以上90atomic%程度以下となる場合がある。 In the case where the oxide semiconductor 104 is formed by a sputtering method, a film with an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target may be formed. In particular, zinc may have a film atomic ratio smaller than the target atomic ratio. Specifically, the atomic ratio of zinc contained in the target may be 40 atomic% or more and 90 atomic% or less.

以下では、酸化物半導体104中における不純物の影響について説明する。なお、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体104中の不純物濃度を低減し、低キャリア密度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物半導体104のキャリア密度は、1×1017個/cm未満、1×1015個/cm未満、または1×1013個/cm未満とする。酸化物半導体104中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。 Hereinafter, the influence of impurities in the oxide semiconductor 104 is described. Note that in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor 104 to reduce carrier density and purity. Note that the carrier density of the oxide semiconductor 104 is less than 1 × 10 17 pieces / cm 3, less than 1 × 10 15 pieces / cm 3 , or less than 1 × 10 13 pieces / cm 3 . In order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor 104, it is preferable to reduce the impurity concentration in an adjacent film.

例えば、酸化物半導体104中のシリコンは、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。そのため、酸化物半導体104とゲート絶縁膜106との間におけるシリコン濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)において、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満とする。 For example, silicon in the oxide semiconductor 104 may serve as a carrier trap or a carrier generation source. Therefore, the silicon concentration between the oxide semiconductor 104 and the gate insulating film 106 is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 8 in secondary ion mass spectrometry (SIMS). It is less than 18 atoms / cm 3 , more preferably less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 .

また、酸化物半導体104中に水素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物半導体104の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体104中に窒素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物半導体104の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, when hydrogen is contained in the oxide semiconductor 104, the carrier density may be increased. The hydrogen concentration of the oxide semiconductor 104 is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 or less in SIMS. × 10 18 atoms / cm 3 or less. In addition, when nitrogen is contained in the oxide semiconductor 104, the carrier density may be increased. The nitrogen concentration of the oxide semiconductor 104 in SIMS is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, further preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体104の水素濃度を低減するために、ゲート絶縁膜106の水素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜106の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体104の窒素濃度を低減するために、ゲート絶縁膜106の窒素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜106の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In order to reduce the hydrogen concentration in the oxide semiconductor 104, it is preferable to reduce the hydrogen concentration in the gate insulating film 106. The hydrogen concentration of the gate insulating film 106 in SIMS is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. In order to reduce the nitrogen concentration in the oxide semiconductor 104, it is preferable to reduce the nitrogen concentration in the gate insulating film 106. The nitrogen concentration of the gate insulating film 106 is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably SIMS, in SIMS. 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

以下では、酸化物半導体104に適用可能な酸化物半導体膜の構造について説明する。 The structure of an oxide semiconductor film that can be used for the oxide semiconductor 104 is described below.

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 In this specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに分けられる。または、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられる。 An oxide semiconductor film is classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. Alternatively, an oxide semiconductor is classified into, for example, a crystalline oxide semiconductor and an amorphous oxide semiconductor.

なお、非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。 Note that examples of the non-single-crystal oxide semiconductor include a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, a microcrystalline oxide semiconductor, and an amorphous oxide semiconductor. As a crystalline oxide semiconductor, a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, a microcrystalline oxide semiconductor, or the like can be given.

まずは、CAAC−OS膜について説明する。 First, the CAAC-OS film is described.

CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.

透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 Confirming a plurality of crystal parts by observing a bright field image of a CAAC-OS film and a combined analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a CAAC-OS film with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). Can do. On the other hand, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even by a high-resolution TEM image. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.

試料面と略平行な方向から、CAAC−OS膜の断面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .

一方、試料面と略垂直な方向から、CAAC−OS膜の平面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when a high-resolution TEM image of a plane of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in a crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.

CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.

CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.

また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers by capturing hydrogen.

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film is unlikely to have electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.

また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor including a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a microcrystalline oxide semiconductor film is described.

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。 The microcrystalline oxide semiconductor film includes a region where a crystal part can be confirmed and a region where a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. In most cases, a crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film including a nanocrystal (nc) that is a microcrystal of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm is referred to as an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor) film. In the nc-OS film, for example, a crystal grain boundary may not be clearly confirmed in a high-resolution TEM image.

nc−OS膜は、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。 The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a very small region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS film may not be distinguished from an amorphous oxide semiconductor film depending on an analysis method. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS film using an XRD apparatus using X-rays having a diameter larger than that of the crystal part, a peak indicating a crystal plane is not detected in the analysis by the out-of-plane method. Further, when electron diffraction (also referred to as limited-field electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the crystal part is performed on the nc-OS film, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Is done. On the other hand, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film using an electron beam having a probe diameter that is close to or smaller than the size of the crystal part, spots are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.

nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS film is an oxide semiconductor film that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than the amorphous oxide semiconductor film. Note that the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.

次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。 Next, an amorphous oxide semiconductor film is described.

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。 An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film having an irregular atomic arrangement in the film and having no crystal part. An oxide semiconductor film having an amorphous state such as quartz is an example.

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において結晶部を確認することができない。 In the amorphous oxide semiconductor film, a crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image.

非晶質酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いた構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。 When structural analysis using an XRD apparatus is performed on an amorphous oxide semiconductor film, a peak indicating a crystal plane is not detected by analysis using an out-of-plane method. Further, when electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, a halo pattern is observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on an amorphous oxide semiconductor film, no spot is observed and a halo pattern is observed.

なお、酸化物半導体膜は、nc−OS膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。 Note that the oxide semiconductor film may have a structure having physical properties between the nc-OS film and the amorphous oxide semiconductor film. An oxide semiconductor film having such a structure is particularly referred to as an amorphous-like oxide semiconductor (a-like OS) film.

a−like OS膜は、高分解能TEM像において鬆(ボイドともいう。)が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a−like OS膜は、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なnc−OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。 In the a-like OS film, a void (also referred to as a void) may be observed in a high-resolution TEM image. Moreover, in a high-resolution TEM image, it has the area | region which can confirm a crystal part clearly, and the area | region which cannot confirm a crystal part. In some cases, the a-like OS film is crystallized by a small amount of electron irradiation as observed by a TEM, and a crystal part is grown. On the other hand, in the case of a good-quality nc-OS film, crystallization due to a small amount of electron irradiation comparable to that observed by TEM is hardly observed.

なお、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnOの結晶は層状構造を有し、In−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnOの結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がInGaZnOの結晶のa−b面に対応する。 Note that the crystal part size of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using high-resolution TEM images. For example, a crystal of InGaZnO 4 has a layered structure, and two Ga—Zn—O layers are provided between In—O layers. The unit cell of InGaZnO 4 crystal has a structure in which a total of nine layers including three In—O layers and six Ga—Zn—O layers are stacked in the c-axis direction. Therefore, the distance between these adjacent layers is approximately the same as the lattice spacing (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, paying attention to the lattice fringes in the high-resolution TEM image, each lattice fringe corresponds to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal in a portion where the interval between the lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less.

また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、a−like OS膜の密度は78.6%以上92.3%未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS膜の密度は92.3%以上100%未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が78%未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。 In addition, the oxide semiconductor film may have a different density for each structure. For example, if the composition of a certain oxide semiconductor film is known, the structure of the oxide semiconductor film can be estimated by comparing with the density of a single crystal having the same composition as the composition. For example, the density of the a-like OS film is 78.6% or more and less than 92.3% with respect to the density of the single crystal. For example, the density of the nc-OS film and the density of the CAAC-OS film are 92.3% or more and less than 100% with respect to the density of the single crystal. Note that it is difficult to form an oxide semiconductor film whose density is lower than 78% with respect to that of a single crystal.

上記について、具体例を用いて説明する。例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの密度は6.357g/cmとなる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、a−like OS膜の密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体膜において、nc−OS膜の密度およびCAAC−OS膜の密度は5.9g/cm以上6.3g/cm未満となる。 The above will be described using a specific example. For example, in an oxide semiconductor film satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Therefore, for example, in an oxide semiconductor film satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of the a-like OS film is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3. It becomes. For example, in the oxide semiconductor film satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of the nc-OS film and the density of the CAAC-OS film are 5.9 g / cm 3 or more 6 Less than 3 g / cm 3 .

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて算出することが好ましい。 Note that there may be no single crystal having the same composition. In that case, a density corresponding to a single crystal having a desired composition can be calculated by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to calculate the density of the single crystal of a desired composition using a weighted average with respect to the ratio which combines the single crystal from which a composition differs. However, the density is preferably calculated by combining as few kinds of single crystals as possible.

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、a−like OS膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, an a-like OS film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example. .

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ110の作製方法について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a method for manufacturing the transistor 110 described in Embodiment 1 will be described with reference to drawings.

まず、基板109上に配線101を形成する(図4(A)参照)。 First, the wiring 101 is formed over the substrate 109 (see FIG. 4A).

次に、導電膜203、酸化物半導体204および導電膜205を成膜する(図4(B)参照)。 Next, a conductive film 203, an oxide semiconductor 204, and a conductive film 205 are formed (see FIG. 4B).

導電膜203および導電膜205は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含むがこれに限定されない)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 The conductive film 203 and the conductive film 205 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including but not limited to an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

酸化物半導体204は、実施の形態2で記載した方法を用いて成膜する。 The oxide semiconductor 204 is formed using the method described in Embodiment 2.

次に、導電膜203、酸化物半導体204および導電膜205を、共通のフォトリソグラフィーを使ってエッチングし、ソース電極103、酸化物半導体104およびドレイン電極105を形成する(図4(C)参照)。導電膜203、酸化物半導体204および導電膜205をエッチングする際にハードマスクを用いてもよい。 Next, the conductive film 203, the oxide semiconductor 204, and the conductive film 205 are etched using common photolithography, so that the source electrode 103, the oxide semiconductor 104, and the drain electrode 105 are formed (see FIG. 4C). . A hard mask may be used when the conductive film 203, the oxide semiconductor 204, and the conductive film 205 are etched.

次に、第1の加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第1の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。第1の加熱処理によって、酸化物半導体104の結晶性を高めることができる。 Next, first heat treatment may be performed. The first heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state. The atmosphere of the first heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement desorbed oxygen after heat treatment in an inert gas atmosphere. With the first heat treatment, the crystallinity of the oxide semiconductor 104 can be increased.

次に、ゲート絶縁膜106、導電膜202を成膜する(図5(A)参照)。ゲート絶縁膜106および導電膜202は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含むがこれに限定されない)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 Next, a gate insulating film 106 and a conductive film 202 are formed (see FIG. 5A). The gate insulating film 106 and the conductive film 202 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including but not limited to an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. . In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

次に、導電膜202およびゲート絶縁膜106を異方性エッチングで加工し、ゲート電極102を形成する(図5(B)参照)。異方性エッチングにより、ゲート絶縁膜106を介して酸化物半導体104の側面と面する位置にゲート電極102が形成される。なお、エッチング方法によってはゲート絶縁膜106の一部がエッチングされずに残る場合もあるが、後の研磨工程で除去されるので問題にならない。また、ドレイン電極105が消失しないように、ゲート電極102とドレイン電極105との間に選択比が得られるエッチング方法が好ましいが、上述の選択比が得られない場合は、ドレイン電極105上にエッチングストッパを設けてもよい。 Next, the conductive film 202 and the gate insulating film 106 are processed by anisotropic etching to form the gate electrode 102 (see FIG. 5B). By anisotropic etching, the gate electrode 102 is formed at a position facing the side surface of the oxide semiconductor 104 with the gate insulating film 106 interposed therebetween. Note that although part of the gate insulating film 106 may remain without being etched depending on the etching method, there is no problem because it is removed in a later polishing step. In addition, an etching method in which a selection ratio is obtained between the gate electrode 102 and the drain electrode 105 is preferable so that the drain electrode 105 is not lost. However, if the above selection ratio cannot be obtained, etching is performed on the drain electrode 105. A stopper may be provided.

次に、保護絶縁膜107および層間絶縁膜108を成膜する(図5(C)参照)。保護絶縁膜107および層間絶縁膜108は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含むがこれに限定されない)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 Next, a protective insulating film 107 and an interlayer insulating film 108 are formed (see FIG. 5C). The protective insulating film 107 and the interlayer insulating film 108 may be formed by sputtering, CVD (including but not limited to ALD, MOCVD, thermal CVD, or PECVD), MBE, or PLD. Good. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

次に、第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。第2の加熱処理により、ゲート電極102を還元させて、導電膜112aおよび導電膜112bを作製する(図6(A)参照)。その際、ゲート電極102から放出された酸素は、ゲート絶縁膜106を介して、酸化物半導体104へ到達し、酸化物半導体104の酸素欠損を低減することができる。 Next, second heat treatment is performed. The second heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state. Through the second heat treatment, the gate electrode 102 is reduced, so that the conductive film 112a and the conductive film 112b are manufactured (see FIG. 6A). At that time, oxygen released from the gate electrode 102 reaches the oxide semiconductor 104 through the gate insulating film 106, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor 104 can be reduced.

最後に、保護絶縁膜107および、層間絶縁膜108をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨し、平坦化処理を行う(図6(B)参照)。この際に、ドレイン電極105をCMP法のストッパとして利用することができる。もし、ドレイン電極105をストッパとして利用できない場合は、ドレイン電極105の上にストッパを設けてもよい。 Finally, the protective insulating film 107 and the interlayer insulating film 108 are polished by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method and planarized (see FIG. 6B). At this time, the drain electrode 105 can be used as a stopper for the CMP method. If the drain electrode 105 cannot be used as a stopper, a stopper may be provided on the drain electrode 105.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタ110の変形例について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a modification of the transistor 110 described in Embodiment 1 will be described with reference to drawings.

<トランジスタの変形例1>
図7に示すトランジスタ410は、図2(C)のトランジスタ110において、基板109からゲート電極112の頂点までの高さが、同じく基板109からドレイン電極105の下面までの高さより、距離dだけ下がった場合のトランジスタである。図中で示した距離dの領域は、ゲート電極112が面しないので、トランジスタがオン状態の場合でもゲート電界が印加されず、高抵抗領域となる。ソース電極103とドレイン電極105との間に高電圧が印加されるトランジスタの場合は、上述した高抵抗領域が存在することで、ソース電極103とドレイン電極105との間の耐圧を向上させることができる。距離dの長さは、例えば10nm以上300nm以下、好ましくは、30nm以上200nm以下、さらに好ましくは50nm以上150nm以下とする。
<Modification Example 1 of Transistor>
The transistor 410 illustrated in FIG. 7 is similar to the transistor 110 illustrated in FIG. 2C in that the height from the substrate 109 to the top of the gate electrode 112 is lower than the height from the substrate 109 to the lower surface of the drain electrode 105 by the distance d. Transistor. In the region of the distance d shown in the drawing, the gate electrode 112 does not face, so that even when the transistor is in an on state, a gate electric field is not applied and a high resistance region is formed. In the case of a transistor to which a high voltage is applied between the source electrode 103 and the drain electrode 105, the withstand voltage between the source electrode 103 and the drain electrode 105 can be improved by the presence of the high resistance region described above. it can. The length of the distance d is, for example, 10 nm to 300 nm, preferably 30 nm to 200 nm, and more preferably 50 nm to 150 nm.

<トランジスタの変形例2>
図8に示すトランジスタ420は、図2(C)のトランジスタ110において、配線101と酸化物半導体104との間に存在するソース電極103を省略した場合のトランジスタである。この場合、配線101がソース電極を兼ねている。トランジスタ420はソース電極103を省略したことで、工程の短縮およびソース電極103をエッチングで形成する際に、酸化物半導体104に加わるダメージを無くすことができる。
<Modification Example 2 of Transistor>
A transistor 420 illustrated in FIG. 8 is a transistor in the case where the source electrode 103 between the wiring 101 and the oxide semiconductor 104 is omitted in the transistor 110 in FIG. In this case, the wiring 101 also serves as a source electrode. By omitting the source electrode 103 in the transistor 420, the process can be shortened and damage to the oxide semiconductor 104 can be eliminated when the source electrode 103 is formed by etching.

<トランジスタの変形例3>
図9(B)に示すトランジスタ430は、ゲート電極をCMP法で形成した場合のトランジスタを示している。実施の形態3で記載した方法に従って図5(A)の構造まで作製する。その後、フォトリソグラフィーを使って導電膜202をパターニングし、保護絶縁膜107と層間絶縁膜108を成膜する(図9(A)参照)。次に、層間絶縁膜108、保護絶縁膜107、導電膜202およびゲート絶縁膜106を、CMP法で同時に研磨して加熱処理を施すことで、ゲート電極112を形成する(図9(B)参照)。上述の方法は、図5(B)で示した異方性エッチングによるゲート電極形成が困難な場合に有効である。
<Modification Example 3 of Transistor>
A transistor 430 illustrated in FIG. 9B is a transistor in the case where a gate electrode is formed by a CMP method. The structure shown in FIG. 5A is manufactured according to the method described in Embodiment Mode 3. After that, the conductive film 202 is patterned using photolithography to form a protective insulating film 107 and an interlayer insulating film 108 (see FIG. 9A). Next, the interlayer insulating film 108, the protective insulating film 107, the conductive film 202, and the gate insulating film 106 are simultaneously polished by a CMP method and subjected to heat treatment, so that the gate electrode 112 is formed (see FIG. 9B). ). The above-described method is effective when it is difficult to form the gate electrode by anisotropic etching shown in FIG.

<トランジスタの変形例4>
図10に示すトランジスタ440は、図2(C)のトランジスタにおいて、ゲート電極112と配線101との間に絶縁膜441を設けた場合のトランジスタである。絶縁膜441が存在することで、ゲート電極112と配線101との間に生じる寄生容量を低下させ、トランジスタの動作速度を向上させることができる。
<Modification 4 of transistor>
A transistor 440 illustrated in FIG. 10 is a transistor in the case where the insulating film 441 is provided between the gate electrode 112 and the wiring 101 in the transistor in FIG. The presence of the insulating film 441 can reduce the parasitic capacitance generated between the gate electrode 112 and the wiring 101, and can increase the operation speed of the transistor.

絶縁膜441には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。特に、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンは誘電率が小さく、絶縁性も高いため、絶縁膜441に適している。 The insulating film 441 includes aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and the like. An insulator containing one or more selected from the above can be used. In particular, silicon oxide or silicon oxynitride is suitable for the insulating film 441 because it has a low dielectric constant and high insulating properties.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用した記憶装置の一例について図面を参照して説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a memory device using a transistor which is one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

図11は本発明の一様態のトランジスタを利用した記憶装置500の上面図である。なお、図11は図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。記憶装置500は、列方向に延伸する複数のビット線BLと、行方向に延伸する複数のワード線WLと、ワード線WLに挟まれかつビット線BL上に配置されたトランジスタ530と、トランジスタ530上の記憶素子520と、ワード線WLの底面およびトランジスタ530の側面と接するコンタクト510を有する。トランジスタ530は本発明の一態様の縦型トランジスタである。トランジスタ530および記憶素子520は2F間隔でマトリックス状に配置され、記憶装置500は4Fのメモリセルで構成されている。 FIG. 11 is a top view of a memory device 500 using a transistor according to one embodiment of the present invention. Note that FIG. 11 is shown with some elements omitted for clarity. The memory device 500 includes a plurality of bit lines BL extending in the column direction, a plurality of word lines WL extending in the row direction, a transistor 530 sandwiched between the word lines WL and disposed on the bit line BL, and a transistor 530. The upper storage element 520 has a contact 510 in contact with the bottom surface of the word line WL and the side surface of the transistor 530. The transistor 530 is a vertical transistor of one embodiment of the present invention. The transistors 530 and the memory elements 520 are arranged in a matrix at intervals of 2F, and the memory device 500 is configured by 4F 2 memory cells.

記憶装置500がDRAM(Dynamic Random Access Memory)の場合は記憶素子520にキャパシタが用いられ、記憶装置500がPRAM(Phase change Random Access Memory)の場合は記憶素子520に相変化膜が用いられ、記憶装置500がReRAM(Resistance Random Access Memory)の場合は記憶素子520に抵抗変化素子が用いられる。以下では、記憶装置500がDRAMの場合について説明を行う。 When the storage device 500 is a DRAM (Dynamic Random Access Memory), a capacitor is used as the storage element 520. When the storage device 500 is a PRAM (Phase Change Random Access Memory), a phase change film is used as the storage element 520. When the device 500 is a ReRAM (Resistance Random Access Memory), a resistance change element is used as the memory element 520. Hereinafter, a case where the storage device 500 is a DRAM will be described.

図12は図11のA1―A2線断面図を示している。図12に示す記憶装置500は、トランジスタ530と、ビット線BLと、ワード線WLと、コンタクト510と、プラグ511と、第1キャパシタ電極512、第2キャパシタ電極513およびキャパシタ絶縁体514で構成されている記憶素子520を有している。コンタクト510はトランジスタ530の側面に配置されたゲート電極532(導電膜532a、532bを含む)およびワード線WLに接続されていて、ワード線WLの電位をトランジスタ530のゲート電極532に与える機能を有する。トランジスタ530のソース電極533はビット線BLに接続され、トランジスタ530のドレイン電極535は記憶素子520に接続されている。 FIG. 12 shows a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. A memory device 500 illustrated in FIG. 12 includes a transistor 530, a bit line BL, a word line WL, a contact 510, a plug 511, a first capacitor electrode 512, a second capacitor electrode 513, and a capacitor insulator 514. The memory element 520 is included. The contact 510 is connected to the gate electrode 532 (including the conductive films 532a and 532b) disposed on the side surface of the transistor 530 and the word line WL, and has a function of supplying the potential of the word line WL to the gate electrode 532 of the transistor 530. . A source electrode 533 of the transistor 530 is connected to the bit line BL, and a drain electrode 535 of the transistor 530 is connected to the memory element 520.

トランジスタ530は、図2(C)で示したトランジスタ110と比較して、ゲート電極の頂点とドレイン電極の位置関係が異なる。トランジスタ530は、ゲート電極532の頂点がドレイン電極535よりも高い位置にあり、コンタクト510とドレイン電極535の間にゲート電極532およびゲート絶縁膜536が存在する(図12参照)。上述の構成により、トランジスタ530は、コンタクト510とドレイン電極535が短絡することを防いでいる。上記の特徴以外は、トランジスタ530はトランジスタ110と同一である。 The transistor 530 is different from the transistor 110 illustrated in FIG. 2C in the positional relationship between the apex of the gate electrode and the drain electrode. In the transistor 530, the apex of the gate electrode 532 is higher than the drain electrode 535, and the gate electrode 532 and the gate insulating film 536 exist between the contact 510 and the drain electrode 535 (see FIG. 12). With the above structure, the transistor 530 prevents the contact 510 and the drain electrode 535 from being short-circuited. Except for the above features, the transistor 530 is the same as the transistor 110.

図13は図11のB1―B2線断面図を示している。 FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG.

なお、図12および図13でハッチパターンが施されていない領域は絶縁体で構成された領域を表している。該当領域には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。 In FIG. 12 and FIG. 13, a region where no hatch pattern is applied represents a region made of an insulator. Applicable areas include aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, etc. An insulator including one or more selected ones can be used.

トランジスタ530はオフ電流の低いトランジスタであるため、DRAMのメモリセルに用いることで、記憶素子520に蓄積された電荷の保持時間を長くすることができる。その結果、DRAMのリフレッシュの頻度を少なくすることができ、消費電力を下げることができる。 Since the transistor 530 is a transistor with low off-state current, when it is used in a memory cell of a DRAM, the holding time of charge accumulated in the memory element 520 can be extended. As a result, the frequency of refreshing the DRAM can be reduced and the power consumption can be reduced.

また、単結晶シリコンを使ったSGTで4Fのメモリセルを作製する場合、ソース領域およびドレイン領域を形成する際の不純物注入工程が複雑であるが、トランジスタ530で4Fのメモリセルを作製する場合は、ソース領域およびドレイン領域形成の際の不純物注入工程が不要なので、製造工程を短縮することができる。 Further, in the case where a 4F 2 memory cell is manufactured by SGT using single crystal silicon, an impurity implantation process when forming the source region and the drain region is complicated, but a 4F 2 memory cell is manufactured by the transistor 530. In this case, the manufacturing process can be shortened because the impurity implantation step for forming the source region and the drain region is unnecessary.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態5で示した記憶装置と半導体基板上に作製したトランジスタを組み合わせた例について図面を参照して説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example in which the memory device described in Embodiment 5 is combined with a transistor formed over a semiconductor substrate will be described with reference to drawings.

図14は実施の形態5で示した記憶装置500と、トランジスタ2200と、素子分離層2201と、プラグ2202乃至2205と、配線2208乃至2210と、絶縁層2207と、半導体基板2211を有している。図14でハッチパターンが施されていない領域は、絶縁体で構成されている。図14の左半分の領域は、図11のA1―A2線断面図を示し、図14の右半分の領域は、図11のB1―B2線断面図を示している。 14 includes the memory device 500 described in Embodiment 5, a transistor 2200, an element isolation layer 2201, plugs 2202 to 2205, wirings 2208 to 2210, an insulating layer 2207, and a semiconductor substrate 2211. . In FIG. 14, the region where the hatch pattern is not applied is formed of an insulator. The left half area of FIG. 14 shows a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 11, and the right half area of FIG. 14 shows a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG.

半導体基板2211に使用される第1の半導体材料は、トランジスタ530に使用される第2の半導体材料とは異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(多結晶構造、単結晶構造などのシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素など)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。 The first semiconductor material used for the semiconductor substrate 2211 is preferably a material having a forbidden band width different from that of the second semiconductor material used for the transistor 530. For example, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon having a polycrystalline structure or a single crystal structure, germanium, silicon germanium, silicon carbide, or gallium arsenide), and the second semiconductor material is an oxide. It can be a semiconductor. A transistor using single crystal silicon or the like as a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor has low off-state current.

例えば、第1の半導体として歪みシリコンなどの歪みを有する半導体を用いてもよい。または、第1の半導体として高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。これらの半導体を第1の半導体に用いることで、高速動作をすることに適したトランジスタ2200とすることができる。 For example, a semiconductor having a strain such as strained silicon may be used as the first semiconductor. Alternatively, as the first semiconductor, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, silicon germanium, or the like that can be used for a high electron mobility transistor (HEMT) is used. May be. By using these semiconductors as the first semiconductor, the transistor 2200 suitable for high-speed operation can be obtained.

トランジスタ2200は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。 The transistor 2200 may be either an n-channel transistor or a p-channel transistor, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit. In addition to the use of the transistor of one embodiment of the present invention using an oxide semiconductor, the specific structure of the semiconductor device, such as a material and a structure used, is not necessarily limited to that described here.

このように、2種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、より高密度に複数の回路を配置することができる。例えば、トランジスタ2200を用いて記憶装置500の駆動回路を形成してもよい。 Thus, by stacking two types of transistors, the area occupied by the circuit is reduced, and a plurality of circuits can be arranged at a higher density. For example, the driver circuit of the memory device 500 may be formed using the transistor 2200.

ここで、下層に設けられるトランジスタ2200にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ2200の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ2200の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ530に酸化物半導体を用いた場合、酸化物半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ530の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ530を積層して設ける場合、これらの間に水素の移動を防止する機能を有する絶縁層2207を設けることは特に効果的である。絶縁層2207により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上することに加え、下層から上層への水素拡散が抑制されることでトランジスタ530の信頼性も同時に向上させることができる。 Here, in the case where a silicon-based semiconductor material is used for the transistor 2200 provided in the lower layer, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the semiconductor layer of the transistor 2200 terminates a dangling bond of silicon, thereby improving the reliability of the transistor 2200. There is an effect to improve. On the other hand, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 530 provided in the upper layer, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the oxide semiconductor layer becomes one of the factors for generating carriers in the oxide semiconductor. In some cases, the reliability of 530 may be reduced. Therefore, in the case where the transistor 530 using an oxide semiconductor is stacked over the transistor 2200 using a silicon-based semiconductor material, it is particularly preferable to provide the insulating layer 2207 having a function of preventing hydrogen migration between the transistors 530. It is effective. In addition to improving the reliability of the transistor 2200 by confining hydrogen in the lower layer with the insulating layer 2207, the reliability of the transistor 530 can be improved at the same time by suppressing hydrogen diffusion from the lower layer to the upper layer.

絶縁層2207としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。 As the insulating layer 2207, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.

なお、トランジスタ2200は、プレーナー型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、FIN(フィン)型、TRI−GATE(トライゲート)型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図15に示す。半導体基板2211の上に、絶縁層2212が設けられている。半導体基板2211は、先端の細い凸部(フィンともいう。)を有する。なお、凸部の上には、絶縁膜が設けられていてもよい。その絶縁膜は、凸部を形成するときに、半導体基板2211がエッチングされないようにするためのマスクとして機能するものである。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板2211の凸部の上には、ゲート絶縁膜2214が設けられ、その上には、ゲート電極2213が設けられている。半導体基板2211には、ソース領域およびドレイン領域2215が形成されている。なお、ここでは、半導体基板2211が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。 Note that the transistor 2200 can be a transistor of various types as well as a planar transistor. For example, a transistor of FIN (fin) type, TRI-GATE (trigate) type, or the like can be used. An example of a cross-sectional view in that case is shown in FIG. An insulating layer 2212 is provided over the semiconductor substrate 2211. The semiconductor substrate 2211 has a protruding portion (also referred to as a fin) with a thin tip. Note that an insulating film may be provided on the convex portion. The insulating film functions as a mask for preventing the semiconductor substrate 2211 from being etched when the convex portion is formed. In addition, the convex part does not need to have a thin tip, for example, it may be a substantially rectangular parallelepiped convex part or a thick convex part. A gate insulating film 2214 is provided on the convex portion of the semiconductor substrate 2211, and a gate electrode 2213 is provided thereon. A source region and a drain region 2215 are formed in the semiconductor substrate 2211. Note that although the example in which the semiconductor substrate 2211 includes a convex portion is described here, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, an SOI substrate may be processed to form a semiconductor region having a convex portion.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い記憶装置の一例を、図面を参照して説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, the transistor which is one embodiment of the present invention is used, the memory content can be retained even when power is not supplied, and an example of a memory device in which the number of writing is not limited is described with reference to the drawings. To explain.

図16(A)に示すメモリセルは、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、上記実施の形態で説明したトランジスタを用いることができる。 A memory cell illustrated in FIG. 16A includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, the transistor described in the above embodiment can be used.

トランジスタ3300は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 3300 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 3300 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 3300. In other words, a memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation can be used, so that power consumption can be sufficiently reduced.

図16(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極、およびトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子3400の第1の端子と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の第2の端子と電気的に接続されている。 In FIG. 16A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to a gate electrode of the transistor 3300. The other of the gate electrode of the transistor 3200 and the source or drain electrode of the transistor 3300 is electrically connected to the first terminal of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is a second terminal of the capacitor 3400. And are electrically connected.

図16(A)に示すメモリセルでは、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the memory cell illustrated in FIG. 16A, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷が保持される(保持)。 Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the gate electrode of the transistor 3200 and the capacitor 3400. That is, predetermined charge is supplied to the gate of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off, so that the transistor 3300 is turned off, whereby the charge given to the gate of the transistor 3200 is held (held).

トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 3300 is extremely small, the charge of the gate of the transistor 3200 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ3200のゲートに保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, according to the amount of charge held in the gate of the transistor 3200, The second wiring 3002 has different potentials. In general, when the transistor 3200 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H in the case where a high-level charge is applied to the gate electrode of the transistor 3200 is a low-level charge applied to the gate electrode of the transistor 3200. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of the case. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for turning on the transistor 3200. Therefore, the charge applied to the gate of the transistor 3200 can be determined by setting the potential of the fifth wiring 3005 to a potential V 0 between V th_H and V th_L . For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 3200 is turned on when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). In the case where a low-level charge is supplied , the transistor 3200 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (<V th_L ). Therefore, the stored information can be read by determining the potential of the second wiring 3002.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, the fifth wiring 3005 may be supplied with a potential at which the transistor 3200 is turned off regardless of the state of the gate, that is, a potential lower than V th_H . Alternatively , a potential that turns on the transistor 3200 regardless of the state of the gate, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the fifth wiring 3005.

図16(B)に示すメモリセルは、トランジスタ3200を設けていない点で図16(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。 The memory cell illustrated in FIG. 16B is different from FIG. 16A in that the transistor 3200 is not provided. In this case, information can be written and held by the same operation as described above.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300がオン状態となると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の第1の端子の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。 Next, reading of information will be described. When the transistor 3300 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 3400 are brought into conduction, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400. As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in potential of the third wiring 3003 varies depending on the potential of the first terminal of the capacitor 3400 (or charge accumulated in the capacitor 3400).

例えば、容量素子3400の第1の端子の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子3400の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。 For example, the potential of the first terminal of the capacitor 3400 is V, the capacitance of the capacitor 3400 is C, the capacitance component of the third wiring 3003 is CB, and the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed Is VB0, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, when the potential of the first terminal of the capacitor 3400 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the third wiring 3003 in the case where the potential V1 is held. The potential (= (CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential of the third wiring 3003 when the potential V0 is held (= CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)). I understand that.

そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。 Then, information can be read by comparing the potential of the third wiring 3003 with a predetermined potential.

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。 In this case, a transistor to which the first semiconductor material is applied is used for a driver circuit for driving the memory cell, and a transistor to which the second semiconductor material is applied is stacked over the driver circuit as the transistor 3300. And it is sufficient.

本実施の形態に示すメモリセルでは、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 In the memory cell described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示すメモリセルでは、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。 Further, in the memory cell described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that the problem of deterioration of the gate insulating film does not occur. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態8)
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用した表示装置の構成例について説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a structural example of a display device using a transistor which is one embodiment of the present invention will be described.

<構成例>
図17(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図17(B)は、本発明の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図17(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
<Configuration example>
FIG. 17A is a top view of a display device of one embodiment of the present invention, and FIG. 17B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention. It is a circuit diagram for demonstrating a pixel circuit. FIG. 17C is a circuit diagram illustrating a pixel circuit that can be used when an organic EL element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention.

画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。また、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。 The transistor provided in the pixel portion can be formed according to the above embodiment mode. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, a part of the driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. In this manner, a highly reliable display device can be provided by using the transistor described in the above embodiment for the pixel portion and the driver circuit.

アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図17(A)に示す。表示装置の基板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、及び第2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。 An example of a top view of the active matrix display device is shown in FIG. A pixel portion 701, a first scan line driver circuit 702, a second scan line driver circuit 703, and a signal line driver circuit 704 are provided over a substrate 700 of the display device. In the pixel portion 701, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 704, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 702 and the second scan line driver circuit 703. Has been placed. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 700 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection unit such as an FPC (Flexible Printed Circuit).

図17(A)では、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板700外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。 In FIG. 17A, the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 are formed over the same substrate 700 as the pixel portion 701. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when a drive circuit is provided outside the substrate 700, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings increases. In the case where a driver circuit is provided over the same substrate 700, the number of connections between the wirings can be reduced, so that reliability or yield can be improved.

<液晶表示装置>
また、画素の回路構成の一例を図17(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
<Liquid crystal display device>
An example of a circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel circuit which can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display device is shown.

この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。 This pixel circuit can be applied to a configuration having a plurality of pixel electrode layers in one pixel. Each pixel electrode layer is connected to a different transistor, and each transistor is configured to be driven by a different gate signal. Thereby, the signals applied to the individual pixel electrode layers of the multi-domain designed pixels can be controlled independently.

トランジスタ716のゲート配線712と、トランジスタ717のゲート配線713には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極又はドレイン電極714は、トランジスタ716とトランジスタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。 The gate wiring 712 of the transistor 716 and the gate wiring 713 of the transistor 717 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the source or drain electrode 714 functioning as a data line is used in common by the transistor 716 and the transistor 717. The transistors described in the above embodiments can be used as appropriate as the transistors 716 and 717. Thereby, a highly reliable liquid crystal display device can be provided.

トランジスタ716と電気的に接続する第1の画素電極層と、トランジスタ717と電気的に接続する第2の画素電極層の形状について説明する。第1の画素電極層と第2の画素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第1の画素電極層はV字型に広がる形状を有し、第2の画素電極層は第1の画素電極層の外側を囲むように形成される。 The shapes of the first pixel electrode layer electrically connected to the transistor 716 and the second pixel electrode layer electrically connected to the transistor 717 are described. The shapes of the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are separated by a slit. The first pixel electrode layer has a V-shaped shape, and the second pixel electrode layer is formed so as to surround the outside of the first pixel electrode layer.

トランジスタ716のゲート電極はゲート配線712と接続され、トランジスタ717のゲート電極はゲート配線713と接続されている。ゲート配線712とゲート配線713に異なるゲート信号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。 A gate electrode of the transistor 716 is connected to the gate wiring 712, and a gate electrode of the transistor 717 is connected to the gate wiring 713. Different gate signals are given to the gate wiring 712 and the gate wiring 713 so that the operation timings of the transistors 716 and 717 are different, whereby the alignment of the liquid crystal can be controlled.

また、容量配線710と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第1の画素電極層または第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。 Further, a storage capacitor may be formed using the capacitor wiring 710, a gate insulating film functioning as a dielectric, and a capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.

マルチドメイン構造は、一画素に第1の液晶素子718と第2の液晶素子719を備える。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。 The multi-domain structure includes a first liquid crystal element 718 and a second liquid crystal element 719 in one pixel. The first liquid crystal element 718 includes a first pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween, and the second liquid crystal element 719 includes a second pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween. Consists of.

なお、図17(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図17(B)に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。 Note that the pixel circuit illustrated in FIG. 17B is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.

<有機EL表示装置>
画素の回路構成の他の一例を図17(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
<Organic EL display device>
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display device using an organic EL element is shown.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。 In the organic EL element, by applying a voltage to the light-emitting element, electrons are injected from one of the pair of electrodes and holes from the other into the layer containing the light-emitting organic compound, and a current flows. Then, by recombination of electrons and holes, the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element.

図17(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のトランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜は、nチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。 FIG. 17C illustrates an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used for one pixel is shown. Note that the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be used for a channel formation region of an n-channel transistor. In addition, digital time grayscale driving can be applied to the pixel circuit.

適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。 An applicable pixel circuit configuration and pixel operation when digital time gray scale driving is applied will be described.

画素720は、スイッチング用トランジスタ721、駆動用トランジスタ722、発光素子724及び容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、ゲート電極が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極及びドレイン電極の一方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極及びドレイン電極の他方)が駆動用トランジスタ722のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ722は、ゲート電極が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が電源線727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続されている。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。 The pixel 720 includes a switching transistor 721, a driving transistor 722, a light-emitting element 724, and a capacitor 723. In the switching transistor 721, the gate electrode is connected to the scanning line 726, the first electrode (one of the source electrode and the drain electrode) is connected to the signal line 725, and the second electrode (the other of the source electrode and the drain electrode) is driven. The transistor 722 is connected to the gate electrode. The driving transistor 722 has a gate electrode connected to the power supply line 727 via the capacitor 723, a first electrode connected to the power supply line 727, and a second electrode connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 724. Has been. The second electrode of the light emitting element 724 corresponds to the common electrode 728. The common electrode 728 is electrically connected to a common potential line formed over the same substrate.

スイッチング用トランジスタ721および駆動用トランジスタ722は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL表示装置を提供することができる。 The transistor described in the above embodiment can be used as appropriate as the switching transistor 721 and the driving transistor 722. Thereby, an organic EL display device with high reliability can be provided.

発光素子724の第2電極(共通電極728)の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線727に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばGND、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子724に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子724の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。 The potential of the second electrode (common electrode 728) of the light-emitting element 724 is set to a low power supply potential. Note that the low power supply potential is lower than the high power supply potential supplied to the power supply line 727. For example, GND, 0V, or the like can be set as the low power supply potential. A high power supply potential and a low power supply potential are set so as to be equal to or higher than the threshold voltage in the forward direction of the light emitting element 724, and by applying the potential difference to the light emitting element 724, a current is passed through the light emitting element 724 to emit light. Note that the forward voltage of the light-emitting element 724 refers to a voltage for obtaining desired luminance, and includes at least a forward threshold voltage.

なお、容量素子723は駆動用トランジスタ722のゲート容量を代用することにより省略できる。駆動用トランジスタ722のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。 Note that the capacitor 723 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 722. As for the gate capacitance of the driving transistor 722, a capacitance may be formed between the channel formation region and the gate electrode.

次に、駆動用トランジスタ722に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジスタ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ722のゲート電極にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。 Next, a signal input to the driving transistor 722 will be described. In the case of the voltage input voltage driving method, a video signal that causes the driving transistor 722 to be sufficiently turned on or off is input to the driving transistor 722. Note that a voltage higher than the voltage of the power supply line 727 is applied to the gate electrode of the driving transistor 722 in order to operate the driving transistor 722 in a linear region. In addition, a voltage equal to or higher than a value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 to the power supply line voltage is applied to the signal line 725.

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ722のゲート電極に発光素子724の順方向電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作させるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。 When analog grayscale driving is performed, a voltage equal to or higher than the value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 to the forward voltage of the light emitting element 724 is applied to the gate electrode of the driving transistor 722. Note that a video signal is input so that the driving transistor 722 operates in a saturation region, and a current is supplied to the light-emitting element 724. Further, in order to operate the driving transistor 722 in the saturation region, the potential of the power supply line 727 is set higher than the gate potential of the driving transistor 722. By making the video signal analog, current corresponding to the video signal can be passed through the light-emitting element 724 to perform analog gradation driving.

なお、画素回路の構成は、図17(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図17(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。 Note that the structure of the pixel circuit is not limited to the pixel structure illustrated in FIG. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit illustrated in FIG.

図17で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。 When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 17, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed that it is connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). do it.

例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、又は様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置の一例としては、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブ、など、電気磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有するものがある。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。 For example, in this specification and the like, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. I can do it. As an example of a display element, a display device, a light emitting element, or a light emitting device, an EL (electroluminescence) element (an EL element including an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, red LED, green LED) , Blue LED, etc.), transistor (transistor that emits light in response to current), electron-emitting device, liquid crystal device, electronic ink, electrophoretic device, grating light valve (GLV), plasma display (PDP), MEMS (micro electro Mechanical system), digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, electrowetting element, piezoelectric ceramic display , Carbon nanotubes, etc., by an electric magnetic action, those having contrast, brightness, reflectance, a display medium such as transmittance changes. An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態9)
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図18に示す。
(Embodiment 9)
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device including a recording medium (typically a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) Device). In addition, mobile phones, game machines including portable devices, portable information terminals, electronic book terminals, video cameras, digital still cameras and other cameras, goggle type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, Digital audio player, etc.), copiers, facsimiles, printers, printer multifunction devices, and the like. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図18(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908等を有する。なお、図18(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 18A illustrates a portable game machine, which includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, speakers 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 18A includes the two display portions 903 and 904, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図18(B)は携帯データ端末であり、第1筐体911、第2筐体912、第1表示部913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部913は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられている。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されており、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。 FIG. 18B illustrates a portable data terminal, which includes a first housing 911, a second housing 912, a first display portion 913, a second display portion 914, a connection portion 915, operation keys 916, and the like. The first display unit 913 is provided in the first housing 911, and the second display unit 914 is provided in the second housing 912. The first housing 911 and the second housing 912 are connected by the connection portion 915, and the angle between the first housing 911 and the second housing 912 can be changed by the connection portion 915. is there. It is good also as a structure which switches the image | video in the 1st display part 913 according to the angle between the 1st housing | casing 911 and the 2nd housing | casing 912 in the connection part 915. FIG. Further, a display device to which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 913 and the second display portion 914 may be used. Note that the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.

図18(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体921、表示部922、キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。 FIG. 18C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図18(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体931、冷蔵室用扉932、冷凍室用扉933等を有する。 FIG. 18D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator door 932, a refrigerator door 933, and the like.

図18(E)はビデオカメラであり、第1筐体941、第2筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されており、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能である。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体942との間の角度に従って切り替える構成としても良い。 FIG. 18E illustrates a video camera, which includes a first housing 941, a second housing 942, a display portion 943, operation keys 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation key 944 and the lens 945 are provided in the first housing 941, and the display portion 943 is provided in the second housing 942. The first housing 941 and the second housing 942 are connected by a connection portion 946, and the angle between the first housing 941 and the second housing 942 can be changed by the connection portion 946. is there. The video on the display portion 943 may be switched according to the angle between the first housing 941 and the second housing 942 in the connection portion 946.

図18(F)は普通自動車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954等を有する。 FIG. 18F illustrates an ordinary automobile, which includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.

(実施の形態10)
上記の実施の形態で説明した記憶装置は、様々なプロセッサ(例えば、CPU、マイクロコントローラ、FPGAなどのプログラマブルデバイス、RFタグ)のキャッシュメモリ、メインメモリ、ストレージに用いることができる。本実施の形態では、上記記憶装置を用いたRFタグの使用例について図19を用いながら説明する。RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図19(A)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図19(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図19(B)参照)、乗り物類(自転車等、図19(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図19(E)、図19(F)参照)等に設けて使用することができる。
(Embodiment 10)
The storage device described in the above embodiment can be used for cache memories, main memories, and storages of various processors (for example, programmable devices such as CPUs, microcontrollers, FPGAs, and RF tags). In this embodiment, an example of use of an RF tag using the above storage device will be described with reference to FIGS. Applications of RF tags are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident card, etc., see FIG. 19A), packaging containers (wrapping paper and Bottle, etc., see FIG. 19C), recording medium (DVD, video tape, etc., see FIG. 19B), vehicles (bicycle, etc., see FIG. 19D), personal items (such as bags and glasses) , Articles such as foods, plants, animals, human bodies, clothing, daily necessities, medical products including drugs and drugs, or electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, television devices, or mobile phones), Alternatively, it can be used by being provided on a tag attached to each article (see FIGS. 19E and 19F) or the like.

本発明の一態様に係るRFタグ4000は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFタグ4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るRFタグ4000を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るRFタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFタグを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。 The RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention is fixed to an article by being attached to the surface or embedded. For example, a book is embedded in paper, and a package made of an organic resin is embedded in the organic resin and fixed to each article. The RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention achieves small size, thinness, and light weight, and thus does not impair the design of the article itself even after being fixed to the article. In addition, by providing the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention to bills, coins, securities, bearer bonds, or certificates, etc., an authentication function can be provided. Counterfeiting can be prevented. In addition, by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention to packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, electronic devices, etc., the efficiency of a system such as an inspection system can be improved. You can plan. Even in the case of vehicles, the security against theft or the like can be improved by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention.

以上のように、本発明の一態様に係わるRFタグを本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。 As described above, by using the RF tag according to one embodiment of the present invention for each application described in this embodiment, operating power including writing and reading of information can be reduced, so the maximum communication distance can be increased. Is possible. In addition, since the information can be held for a very long period even when the power is cut off, it can be suitably used for applications where the frequency of writing and reading is low.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

本実施例では、昇温脱離分析(TDS分析)により、酸化ルテニウムに含まれる酸素の脱離に関して調査した結果について説明する。 In this example, the results of investigation on desorption of oxygen contained in ruthenium oxide by temperature programmed desorption analysis (TDS analysis) will be described.

昇温脱離分析とは、高真空で試料を赤外線加熱しながら放出されるガス分子を質量分析することにより、温度毎に試料からの脱離成分の質量スペクトルを得るものである。測定装置のバックグラウンド真空度は、1.33×10−7Pa(10−9Torr)であるため、極微量成分についての分析が可能である。本実施例では、ESCO社のEMD−WA1000Sを使用した。 Thermal desorption analysis is to obtain a mass spectrum of desorbed components from a sample for each temperature by mass analysis of gas molecules emitted while heating the sample with infrared in high vacuum. Since the background vacuum degree of the measuring apparatus is 1.33 × 10 −7 Pa (10 −9 Torr), it is possible to analyze a trace amount component. In this example, EMD-WA1000S manufactured by ESCO was used.

また、TDS分析の結果を示す曲線におけるピークは、分析した試料に含まれる原子または分子が外部に放出されることで現れるピークである。なお、外部に放出される原子または分子の総量は、当該ピークの積分値に相当する。それゆえ、当該ピーク強度の高低によって、酸化ルテニウム膜に含まれる原子または分子の総量を評価することができる。 Moreover, the peak in the curve showing the result of the TDS analysis is a peak that appears when atoms or molecules contained in the analyzed sample are released to the outside. Note that the total amount of atoms or molecules released to the outside corresponds to the integrated value of the peak. Therefore, the total amount of atoms or molecules contained in the ruthenium oxide film can be evaluated based on the level of the peak intensity.

本実施例では、シリコンウェハ上に、スパッタリング法を用いて酸化ルテニウム膜を成膜した。酸化ルテニウムの成膜条件は、酸素流量を20sccm、処理室内の圧力を0.4Pa、100W(DC)、ターゲット−基板間距離を60mm、基板温度を150℃とした。なお、酸化ルテニウムの膜厚を、10nm、30nm、50nm、100nm、200nmの5条件とした。ここで、膜厚が10nmの酸化ルテニウムを試料Aとし、30nmの酸化ルテニウムを試料Bとし、50nmの酸化ルテニウムを試料Cとし、100nmの酸化ルテニウムを試料Dとし、200nmの酸化ルテニウムを試料Eとする。 In this example, a ruthenium oxide film was formed on a silicon wafer by a sputtering method. The ruthenium oxide film formation conditions were an oxygen flow rate of 20 sccm, a pressure in the processing chamber of 0.4 Pa, 100 W (DC), a target-substrate distance of 60 mm, and a substrate temperature of 150 ° C. The film thickness of ruthenium oxide was set to five conditions of 10 nm, 30 nm, 50 nm, 100 nm, and 200 nm. Here, ruthenium oxide having a thickness of 10 nm is sample A, 30 nm ruthenium oxide is sample B, 50 nm ruthenium oxide is sample C, 100 nm ruthenium oxide is sample D, and 200 nm ruthenium oxide is sample E. To do.

次に、試料A乃至試料Eに対して、TDS分析を行った結果を、図20に示す。図20は、基板温度に対する酸素分子放出量を示したグラフである。 Next, the results of TDS analysis performed on Sample A to Sample E are shown in FIG. FIG. 20 is a graph showing the amount of released oxygen molecules with respect to the substrate temperature.

図20に示すTDS分析結果より、酸化ルテニウムが10nmの場合であっても、酸素分子の放出が確認された。また、酸化ルテニウムの膜厚が増加するにつれ、酸素分子の放出量が増加することが確認された。 From the TDS analysis results shown in FIG. 20, even when the ruthenium oxide was 10 nm, the release of oxygen molecules was confirmed. It was also confirmed that the amount of released oxygen molecules increased as the ruthenium oxide film thickness increased.

以上の結果から、酸化ルテニウムは、加熱によって、酸素を脱離させることが可能な膜であることが確認された。 From the above results, it was confirmed that ruthenium oxide is a film capable of desorbing oxygen by heating.

本実施例では、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用い、加熱処理による酸化シリコン膜中の酸素の挙動を説明する。 In this example, the behavior of oxygen in a silicon oxide film by heat treatment is described using secondary ion mass spectrometry (SIMS).

SIMSは、アルバック・ファイ株式会社製四重極型二次イオン質量分析装置PHI ADEPT1010を用いた。 For SIMS, a quadrupole secondary ion mass spectrometer PHI ADEPT1010 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used.

以下に試料の作製方法を示す。 A method for manufacturing the sample is described below.

まず、石英基板を準備し、石英基板上に18を用いて酸化シリコン膜を成膜した。なお、当該酸化シリコン膜は、スパッタリング法により成膜した。具体的には、酸化シリコンターゲットを用い、アルゴンを25sccmおよび酸素(18)を25sccm含む雰囲気において、圧力を0.4Paに制御し、成膜時の基板加熱温度を100℃、成膜電力を1.5kW(13.56MHz)として300nmの厚さで成膜した。 First, a quartz substrate was prepared, and a silicon oxide film was formed on the quartz substrate using 18 O 2 . Note that the silicon oxide film was formed by a sputtering method. Specifically, using a silicon oxide target, in an atmosphere containing 25 sccm of argon and 25 sccm of oxygen ( 18 O 2 ), the pressure is controlled to 0.4 Pa, the substrate heating temperature during film formation is 100 ° C., and the film formation power Was formed to a thickness of 300 nm at 1.5 kW (13.56 MHz).

ここで、18とは、原子量が18である酸素原子の同位体(18O)からなる酸素分子のことをいう。 Here, 18 O 2 refers to an oxygen molecule composed of an isotope of oxygen atom ( 18 O) having an atomic weight of 18.

次に、18を用いた酸化シリコン膜上に酸化シリコン膜を成膜した。なお、当該酸化シリコン膜は、スパッタリング法により成膜した。具体的には、酸化シリコンターゲットを用い、アルゴンを25sccmおよび酸素を25sccm含む雰囲気において、圧力を0.4Paに制御し、成膜時の基板加熱温度を100℃、成膜電力を1.5kW(13.56MHz)として100nmの厚さで成膜した。当該酸化シリコン膜は、意図的に18Oを含ませていない。 Next, a silicon oxide film was formed over the silicon oxide film using 18 O 2 . Note that the silicon oxide film was formed by a sputtering method. Specifically, using a silicon oxide target, in an atmosphere containing 25 sccm of argon and 25 sccm of oxygen, the pressure is controlled to 0.4 Pa, the substrate heating temperature during film formation is 100 ° C., and the film formation power is 1.5 kW ( The film was formed with a thickness of 100 nm. The silicon oxide film does not intentionally contain 18 O.

以上のようにして作製した試料に対し、窒素雰囲気において、150℃、250℃、350℃および550℃の温度で1時間の加熱処理を行った。また、特に加熱処理を行っていない試料も用意した(as−depoと呼ぶ。)。 The sample manufactured as described above was subjected to heat treatment at 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C., and 550 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. In addition, a sample not particularly subjected to heat treatment was also prepared (referred to as as-depo).

図21は、SIMSによる18Oの深さ方向分析結果である。図21中に示す、as−depo、150℃、250℃、350℃および550℃の表示は、それぞれ加熱処理の条件に対応する。また、図21中に示した破線より右側が、18を用いて成膜した酸化シリコン膜(酸化シリコン(18)と表記)を示す。 FIG. 21 shows the analysis result of the depth direction of 18 O by SIMS. The indications of as-depo, 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C., and 550 ° C. shown in FIG. 21 correspond to the heat treatment conditions. Also, the right side of the broken line shown in FIG. 21, showing a film forming the silicon oxide film (silicon oxide (18 O 2) hereinafter) using a 18 O 2.

図21より、加熱処理を行うことで、18を用いて成膜した酸化シリコン膜から酸化シリコン膜へ18Oが拡散していくことがわかった。また、加熱処理の温度が高いほど、18を用いて成膜した酸化シリコン膜から酸化シリコン膜へ18Oが拡散していく量が多いことがわかった。 FIG. 21 shows that 18 O diffuses from the silicon oxide film formed using 18 O 2 into the silicon oxide film by performing heat treatment. Further, as the temperature of the heat treatment is high, 18 O 18 O 2 of a silicon oxide film formed using the silicon oxide film was found to often amounts diffuses.

以上より、150℃程度の加熱処理においても、酸化シリコン膜中で酸素が40nm程度拡散することがわかった。 From the above, it was found that oxygen was diffused by about 40 nm in the silicon oxide film even in the heat treatment at about 150 ° C.

本実施例より、加熱処理により酸化シリコン膜中を酸素が拡散することがわかる。 This example shows that oxygen diffuses in the silicon oxide film by heat treatment.

100 トランジスタ
101 配線
102 ゲート電極
103 ソース電極
104 酸化物半導体
105 ドレイン電極
106 ゲート絶縁膜
107 保護絶縁膜
108 層間絶縁膜
109 基板
110 トランジスタ
112 ゲート電極
112a 導電膜
112b 導電膜
202 導電膜
203 導電膜
204 酸化物半導体
205 導電膜
410 トランジスタ
420 トランジスタ
430 トランジスタ
440 トランジスタ
441 絶縁膜
500 記憶装置
510 コンタクト
511 プラグ
512 キャパシタ電極
513 キャパシタ電極
514 キャパシタ絶縁体
520 記憶素子
530 トランジスタ
532 ゲート電極
532a 導電膜
532b 導電膜
533 ソース電極
535 ドレイン電極
536 ゲート絶縁膜
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 ゲート配線
713 ゲート配線
714 ドレイン電極
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
2200 トランジスタ
2201 素子分離層
2202 プラグ
2205 プラグ
2207 絶縁層
2208 配線
2210 配線
2211 半導体基板
2212 絶縁層
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁膜
2215 ドレイン領域
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
100 transistor 101 wiring 102 gate electrode 103 source electrode 104 oxide semiconductor 105 drain electrode 106 gate insulating film 107 protective insulating film 108 interlayer insulating film 109 substrate 110 transistor 112 gate electrode 112a conductive film 112b conductive film 202 conductive film 203 conductive film 204 oxide Physical semiconductor 205 conductive film 410 transistor 420 transistor 430 transistor 440 transistor 441 insulating film 500 storage device 510 contact 511 plug 512 capacitor electrode 513 capacitor electrode 514 capacitor insulator 520 storage element 530 transistor 532 gate electrode 532a conductive film 532b conductive film 533 source electrode 535 Drain electrode 536 Gate insulating film 700 Substrate 701 Pixel portion 702 Scan line driver circuit 703 Run Line driver circuit 704 Signal line driver circuit 710 Capacitor wiring 712 Gate wiring 713 Gate wiring 714 Drain electrode 716 Transistor 717 Transistor 718 Liquid crystal element 719 Liquid crystal element 720 Pixel 721 Switching transistor 722 Driving transistor 723 Capacitance element 724 Light emitting element 725 Signal line 726 Scan line 727 Power line 728 Common electrode 901 Case 902 Case 903 Display unit 904 Display unit 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 911 Case 912 Case 913 Display unit 914 Display unit 915 Connection unit 916 Operation key 921 Case 922 Display portion 923 Keyboard 924 Pointing device 931 Case 932 Refrigeration room door 933 Freezer compartment door 941 Case 942 Case 943 Display portion 944 Operation keys 45 Lens 946 Connection portion 951 Car body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 2200 Transistor 2201 Element isolation layer 2202 Plug 2205 Plug 2207 Insulating layer 2208 Wiring 2210 Wiring 2211 Semiconductor substrate 2212 Insulating layer 2213 Gate electrode 2214 Gate insulating film 2215 Drain region 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3200 Transistor 3300 Transistor 3400 Capacitance element

Claims (8)

酸化物半導体と、
前記酸化物半導体の下面に接する第1の電極と、
前記酸化物半導体の上面に接する第2の電極と、
前記酸化物半導体の側面と面する、少なくとも第1の層および第2の層を含むゲート電極と、
前記酸化物半導体と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁膜と、を有し、
前記第1の電極は前記第2の電極と重なる領域を有し、前記ゲート電極の前記第1の層は、前記ゲート絶縁膜と接して設けられ、かつ前記ゲート電極の前記第2の層よりも酸素濃度が低いことを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor;
A first electrode in contact with the lower surface of the oxide semiconductor;
A second electrode in contact with the top surface of the oxide semiconductor;
A gate electrode including at least a first layer and a second layer facing a side surface of the oxide semiconductor;
A gate insulating film provided between the oxide semiconductor and the gate electrode,
The first electrode has a region overlapping with the second electrode, the first layer of the gate electrode is provided in contact with the gate insulating film, and more than the second layer of the gate electrode A semiconductor device characterized by low oxygen concentration.
請求項1において、
前記ゲート電極の前記第1の層は、前記ゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質を含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first layer of the gate electrode includes a substance having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the gate insulating film.
請求項1または請求項2において、
前記ゲート電極の前記第1の層および前記第2の層が、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれた一種以上を含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The semiconductor device, wherein the first layer and the second layer of the gate electrode contain one or more selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum and gold.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記ゲート絶縁膜が酸素透過性を有することを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
A semiconductor device, wherein the gate insulating film has oxygen permeability.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
少なくとも前記ゲート電極の側面と接して、前記ゲート電極よりも酸素透過性の低い絶縁膜が設けられることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
An insulating film having an oxygen permeability lower than that of the gate electrode is provided in contact with at least a side surface of the gate electrode.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記ゲート電極が、前記酸化物半導体の全ての側面と面することを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The semiconductor device, wherein the gate electrode faces all side surfaces of the oxide semiconductor.
請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記第1の電極の側面と、前記ゲート電極が面していることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
A semiconductor device, wherein a side surface of the first electrode faces the gate electrode.
第1の電極上に、酸化物半導体および前記酸化物半導体上の第2の電極を形成し、前記第1の電極、前記酸化物半導体および前記第2の電極と接するようにゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜を介して前記酸化物半導体の側面と面し、少なくとも酸化物層を含むゲート電極を形成した後、加熱処理を行うことで、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極から前記酸化物半導体へ酸素を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。 An oxide semiconductor and a second electrode on the oxide semiconductor are formed over the first electrode, and a gate insulating film is formed so as to be in contact with the first electrode, the oxide semiconductor, and the second electrode Then, after forming a gate electrode including at least an oxide layer, facing the side surface of the oxide semiconductor through the gate insulating film, heat treatment is performed so that the gate electrode is separated from the gate electrode through the gate insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein oxygen is supplied to the oxide semiconductor.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9698272B1 (en) 2016-03-16 2017-07-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Transistor and semiconductor memory device
JP2017168622A (en) * 2016-03-16 2017-09-21 東芝メモリ株式会社 Semiconductor memory device
US10319786B2 (en) 2017-09-19 2019-06-11 Toshiba Memory Corporation Memory device
JP2019134077A (en) * 2018-01-31 2019-08-08 東芝メモリ株式会社 Transistor, semiconductor memory device, and transistor manufacturing method
US10790396B2 (en) 2018-03-21 2020-09-29 Toshiba Memory Corporation Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2022118178A (en) * 2017-06-16 2022-08-12 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9698272B1 (en) 2016-03-16 2017-07-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Transistor and semiconductor memory device
JP2017168623A (en) * 2016-03-16 2017-09-21 株式会社東芝 Transistor and semiconductor storage device
JP2017168622A (en) * 2016-03-16 2017-09-21 東芝メモリ株式会社 Semiconductor memory device
JP2022118178A (en) * 2017-06-16 2022-08-12 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
US11943929B2 (en) 2017-06-16 2024-03-26 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
US10319786B2 (en) 2017-09-19 2019-06-11 Toshiba Memory Corporation Memory device
JP2019134077A (en) * 2018-01-31 2019-08-08 東芝メモリ株式会社 Transistor, semiconductor memory device, and transistor manufacturing method
JP7109928B2 (en) 2018-01-31 2022-08-01 キオクシア株式会社 TRANSISTOR, SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE, AND TRANSISTOR MANUFACTURING METHOD
US10790396B2 (en) 2018-03-21 2020-09-29 Toshiba Memory Corporation Semiconductor device and method for manufacturing the same

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