JP2016066776A - Semiconductor film, semiconductor device, display device, module and electronic equipment - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable provision of excellent electrical characteristics to a semiconductor device.SOLUTION: Plural electron diffraction patterns are observed by irradiating an oxide semiconductor film forming target face with an electron beam for which the half-value width of a probe diameter is set to 1 nm while the position of the film and the position of the electron beam are relatively moved. The plural electron diffraction patterns have 50 or more electron diffraction patterns observed at different places. The total of the occupancy ratio of first electron diffraction patterns to the 50 or more electron diffraction patterns and the occupancy ratio of second electron diffraction patterns to the 50 or more electron diffraction patterns is equal to 100%. The occupational rate of the first electron diffraction patterns is equal to 50% or more. The first electron diffraction pattern has observation points having no symmetry or plural observation points which are arranged as if a circle is drawn. The second electron diffraction pattern is an oxide semiconductor film having observation points located at the apexes of a hexagonal shape.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、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、または、それらの製造方法に関する。   The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, 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.

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。トランジスタ、半導体回路は、半導体装置の一態様である。また、演算装置、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。   Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. An arithmetic device, a storage device, an imaging device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like) and an electronic device may include a semiconductor device.

インジウムや、亜鉛を有する酸化物についての物性は興味深く、多く研究されている(非特許文献1、非特許文献2)。非特許文献1では、In1−xGa1+x(ZnO)(xは−1≦x≦1を満たす数、mは自然数)で表されるホモロガス相が存在することが述べられている。また、ホモロガス相の固溶域(solid solution range)について述べられている。例えば、In、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、m=1の場合のホモロガス相の固溶域は、xが−0.33から0.08の記載があり、m=2の場合のホモロガス相の固溶域は、xが−0.68から0.32の記載がある。 The physical properties of indium and zinc-containing oxides are interesting and extensively studied (Non-patent Documents 1 and 2). Non-Patent Document 1 states that a homologous phase represented by In 1-x Ga 1 + x O 3 (ZnO) m (x is a number satisfying −1 ≦ x ≦ 1 and m is a natural number) exists. . It also describes the solid solution range of the homologous phase. For example, when powders of In 2 O 3 , Ga 2 O 3 and ZnO are mixed and fired at 1350 ° C., the solid solution region of the homologous phase when m = 1 is such that x is from −0.33 to 0. .08, and the solid solution region of the homologous phase in the case of m = 2 has a description of x from −0.68 to 0.32.

また、スピネル型の結晶構造を有する化合物として、AB(A及びBは金属)で表される化合物が知られている。また非特許文献1ではInZnGaの例が示されており、x,y及びzがZnGa近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y,z)=(0,1,2)に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすいことが記載されている。 As a compound having a spinel crystal structure, a compound represented by AB 2 O 4 (A and B are metals) is known. Non-Patent Document 1 shows an example of In x Zn y Ga z O w , where x, y and z are compositions in the vicinity of ZnGa 2 O 4 , that is, x, y and z are (x, y, z). == (0, 1, 2), it is described that a spinel crystal structure is easily formed or mixed.

また、半導体材料を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体材料としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。   Further, a technique for forming a transistor using a semiconductor material has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (also simply referred to as a display device). A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor material applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはIn−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。   For example, a technique for manufacturing a transistor using zinc oxide or an In—Ga—Zn-based oxide semiconductor as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Documents 1 and 2).

また、近年では電子機器の高性能化、小型化、または軽量化に伴い、微細化されたトランジスタなどの半導体素子を高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。   In recent years, with the increase in performance, size, and weight of electronic devices, there is an increasing demand for integrated circuits in which semiconductor elements such as miniaturized transistors are integrated at high density.

特開2007−123861号公報JP 2007-123861 A 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A

M. Nakamura, N. Kimizuka, and T. Mohri,「The Phase Relations in the In2O3−Ga2ZnO4−ZnO System at 1350℃」,J. Solid State Chem.、1991、Vol.93, pp.298−315M.M. Nakamura, N .; Kimizuka, and T.K. Mohri, “The Phase Relations in the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350 ° C.”, J. Mohr. Solid State Chem. 1991, Vol. 93, pp. 298-315 M. Nespolo, A. Sato, T. Osawa, and H. Ohashi,「Synthesis, Crystal Structure and Charge Distribution of InGaZnO4. X−ray Diffraction Study of 20kb Single Crystal and 50kb Twin by Reticular Merohedry」Cryst. Res. Technol.,2000 Vol.35, pp151−165M.M. Nespolo, A.M. Sato, T .; Osawa, and H.H. Ohashi, “Synthesis, Crystal Structure and Charge Distribution of InGaZnO4. X-ray Diffraction Study of 20 kb Single Crystal and 50 kb Mw. Res. Technol. , 2000 Vol. 35, pp151-165

本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。   An object of one embodiment of the present invention is to impart favorable electrical characteristics to a semiconductor device.

または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。   Another object is to provide a highly reliable semiconductor device.

または、特性のばらつきの少ない良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、保持特性の良好な記憶素子を有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、微細化に適した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、回路面積を縮小した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導体装置を提供することを課題の一とする。   Another object is to provide a favorable transistor with little variation in characteristics. Another object is to provide a semiconductor device including a memory element with favorable retention characteristics. Another object is to provide a semiconductor device suitable for miniaturization. Another object is to provide a semiconductor device with a reduced circuit area. Another object is to provide a semiconductor device with a novel structure.

なお、これらの課題の記載は、他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を解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、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、これら以外の課題を抽出することが可能である。   Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの少なくとも一つ選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標ないし第6の座標を含み、第7の座標および第8の座標を含まず、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用いて、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合において、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸化物半導体膜である。   One embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, and the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. The ratio of the number of atoms of indium, element M, and zinc satisfies indium: element M: zinc = x: y: z, and x, y, and z are in equilibrium with three elements of indium, element M, and zinc as vertices. In the state diagram, the first coordinates (x: y: z = 8: 14: 7), the second coordinates (x: y: z = 2: 4: 3), and the third coordinates (x: y : Z = 2: 5: 7), the fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300), the fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833), 6 coordinates (x: y: z = 0: 2: 11), seventh coordinates (x: y: z = 0: 0: 1), and eighth coordinates ( : Y: z = 1: 0: 0) and the first coordinate in the range of the number of atoms in a range obtained by connecting the first coordinate by a line segment in order, the range is the first coordinate to the sixth coordinate The position of the oxide semiconductor film with respect to the surface on which the oxide semiconductor film is formed using an electron beam that includes coordinates, does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate, and the probe diameter half-value width is 1 nm. When the plurality of electron diffraction patterns are observed by irradiating the electron beam while relatively moving the position of the electron beam and the position of the electron beam, the plurality of electron diffraction patterns are 50 or more observed at different locations. The sum of the ratio of having the first electron diffraction pattern and the ratio of having the second electron diffraction pattern among the 50 or more electron diffraction patterns is 100%, and the first electron A diffraction pattern is a non-symmetrical observation point or circle. A plurality of observation points arranged so as to form a second electron diffraction pattern is an oxide semiconductor film having an observation point located on the hexagonal vertices.

または、本発明の一態様は、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用いて、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合において、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1の電子回折パターンを有する割合は50%以上であり、第1の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸化物半導体膜である。   Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam are relatively set with respect to the formation surface of the oxide semiconductor film by using an electron beam having a probe diameter half-width of 1 nm. In the case where a plurality of electron diffraction patterns are observed by irradiating an electron beam while moving the plurality of electron diffraction patterns, the plurality of electron diffraction patterns have 50 or more electron diffraction patterns observed at different locations. Of the plurality of electron diffraction patterns, the sum of the ratio having the first electron diffraction pattern and the ratio having the second electron diffraction pattern is 100%, and the ratio having the first electron diffraction pattern is 50%. The first electron diffraction pattern has observation points that do not have symmetry, or a plurality of observation points arranged so as to draw a circle, and the second electron diffraction pattern has a hexagonal apex. Located in An oxide semiconductor film having a survey point.

または、本発明の一態様は、In:M(Al、Ga、Y、またはSn):Zn=x:y:zの原子数比で表される酸化物半導体膜であって、座標x:y:z=1:0:0と、座標x:y:z=0:1:0と、座標x:y:z=0:0:1と、を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内にあり、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置とプローブ径の半値幅が1nmである電子線の位置とを相対的に移動させることにより、異なる箇所で50個以上の電子回折パターンを観測し、50個以上の電子回折パターンは、少なくとも非対称に配置された複数のスポットを有する電子回折パターンと、円を描くように配置された複数のスポットを有する電子回折パターンと、六角形の頂点に配置されたスポットを有する電子回折パターンと、のいずれかであり、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第7の座標および第8の座標を含まないことを特徴とする酸化物半導体膜である。   Another embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film represented by an atomic ratio of In: M (Al, Ga, Y, or Sn): Zn = x: y: z, in which the coordinates x: y : Z = 1: 0: 0, coordinates x: y: z = 0: 1: 0, and coordinates x: y: z = 0: 0: 1 are the top of the equilibrium state diagram. Coordinates (x: y: z = 8: 14: 7), second coordinates (x: y: z = 2: 4: 3), and third coordinates (x: y: z = 2: 5: 7), the fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300), the fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833), and the sixth coordinate (x: y : Z = 0: 2: 11), the seventh coordinate (x: y: z = 0: 0: 1), the eighth coordinate (x: y: z = 1: 0: 0), In the range where the first coordinate and the line segment are connected in order, the formation of the oxide semiconductor film On the other hand, 50 or more electron diffraction patterns are observed at different locations by relatively moving the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam whose half width of the probe diameter is 1 nm. The above-mentioned electron diffraction pattern includes an electron diffraction pattern having a plurality of spots arranged at least asymmetrically, an electron diffraction pattern having a plurality of spots arranged in a circle, and a spot arranged at the apex of the hexagon. And the range includes the first coordinate to the sixth coordinate and does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate. is there.

また上記構成において、酸化物半導体膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標を、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第7の座標および第8の座標を含まないことが好ましい。   In the above structure, the oxide semiconductor film includes indium, an element M, and zinc. The element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. The ratio of the number of atoms of the element M and zinc satisfies indium: element M: zinc = x: y: z, and x, y, and z are equilibrium diagrams with the three elements of indium, element M, and zinc as vertices. , The first coordinates (x: y: z = 8: 14: 7), the second coordinates (x: y: z = 2: 4: 3), and the third coordinates (x: y: z) = 2: 5: 7), the fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300), the fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833), the sixth coordinate Coordinates (x: y: z = 0: 2: 11), seventh coordinates (x: y: z = 0: 0: 1), and eighth coordinates ( : Y: z = 1: 0: 0) and the ratio of the number of atoms in the range in which the first coordinates are connected by line segments in order, the ranges are the first to sixth coordinates It is preferable that the seventh coordinate and the eighth coordinate are not included.

または、本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下である酸化物半導体膜である。   Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, and the oxide semiconductor film includes a plurality of crystal parts arranged at random and includes a plurality of crystals. The average diameter in the longitudinal direction of the part is an oxide semiconductor film which is 1 nm or more and 3 nm or less.

または、本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標を、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第7の座標および第8の座標を含まず、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の90%以上である酸化物半導体膜である。   Another embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, and the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. The ratio of the number of atoms of indium, element M, and zinc satisfies indium: element M: zinc = x: y: z, and x, y, and z have three elements of indium, element M, and zinc as vertices. In the equilibrium diagram, the first coordinate (x: y: z = 8: 14: 7), the second coordinate (x: y: z = 2: 4: 3), and the third coordinate (x : Y: z = 2: 5: 7), the fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300), and the fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833) , The sixth coordinate (x: y: z = 0: 2: 11), the seventh coordinate (x: y: z = 0: 0: 1), (X: y: z = 1: 0: 0) and the ratio of the number of atoms in a range obtained by connecting the first coordinates in order by a line segment. The oxide semiconductor film includes the sixth coordinate, does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate, and the density of the oxide semiconductor film is 90% or more of the density of the single crystal having the same atomic ratio. .

または、本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の1nm以上3nm以下の結晶を有し、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の90%以上である酸化物半導体膜である。   Another embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, and the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. The oxide semiconductor film has a plurality of crystal parts arranged at random, and the plurality of crystal parts have no orientation, and a crystal having a diameter in the longitudinal direction of the plurality of crystal parts of 1 nm to 3 nm. The density of the oxide semiconductor film is 90% or more of the density of single crystals having the same atomic ratio.

または、本発明の一態様は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下であり、酸化物半導体膜の密度は、5.7g/cm以上6.49g/cm以下である酸化物半導体膜である。また上記構成において、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の90%以上であることが好ましい。 Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, gallium, and zinc, and the oxide semiconductor film includes a plurality of crystal parts, and the plurality of crystal parts have orientation. the no, the average longitudinal diameter of the plurality of crystal parts is at 1nm or more 3nm or less, the density of the oxide semiconductor film is 5.7 g / cm 3 or more 6.49 g / cm 3 or less oxide A semiconductor film. In the above structure, the density of the oxide semiconductor film is preferably 90% or more of the density of single crystals having the same atomic ratio.

または、本発明の一態様は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の平均A[nm]は、1nm以上3nm以下であり、電子ビームエネルギーが1×10[e/nm]以上4×10[e/nm]未満に照射された後の、結晶部の長手方向の径の平均B[nm]は、A×0.7より大きく、A×1.3より小さい酸化物半導体膜である。 Alternatively, an embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, gallium, and zinc, and the oxide semiconductor film includes a plurality of crystal parts arranged at random, and the plurality of crystal parts Has no orientation, the average A [nm] of the longitudinal diameters of the plurality of crystal parts is 1 nm or more and 3 nm or less, and the electron beam energy is 1 × 10 7 [e / nm 2 ] or more and 4 The average B [nm] of the diameter in the longitudinal direction of the crystal part after irradiation with less than × 10 8 [e / nm 2 ] is an oxide larger than A × 0.7 and smaller than A × 1.3 It is a semiconductor film.

また上記構成において、酸化物半導体膜は、スパッタリング法により形成され、スパッタリング法に用いられるターゲットはインジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、ターゲットが有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比は、インジウム:元素M:亜鉛=a:b:cを満たし、a、b、及びcは、インジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(a:b:c=8:14:7)と、第2の座標(a:b:c=2:4:3)と、第3の座標(a:b:c=1:2:5.1)と、第4の座標(a:b:c=1:0:1.7)と、第5の座標(a:b:c=8:0:1)と、第6の座標(a:b:c=6:2:1)と、前記第1の座標と、を、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含むことが好ましい。   In the above structure, the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, and a target used for the sputtering method includes indium, an element M, and zinc. The target includes indium, the element M, and zinc atoms. The number ratio satisfies indium: element M: zinc = a: b: c, and a, b, and c are the first coordinates in the equilibrium diagram with the three elements of indium, element M, and zinc as vertices. (A: b: c = 8: 14: 7), second coordinates (a: b: c = 2: 4: 3), and third coordinates (a: b: c = 1: 2: 5) .1), the fourth coordinate (a: b: c = 1: 0: 1.7), the fifth coordinate (a: b: c = 8: 0: 1), and the sixth coordinate ( a: b: c = 6: 2: 1) and the first coordinate, and the ratio of the number of atoms in a range in which the first coordinates are connected by a line segment in order, Preferably includes a first coordinate to sixth coordinates.

または、本発明の一態様は、上記に記載の酸化物半導体膜を有する半導体装置である。また上記構成において、第1の導電層と、第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面に接する一対の電極と、を有し、酸化物半導体膜は、第1の絶縁膜の上面に接する領域を有することが好ましい。また上記構成において、第1の導電層と、第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面に接する第2の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面及び第2の絶縁膜の上面及び側面に接する一対の電極とを有し、酸化物半導体膜は、第1の絶縁膜の上面に接する領域を有することが好ましい。また上記構成において、酸化物半導体膜の上面と接する第2の酸化物膜を有することが好ましい。また上記構成において、酸化物半導体膜が有する酸化物の電子親和力は、第2の酸化物膜が有する酸化物の電子親和力よりも大きいことが好ましい。また上記構成において、第2の酸化物膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、第2の酸化物膜が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zで表され、(x:y:z)は、インジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(8:14:7)と、第2の座標(2:4:3)と、第3の座標(2:5:7)と、第4の座標(51:149:300)と、第5の座標(1:4:10)と、第6の座標(1:1:4)と、第7の座標(2:2:1)と、前記第1の座標と、を、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第7の座標を含むことが好ましい。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including the oxide semiconductor film described above. In the above structure, the oxide semiconductor includes a first conductive layer, a first insulating film in contact with an upper surface and a side surface of the first conductive layer, and a pair of electrodes in contact with the upper surface of the oxide semiconductor film. The film preferably has a region in contact with the upper surface of the first insulating film. In the above structure, the first conductive layer, the first insulating film in contact with the top surface and the side surface of the first conductive layer, the second insulating film in contact with the top surface of the oxide semiconductor film, and the oxide semiconductor film The oxide semiconductor film preferably includes a region in contact with the top surface of the first insulating film. The oxide semiconductor film preferably includes a pair of electrodes in contact with the top surface and the top surface and side surfaces of the second insulating film. In the above structure, it is preferable that the second oxide film be in contact with the top surface of the oxide semiconductor film. In the above structure, the oxide affinity of the oxide included in the oxide semiconductor film is preferably larger than the electron affinity of the oxide included in the second oxide film. In the above structure, the second oxide film includes indium, an element M, and zinc, and the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. The ratio of the number of atoms of indium, element M, and zinc included in the second oxide film is represented by indium: element M: zinc = x 2 : y 2 : z 2 (x 2 : y 2 : z 2 ) In the equilibrium diagram with the three elements of indium, element M and zinc as vertices, the first coordinate (8: 14: 7), the second coordinate (2: 4: 3), and the third Coordinates (2: 5: 7), fourth coordinates (51: 149: 300), fifth coordinates (1: 4: 10), sixth coordinates (1: 1: 4), The ratio of the number of atoms within a range in which the seventh coordinate (2: 2: 1) and the first coordinate are connected by a line segment in order. And, the range preferably includes a first coordinate to a seventh coordinate.

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置と、表示素子と、を有する表示装置である。   Another embodiment of the present invention is a display device including the above-described semiconductor device and a display element.

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置、または、上記に記載の表示装置と、FPCと、を有するモジュールである。   Another embodiment of the present invention is a module including the semiconductor device described above or the display device described above and an FPC.

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置、上記に記載の表示装置、または、上記に記載のモジュールと、マイクロフォン、スピーカー、または、操作キーと、を有する電子機器である。   Another embodiment of the present invention is an electronic device including the semiconductor device described above, the display device described above, or the module described above and a microphone, a speaker, or an operation key.

本発明の一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。また、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, favorable electrical characteristics can be imparted to a semiconductor device. In addition, a highly reliable semiconductor device can be provided.

また、ばらつきの少ないトランジスタを提供することができる。また、保持特性の良好な記憶素子を有する半導体装置を提供することができる。また、微細化に適した半導体装置を提供することができる。また、回路面積を縮小した半導体装置を提供することができる。また、新規な構成の半導体装置を提供することができる。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、必ずしも、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。   In addition, a transistor with little variation can be provided. In addition, a semiconductor device including a memory element with favorable retention characteristics can be provided. In addition, a semiconductor device suitable for miniaturization can be provided. In addition, a semiconductor device with a reduced circuit area can be provided. In addition, a semiconductor device having a novel structure can be provided. Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily 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.

本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。10A and 10B illustrate an atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。10A and 10B illustrate an atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention. 原子数比を説明する図。The figure explaining atomic number ratio. 本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。10A and 10B illustrate an atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るターゲットの原子数比を説明する図。FIG. 9 illustrates an atomic ratio of a target according to one embodiment of the present invention. 原子数比を説明する図。The figure explaining atomic number ratio. 酸化物半導体膜のナノビーム電子回折パターンを示す図、および透過電子回折測定装置の一例を示す図。The figure which shows the nano beam electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film, and the figure which shows an example of a transmission electron diffraction measuring apparatus. nc−OSのX線回折装置による解析結果を示す図。The figure which shows the analysis result by the X-ray-diffraction apparatus of nc-OS. nc−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS. InGaZnOの結晶を説明する図。4A and 4B illustrate a crystal of InGaZnO 4 . 本発明の一態様に係るトランジスタの一部のバンド構造を示す図。4A and 4B each illustrate a band structure of part of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. CAAC−OSおよびnc−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS and nc-OS. CAAC−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS. CAAC−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS. nc−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of nc-OS. nc−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of nc-OS. CAAC−OSおよびnc−OSのCs補正高分解能断面TEM像によって観測されたペレットサイズと、その頻度を示す図。The figure which shows the pellet size observed by the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS and nc-OS, and its frequency. ターゲットの原子数比と酸化物半導体膜の原子数比の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the atomic ratio of a target, and the atomic ratio of an oxide semiconductor film. nc−OSの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。The schematic diagram explaining the film-forming model of nc-OS, and the figure which shows a pellet. 成膜装置を説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a film formation apparatus. 表示装置を説明するブロック図及び回路図。10A and 10B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a display device. 実施の形態に係る、表示モジュールの図。The figure of the display module based on Embodiment. 実施の形態に係る、RFタグの構成例。The structural example of RF tag based on Embodiment. トランジスタの一例を示す図。FIG. 6 illustrates an example of a transistor. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor according to one embodiment of the present invention. 表示装置の一態様を示す上面図。FIG. 14 is a top view illustrating one embodiment of a display device. 表示装置の一態様を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a display device. 表示装置の一態様を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a display device. 実施の形態に係る、回路図。The circuit diagram based on Embodiment. 本発明の一態様に係る半導体装置の一例を示す図。FIG. 6 illustrates an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。10A to 10D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。10A to 10D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。10A to 10D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。10A to 10D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物半導体膜のXRD評価結果。4 shows an XRD evaluation result of an oxide semiconductor film according to one embodiment of the present invention. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。An electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のTDS分析結果。The TDS analysis result of an oxide semiconductor film. 電子線照射による結晶の変化を示す図。The figure which shows the change of the crystal | crystallization by electron beam irradiation. 実施の形態に係る、RFタグの使用例。The usage example of RF tag based on Embodiment. 実施の形態に係る、電子機器。An electronic device according to an embodiment. 酸化物半導体膜の膜密度を示す図。FIG. 9 shows the film density of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のエッチングレートを示す図。FIG. 9 shows an etching rate of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の脱離ガスの放出量を示す図。FIG. 9 shows the amount of released gas from an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の水素濃度を示す図。FIG. 11 shows hydrogen concentration of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の結晶サイズを示す図。FIG. 6 illustrates a crystal size of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の結晶サイズを示す図。FIG. 6 illustrates a crystal size of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。FIG. 9 shows CPM measurement results of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。FIG. 9 shows CPM measurement results of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。FIG. 9 shows CPM measurement results of an oxide semiconductor film. a−like OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction | amendment high-resolution cross-sectional TEM image of a-like OS. 酸化物半導体膜の水素濃度を示す図。FIG. 11 shows hydrogen concentration of an oxide semiconductor film.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、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は当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。   Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is 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 embodiments below.

なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な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、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。   Note that in structures of the invention 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 addition, in the case where the same function is indicated, the hatch pattern is the same, and there is a case where no reference numeral is given.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、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。   Note that in each drawing described in this specification, the size, the layer thickness, or the region of each component is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

なお、本明細書等における「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すものであり、数的に限定するものではない。   In the present specification and the like, ordinal numbers such as “first” and “second” are used for avoiding confusion between components, and are not limited numerically.

また、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。従って、−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。従って、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。   Further, in this specification, “parallel” means 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.

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を含む。   A transistor is a kind of semiconductor element, and can realize amplification of current and voltage, switching operation for controlling conduction or non-conduction, and the like. The transistor in this specification includes an IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) and a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor).

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の一例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

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大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。   An oxide semiconductor film is roughly classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or the like.

単結晶は、例えば約1000℃以上の高い温度において焼成することで形成できる場合がある。よって、産業上の観点では、より低い温度で形成できる非単結晶酸化物半導体膜を用いることにより、半導体装置をより安価に作製できるため好ましいといえる。   The single crystal may be formed by firing at a high temperature of about 1000 ° C. or higher, for example. Therefore, from an industrial viewpoint, it is preferable to use a non-single-crystal oxide semiconductor film that can be formed at a lower temperature because a semiconductor device can be manufactured at lower cost.

酸化物半導体膜の粒界は、少ないほど好ましい。粒界を少なくすることにより、例えばキャリア移動度を高めることができる。粒界の少ない酸化物半導体膜を用いてトランジスタを作製することにより、例えば電界効果移動度の高いトランジスタを実現することができる場合がある。後に詳細を述べるが、粒界の少ない非単結晶酸化物半導体膜として、例えばnc−OS膜やCAAC−OS膜が挙げられる。   The fewer the grain boundaries of the oxide semiconductor film, the better. By reducing the grain boundaries, for example, carrier mobility can be increased. When a transistor is formed using an oxide semiconductor film with few grain boundaries, for example, a transistor with high field-effect mobility may be realized. Although described in detail later, examples of the non-single-crystal oxide semiconductor film with few grain boundaries include an nc-OS film and a CAAC-OS film.

一方、酸化物半導体膜は、スピネル構造の結晶を有する場合がある。スピネル構造の結晶がCAAC−OS膜やnc−OS膜に混在することにより、明確な境界部(または粒界)を形成する場合がある。境界部では例えばキャリアの散乱が増大し、キャリアの移動度が低下する場合がある。また、境界部は不純物の移動経路になりやすく、また不純物を捕獲しやすいと考えられるため、酸化物半導体膜の不純物濃度が高まる懸念がある。また、酸化物半導体膜上に導電膜を形成する場合に、導電膜の有する元素、例えば金属等がスピネルと他の領域の境界部に拡散してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜には、スピネル型の結晶構造が含まれない、または少ないことがより好ましい。   On the other hand, the oxide semiconductor film may have a spinel crystal. In some cases, a spinel structure crystal is mixed in the CAAC-OS film or the nc-OS film, so that a clear boundary (or grain boundary) is formed. In the boundary portion, for example, carrier scattering may increase and carrier mobility may decrease. In addition, since the boundary portion is likely to be an impurity migration path and is likely to trap the impurity, there is a concern that the impurity concentration of the oxide semiconductor film is increased. In the case where a conductive film is formed over the oxide semiconductor film, an element included in the conductive film, such as metal, may diffuse into the boundary portion between the spinel and another region. Therefore, it is more preferable that the oxide semiconductor film does not contain or contain a spinel crystal structure.

ここで酸化物半導体は、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。酸化物半導体がインジウムを含むと、例えばキャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物半導体は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。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。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体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、酸化物半導体は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。ここで、インジウム、元素M及び亜鉛を含む酸化物をIn−M−Zn酸化物と表す。   Here, the oxide semiconductor is an oxide semiconductor containing indium, for example. When the oxide semiconductor contains indium, for example, carrier mobility (electron mobility) increases. The oxide semiconductor preferably contains the element M. The element M is preferably aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, yttrium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, and tungsten. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements. The element M is an element having a high binding energy with oxygen, for example. For example, it is an element whose binding energy with oxygen is higher than that of indium. Alternatively, the element M is an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor, for example. The oxide semiconductor preferably contains zinc. An oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc. Here, an oxide containing indium, the element M, and zinc is referred to as an In-M-Zn oxide.

[原子数の比について]
本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn−M−Zn酸化物膜の原子数の比をIn:M:Zn=x:y:zと表す。x、y及びzの好ましい範囲について、図1及び図2を用いて説明する。
[Atom ratio]
A ratio of the number of atoms of the In-M-Zn oxide film which is the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is expressed as In: M: Zn = x: y: z. A preferable range of x, y, and z will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

ここで、各元素の原子数の比について、図3を用いて説明する。図3は、X−Y−Z酸化物膜における、元素X、Y及びZの原子数の比をx:y:zとした時の、x、y及びzの範囲について示す図である。なお、酸素の原子数比については図3には記載していない。また図3を平衡状態図と呼ぶ場合がある。図3(A)及び図3(B)には、X、Y及びZを頂点とする正三角形と、座標の例として座標R(4:2:1)を示す。ここで各頂点はそれぞれ元素X、Y及びZを表す。原子数の比におけるそれぞれの項の値は、座標が各頂点に近いほど高く、遠いほど低い。また、図3(A)に示すように原子数の比におけるそれぞれの項の値は、座標から、その三角形の頂点の対辺までの垂線の長さであらわされる。例えば、元素Xであれば、座標から頂点Xの対辺、すなわち辺YZまでの垂線21の長さで表される。よって、図3に示す座標Rは、元素X、元素Y及び元素Zの原子数比が垂線21、垂線22及び垂線23の長さの比、すなわちx:y:z=4:2:1であることを表す。また、頂点Xと座標Rを通る直線が辺YZと交わる点をγとする。この時、線分Yγの長さと線分γZの長さの比をYγ:γZとすると、Yγ:γZ=(元素Zの原子数):(元素Yの原子数)となる。   Here, the ratio of the number of atoms of each element will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a range of x, y, and z when the ratio of the number of atoms of the elements X, Y, and Z in the XYZ oxide film is x: y: z. Note that the atomic ratio of oxygen is not shown in FIG. FIG. 3 may be called an equilibrium diagram. 3A and 3B show an equilateral triangle whose vertices are X, Y, and Z, and a coordinate R (4: 2: 1) as an example of the coordinate. Here, each vertex represents the elements X, Y, and Z, respectively. The value of each term in the ratio of the number of atoms is higher as the coordinates are closer to each vertex, and lower as the coordinates are farther away. Further, as shown in FIG. 3A, the value of each term in the ratio of the number of atoms is expressed by the length of a perpendicular line from the coordinate to the opposite side of the apex of the triangle. For example, in the case of element X, it is represented by the length of perpendicular line 21 from the coordinate to the opposite side of vertex X, that is, side YZ. Therefore, the coordinate R shown in FIG. 3 is such that the atomic ratio of the element X, the element Y, and the element Z is the ratio of the lengths of the vertical line 21, the vertical line 22, and the vertical line 23, that is, x: y: z = 4: 2: 1. Represents something. Further, a point where a straight line passing through the vertex X and the coordinate R intersects the side YZ is represented by γ. At this time, if the ratio of the length of the line segment Yγ and the length of the line segment γZ is Yγ: γZ, Yγ: γZ = (number of atoms of element Z) :( number of atoms of element Y).

また、図3(B)に示すように、座標Rを通り、三角形の3辺とそれぞれ平行な3つの直線を引く。この時3つの直線と3辺との交点を用いて、x、y、及びzは図3(B)に示す通り表すことができる。   Further, as shown in FIG. 3B, three straight lines that pass through the coordinate R and are parallel to the three sides of the triangle are drawn. At this time, x, y, and z can be expressed as shown in FIG. 3B by using the intersections of the three straight lines and the three sides.

図6には、In−M−Zn酸化物膜においてx:y:zが以下の式を満たす場合について、その範囲を破線で示している。   In FIG. 6, in the case where x: y: z satisfies the following formula in the In-M-Zn oxide film, the range is indicated by a broken line.

x:y:z=(1−α):(1+α):m(−1≦α≦1)   x: y: z = (1-α) :( 1 + α): m (−1 ≦ α ≦ 1)

ここで、図6にはm=1,2,3,4,5の場合を示す。   Here, FIG. 6 shows the case of m = 1, 2, 3, 4, 5.

非特許文献1に記載されているように、In−M−Zn酸化物では、InMO(ZnO)(mは自然数)で表されるホモロガス相(ホモロガスシリーズ)が存在することが知られている。ここで例として元素MがGaである場合を考える。図6に太い直線で示した領域は、例えば、In、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、単一相の固溶域をとり得ることが知られている組成である。固溶域は、mの値を大きくする、すなわち亜鉛の比率を高めるのに伴い、広くなることが知られている。 As described in Non-Patent Document 1, it is known that an In-M-Zn oxide has a homologous phase (homologus series) represented by InMO 3 (ZnO) m (m is a natural number). Yes. Here, a case where the element M is Ga is considered as an example. The region shown by a thick straight line in FIG. 6 can be a single-phase solid solution region when, for example, powders of In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , and ZnO are mixed and fired at 1350 ° C. Is a known composition. It is known that the solid solution region becomes wider as the value of m is increased, that is, the ratio of zinc is increased.

また図6に四角のシンボルで示す座標は、非特許文献1に記載されているように、例えばIn、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成である。図6に示すようにZnGaの近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y,z)=(0,2,1)に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすいことが非特許文献1に記載されている。 In addition, the coordinates indicated by the square symbols in FIG. 6 are obtained when, for example, In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , and ZnO powders are mixed and fired at 1350 ° C. as described in Non-Patent Document 1. The composition is known to easily contain spinel crystal structures. As shown in FIG. 6, when the composition in the vicinity of ZnGa 2 O 4 , that is, when x, y, and z have values close to (x, y, z) = (0, 2, 1), a spinel crystal Non-Patent Document 1 describes that structures are easily formed or mixed.

本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn−M−Zn酸化物膜は、インジウムの比率を高めることが好ましい。In−M−Zn酸化物膜では主として金属原子のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、インジウムの含有率が多いとキャリア移動度はより高くなる。このような膜をチャネル領域に用いてトランジスタを作製することにより、例えば高い電界効果移動度を有するトランジスタを実現することができる。例えば、x/y>0.5が好ましく、x/y≧0.75がより好ましく、x/y≧1がさらに好ましい。また、(x+y)≧zが好ましい。   The In-M-Zn oxide film that is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention preferably has a high indium ratio. In the In-M-Zn oxide film, s orbitals of metal atoms mainly contribute to carrier conduction, and by increasing the indium content, more s orbitals overlap, so that the indium content is high. Carrier mobility is higher. By manufacturing a transistor using such a film for a channel region, for example, a transistor having high field-effect mobility can be realized. For example, x / y> 0.5 is preferable, x / y ≧ 0.75 is more preferable, and x / y ≧ 1 is more preferable. Further, (x + y) ≧ z is preferable.

よってx、y及びzは図1に示す領域11内の原子数の比を有することが好ましく、図2(A)に示す領域12の原子数の比を有することがより好ましい。ここで領域11は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標M(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標N(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標O(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標P(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標Q(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ領域内である。なお、領域11には8つの点を結んだ線分を含む。また領域11からは座標P及び座標Qを除き、その他の座標は領域11に含む。また領域12は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標S(x:y:z=1:0:1)と、第5の座標Q(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ領域内である。なお、領域12には、5つの点を結んだ線分を含む。また領域12からは座標Qを除き、その他の座標は領域12に含む。   Therefore, x, y, and z preferably have a ratio of the number of atoms in the region 11 shown in FIG. 1, and more preferably have a ratio of the number of atoms in the region 12 shown in FIG. Here, the region 11 includes a first coordinate K (x: y: z = 8: 14: 7), a second coordinate R (x: y: z = 2: 4: 3), and a third coordinate. L (x: y: z = 2: 5: 7), the fourth coordinate M (x: y: z = 51: 149: 300), and the fifth coordinate N (x: y: z = 46: 288: 833), the sixth coordinate O (x: y: z = 0: 2: 11), the seventh coordinate P (x: y: z = 0: 0: 1), and the eighth coordinate It is within the region where Q (x: y: z = 1: 0: 0) and the first coordinate K are connected in order by a line segment. Note that the region 11 includes a line segment connecting eight points. Further, the coordinates 11 and the coordinates Q are excluded from the area 11, and other coordinates are included in the area 11. The region 12 includes a first coordinate K (x: y: z = 8: 14: 7), a second coordinate R (x: y: z = 2: 4: 3), and a third coordinate L. (X: y: z = 2: 5: 7), the fourth coordinate S (x: y: z = 1: 0: 1), and the fifth coordinate Q (x: y: z = 1: 0) : 0) and the first coordinate K in a line segment in order. Note that the region 12 includes a line segment connecting five points. Further, the coordinate 12 is excluded from the region 12 and other coordinates are included in the region 12.

[酸化物半導体膜の構造]
次に、酸化物半導体膜の構造について説明する。
[Structure of oxide semiconductor film]
Next, the structure of the oxide semiconductor film is described.

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.

なお、CAAC−OS膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット(輝点)が観測される。例えば、CAAC−OS膜の被形成面または上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される(図7(B)参照。)。   Note that when electron diffraction is performed on the CAAC-OS film, spots (bright spots) indicating orientation are observed. For example, when electron diffraction (also referred to as nanobeam electron diffraction) using an electron beam of 1 nm to 30 nm is performed on the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film, spots are observed (FIG. 7B). reference.).

断面の高分解能TEM像および平面の高分解能TEM像より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。   From the high-resolution TEM image of the cross section and the high-resolution TEM image of the plane, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.

なお、CAAC−OS膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面の高分解能TEM像において、2500nm以上、5μm以上または1000μm以上となる結晶領域が観察される場合がある。 Note that most crystal parts included in the CAAC-OS film fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the case where a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. Note that a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS film may be connected to form one large crystal region. For example, in a planar high-resolution TEM image, a crystal region having a thickness of 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed.

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.

一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°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(110)面に帰属される。InGaZnOの単結晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, in an analysis by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis on a CAAC-OS film, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS film, a peak is not clearly observed even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.

以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面の高分解能TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。   From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis is aligned, and the c-axis is a normal line of the formation surface or the top surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by high-resolution TEM observation of the cross section described above is a plane parallel to the ab plane of the crystal.

なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。   Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.

また、CAAC−OS膜中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC−OS膜は、不純物が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。   In the CAAC-OS film, the distribution of c-axis aligned crystal parts is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the upper surface of the CAAC-OS film, the ratio of the crystal part in which the region near the upper surface is c-axis aligned than the region near the formation surface May be higher. In addition, in the CAAC-OS film to which an impurity is added, a region to which the impurity is added may be changed, and a region having a different ratio of a partially c-axis aligned crystal part may be formed.

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、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。CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。具体的には、8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。 Further, for example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film may serve as carrier traps or serve as a carrier generation source by trapping hydrogen. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. Specifically, it is less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and a carrier of 1 × 10 −9 / cm 3 or more. A dense oxide semiconductor can be obtained.

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

多結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において結晶粒を確認することができる。多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、高分解能TEM像で、2nm以上300nm以下、3nm以上100nm以下または5nm以上50nm以下の粒径であることが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像で、結晶粒界を確認できる場合がある。   In the polycrystalline oxide semiconductor film, crystal grains can be confirmed in a high-resolution TEM image. The crystal grains contained in the polycrystalline oxide semiconductor film are, for example, high-resolution TEM images and often have a grain size of 2 nm to 300 nm, 3 nm to 100 nm, or 5 nm to 50 nm. In some cases, a polycrystalline oxide semiconductor film can confirm a crystal grain boundary using a high-resolution TEM image.

多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有し、当該複数の結晶粒間において結晶の方位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有する多結晶酸化物半導体膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピーク、2θが36°近傍のピーク、またはそのほかのピークが現れる場合がある。 A polycrystalline oxide semiconductor film has a plurality of crystal grains, and the crystal orientation may be different between the plurality of crystal grains. Further, when structural analysis is performed on a polycrystalline oxide semiconductor film using an XRD apparatus, for example, in an analysis of a polycrystalline oxide semiconductor film including an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, 2θ is 31 °. There may be a peak near 2 and a peak near 2θ of 36 ° or other peaks.

多結晶酸化物半導体膜は、高い結晶性を有するため、高い電子移動度を有する場合がある。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜の結晶粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界がキャリアトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる場合がある。   Since a polycrystalline oxide semiconductor film has high crystallinity, it may have high electron mobility. Therefore, a transistor including a polycrystalline oxide semiconductor film has high field effect mobility. However, in a polycrystalline oxide semiconductor film, impurities may segregate at a crystal grain boundary. Further, the crystal grain boundary of the polycrystalline oxide semiconductor film becomes a defect level. In a polycrystalline oxide semiconductor film, a crystal grain boundary may become a carrier trap or a carrier generation source. Therefore, a transistor using a polycrystalline oxide semiconductor film has a large variation in electrical characteristics and is a transistor with low reliability. There is a case.

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。従って、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31°近傍のピークが検出されない(図8参照)。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。例えば、図9(A)に示すように、厚さが50nm程度のnc−OSに対して、プローブ径を30nm、20nm、10nmまたは1nmとした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。また、プローブ径を小さくしていくと、リング状の領域が複数のスポットから形成されていることがわかる。   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 that uses X-rays having a diameter larger than that of the crystal part, in the analysis by the out-of-plane method, a peak near 31 ° indicating the crystal plane is obtained. Is not detected (see FIG. 8). 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. For example, as shown in FIG. 9A, when nanobeam electron diffraction with a probe diameter of 30 nm, 20 nm, 10 nm, or 1 nm is performed on an nc-OS having a thickness of about 50 nm, a circle is drawn ( A bright area is observed (in a ring). It can also be seen that as the probe diameter is reduced, a ring-shaped region is formed from a plurality of spots.

さらに詳細な構造解析のために、nc−OS膜を厚さ数nm(5nm程度)に薄片化し、プローブ径1nmの電子線を用いて、透過電子回折パターンを取得する。その結果、図9(B)に示す結晶性を示すスポットを有する透過電子回折パターンが得られた。   For further detailed structural analysis, the nc-OS film is thinned to several nm (about 5 nm), and a transmission electron diffraction pattern is obtained using an electron beam with a probe diameter of 1 nm. As a result, a transmission electron diffraction pattern having spots showing the crystallinity shown in FIG. 9B was obtained.

また、nc−OS膜に対してナノビーム電子回折を行うと、2つのリング状の領域が観測される場合がある。   Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, two ring-shaped regions may be observed.

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。   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.

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、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。従って、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて、キャリア密度が高くなる場合がある。キャリア密度が高い酸化物半導体膜は、電子移動度が高くなる場合がある。従って、nc−OS膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。   In addition, 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. Therefore, the nc-OS film may have a higher carrier density than the CAAC-OS film. An oxide semiconductor film with a high carrier density may have a high electron mobility. Therefore, a transistor including the nc-OS film may have high field effect mobility.

nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて低い温度で形成できる。また、nc−OS膜は、比較的不純物が多く含まれていても形成することができる場合がある。よって、nc−OS膜は、CAAC−OS膜よりも形成が容易となる場合がある。そのため、nc−OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある。   The nc-OS film can be formed at a lower temperature than the CAAC-OS film. In some cases, the nc-OS film can be formed even when a relatively large amount of impurities is contained. Therefore, the nc-OS film may be easier to form than the CAAC-OS film. Therefore, a semiconductor device including a transistor including an nc-OS film can be manufactured with high productivity.

また、nc−OS膜は、適度な酸素透過性を有する場合がある。適度な酸素透過性を有する場合には、例えば過剰酸素を有する膜から放出される酸素がnc−OS膜全体に拡散しやすい。よって、nc−OS膜では、酸素欠損を低減しやすい場合がある。   In addition, the nc-OS film may have appropriate oxygen permeability. In the case of having appropriate oxygen permeability, for example, oxygen released from a film containing excess oxygen is likely to diffuse throughout the nc-OS film. Thus, in some cases, the nc-OS film can easily reduce oxygen vacancies.

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。従って、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 rarely has 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.

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.

非晶質酸化物半導体膜は、水素などの不純物を高い濃度で含む酸化物半導体膜である。また、非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜である。   An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film containing an impurity such as hydrogen at a high concentration. The amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film with a high defect level density.

不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜は、キャリアトラップやキャリア発生源が多い酸化物半導体膜である。   An oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states is an oxide semiconductor film with many carrier traps and carrier generation sources.

従って、非晶質酸化物半導体膜は、nc−OS膜と比べて、さらにキャリア密度が高くなる場合がある。そのため、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になりやすい。従って、ノーマリーオンの電気特性が求められるトランジスタに好適に用いることができる場合がある。非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、CAAC−OS膜やnc−OS膜を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。   Therefore, the amorphous oxide semiconductor film may have a higher carrier density than the nc-OS film. Therefore, a transistor including an amorphous oxide semiconductor film is likely to be normally on. Therefore, the transistor can be preferably used for a transistor that requires normally-on electrical characteristics. An amorphous oxide semiconductor film has a high density of defect states, and thus may have a large number of carrier traps. Therefore, a transistor including an amorphous oxide semiconductor film has a large variation in electrical characteristics and low reliability as compared with a transistor including a CAAC-OS film or an nc-OS film.

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

単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損が少ない)酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶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。   A single crystal oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film with low impurity concentration and low density of defect states (low oxygen vacancies). Therefore, the carrier density can be lowered. Accordingly, a transistor including a single crystal oxide semiconductor film is unlikely to be normally on. In addition, since the single crystal oxide semiconductor film has a low impurity concentration and a low density of defect states, carrier traps may be reduced. Therefore, a transistor including a single crystal oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability.

なお、酸化物半導体膜は、欠陥が少ないと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低いと密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、CAAC−OS膜よりも密度が高い。また、CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。   Note that the density of an oxide semiconductor film increases when the number of defects is small. In addition, the density of an oxide semiconductor film increases when crystallinity is high. In addition, the density of an oxide semiconductor film increases when the concentration of impurities such as hydrogen is low. The single crystal oxide semiconductor film has a higher density than the CAAC-OS film. In addition, the density of the CAAC-OS film is higher than that of the microcrystalline oxide semiconductor film. In addition, the polycrystalline oxide semiconductor film has a higher density than the microcrystalline oxide semiconductor film. The microcrystalline oxide semiconductor film has a higher density than the amorphous oxide semiconductor film.

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(amorphous−like Oxide Semiconductor:a−like OS)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面に対応すると見なした。その格子縞の観察される領域における最大長を、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさとする。なお、結晶部の大きさは、0.8nm以上のものを選択的に評価する。 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, it was considered that 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. The maximum length in the region where the lattice fringes are observed is the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film. Note that a crystal part having a size of 0.8 nm or more is selectively evaluated.

また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満となる。 In addition, since it has a void, the a-like OS has a lower density than the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of the single crystal having the same composition.

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、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。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見積もることが好ましい。 Note that there may be no single crystal having the same composition. In that case, the density corresponding to the single crystal in a desired composition can be estimated by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to estimate the density corresponding to 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 estimated 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. .

[ナノビーム電子回折]
次に、ナノビーム電子回折について説明する。
[Nanobeam electron diffraction]
Next, nanobeam electron diffraction will be described.

酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析が可能となる場合がある。   In the case where the oxide semiconductor film has a plurality of structures, the structure analysis may be possible by using nanobeam electron diffraction.

図7(C)に、電子銃室610と、電子銃室610の下の光学系612と、光学系612の下の試料室614と、試料室614の下の光学系616と、光学系616の下の観察室620と、観察室620に設置されたカメラ618と、観察室620の下のフィルム室622と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ618は、観察室620内部に向けて設置される。なお、フィルム室622を有さなくても構わない。   FIG. 7C shows an electron gun chamber 610, an optical system 612 under the electron gun chamber 610, a sample chamber 614 under the optical system 612, an optical system 616 under the sample chamber 614, and an optical system 616. 1 shows a transmission electron diffraction measurement apparatus having an observation room 620 below, a camera 618 installed in the observation room 620, and a film room 622 below the observation room 620. The camera 618 is installed toward the inside of the observation room 620. Note that the film chamber 622 is not necessarily provided.

また、図7(D)に、図7(C)で示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す。透過電子回折測定装置内部では、電子銃室610に設置された電子銃から放出された電子が、光学系612を介して試料室614に配置された物質628に照射される。物質628を通過した電子は、光学系616を介して観察室620内部に設置された蛍光板632に入射する。蛍光板632では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過電子回折パターンを測定することができる。   FIG. 7D shows the internal structure of the transmission electron diffraction measurement apparatus shown in FIG. Inside the transmission electron diffraction measurement apparatus, electrons emitted from the electron gun installed in the electron gun chamber 610 are irradiated to the substance 628 disposed in the sample chamber 614 via the optical system 612. The electrons that have passed through the substance 628 enter the fluorescent plate 632 installed in the observation chamber 620 through the optical system 616. In the fluorescent plate 632, a transmission electron diffraction pattern can be measured by the appearance of a pattern corresponding to the intensity of incident electrons.

カメラ618は、蛍光板632を向いて設置されており、蛍光板632に現れたパターンを撮影することが可能である。カメラ618のレンズの中央、および蛍光板632の中央を通る直線と、蛍光板632の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カメラ618で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能である。なお、カメラ618をフィルム室622に設置しても構わない場合がある。例えば、カメラ618をフィルム室622に、電子624の入射方向と対向するように設置してもよい。この場合、蛍光板632の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影することができる。   The camera 618 is installed facing the fluorescent screen 632 and can capture a pattern that appears on the fluorescent screen 632. The angle formed between the center of the lens of the camera 618 and the straight line passing through the center of the fluorescent plate 632 and the upper surface of the fluorescent plate 632 is, for example, 15 ° to 80 °, 30 ° to 75 °, or 45 ° to 70 °. The following. As the angle is smaller, the transmission electron diffraction pattern photographed by the camera 618 is more distorted. However, if the angle is known in advance, the distortion of the obtained transmission electron diffraction pattern can be corrected. Note that the camera 618 may be installed in the film chamber 622 in some cases. For example, the camera 618 may be installed in the film chamber 622 so as to face the incident direction of the electrons 624. In this case, a transmission electron diffraction pattern with less distortion can be taken from the back surface of the fluorescent plate 632.

試料室614には、試料である物質628を固定するためのホルダが設置されている。ホルダは、物質628を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例えば、物質628をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質628の構造によって最適な範囲を設定すればよい。   In the sample chamber 614, a holder for fixing the substance 628 as a sample is installed. The holder is structured to transmit electrons passing through the substance 628. For example, the holder may have a function of moving the substance 628 to the X axis, the Y axis, the Z axis, and the like. The movement function of the holder may have an accuracy of moving in the range of 1 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 50 nm to 500 nm, 100 nm to 1 μm, and the like. These ranges may be set to optimum ranges depending on the structure of the substance 628.

次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質の透過電子回折パターンを測定する方法について説明する。   Next, a method for measuring a transmission electron diffraction pattern of a substance using the above-described transmission electron diffraction measurement apparatus will be described.

例えば、図7(D)に示すように物質におけるナノビームである電子624の照射位置を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することができる。このとき、物質628がCAAC−OS膜であれば、図7(B)に示したような回折パターンが観測される。または、物質628がnc−OS膜であれば、図7(A)に示したような回折パターン、例えば円を描くように配置された複数の輝点を有する回折パターン(輝点を伴ったリング状の回折パターン)が観測される。また、図7(A)に示す回折パターンは、対称に配置されていない(対称性を有さない)輝点を有する。   For example, as illustrated in FIG. 7D, by changing (scanning) the irradiation position of the electron 624 that is a nanobeam in the substance, it is possible to confirm how the structure of the substance changes. At this time, when the substance 628 is a CAAC-OS film, a diffraction pattern as illustrated in FIG. 7B is observed. Alternatively, when the substance 628 is an nc-OS film, a diffraction pattern as illustrated in FIG. 7A, for example, a diffraction pattern having a plurality of bright spots arranged in a circle (a ring with bright spots) A diffraction pattern) is observed. In addition, the diffraction pattern shown in FIG. 7A has bright spots that are not symmetrically arranged (having no symmetry).

図7(B)に示すように、CAAC−OS膜の回折パターンでは、例えば六角形の頂点に位置するスポットが確認される。CAAC−OS膜では、照射位置をスキャンすることにより、この六角形の向きが一様ではなく、少しずつ回転している様子がみられる。また、回転の角度はある幅を有する。   As shown in FIG. 7B, in the diffraction pattern of the CAAC-OS film, for example, a spot positioned at the vertex of a hexagon is confirmed. In the CAAC-OS film, when the irradiation position is scanned, the direction of the hexagon is not uniform, and a state where the hexagon is rotating little by little can be seen. The angle of rotation has a certain width.

または、CAAC−OS膜の回折パターンでは、照射位置をスキャンすることにより、c軸を中心として少しずつ回転する様子が見られる。これは、例えばa軸とb軸が形成する面が回転しているともいえる。   Alternatively, in the diffraction pattern of the CAAC-OS film, a state where the irradiation position is scanned and the c-axis is rotated little by little is seen. This can be said that the surface formed by the a-axis and the b-axis is rotating, for example.

ところで、物質628がCAAC−OS膜と同様の回折パターンが観測される領域(以下、CAAC構造を有する領域という)と、nc−OS膜と同様の回折パターンが観測される領域(以下、nc構造を有する領域という)とを有する場合がある。ここで、一定の範囲におけるCAAC−OS膜の回折パターンが観測される領域の割合をCAAC比率(CAAC化率ともいう。)で表すことができる。同様に、nc−OS膜と同様の回折パターンが観測される領域の割合をnc比率(nc化率ともいう。)で表すことができる。   By the way, a region where the same diffraction pattern as the CAAC-OS film is observed in the substance 628 (hereinafter referred to as a region having a CAAC structure) and a region where a diffraction pattern similar to the nc-OS film is observed (hereinafter referred to as an nc structure). May be referred to as a region having Here, a ratio of a region where a diffraction pattern of the CAAC-OS film in a certain range is observed can be represented by a CAAC ratio (also referred to as a CAAC conversion ratio). Similarly, the ratio of a region where a diffraction pattern similar to that of the nc-OS film is observed can be expressed as an nc ratio (also referred to as an nc conversion rate).

以下に、CAAC−OS膜のCAAC比率の評価方法について説明する。無作為に測定点を選び、透過電子回折パターンを取得し、全測定点の数に対し、CAAC−OS膜の回折パターンが観測される測定点の数の割合を算出する。ここで、測定点数は、50点以上が好ましく、100点以上がより好ましい。   A method for evaluating the CAAC ratio of the CAAC-OS film is described below. A measurement point is selected at random, a transmission electron diffraction pattern is obtained, and the ratio of the number of measurement points at which the diffraction pattern of the CAAC-OS film is observed is calculated with respect to the number of all measurement points. Here, the number of measurement points is preferably 50 points or more, and more preferably 100 points or more.

無作為に測定点を選ぶ方法として、例えば直線状に照射位置をスキャンし、ある等間隔の時間毎に回折パターンを取得すればよい。照射位置をスキャンすることによりCAAC構造を有する領域と、その他の領域の境界などが確認できるため、好ましい。なお、nc化率についても、同様に、無作為に測定点を選び、透過電子回折パターンを取得し、算出することができる。   As a method of randomly selecting measurement points, for example, the irradiation position may be scanned in a straight line, and a diffraction pattern may be acquired at regular intervals. Scanning the irradiation position is preferable because the boundary between the area having the CAAC structure and the other area can be confirmed. Similarly, the nc conversion rate can be calculated by selecting a measurement point at random and acquiring a transmission electron diffraction pattern.

このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能となる場合がある。   When such a measurement method is used, the structure analysis of an oxide semiconductor film having a plurality of structures may be possible.

本発明の一態様である酸化物半導体膜は、例えばnc比率とCAAC比率の和が80%以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、99%以上100%以下であることがより好ましい。nc比率とCAAC比率の和を高めることにより、例えば明確な粒界の少ない酸化物半導体膜を実現することができる。明確な粒界を少なくすることにより、例えば酸化物半導体膜のキャリア移動度を高めることができる。   In the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, for example, the sum of the nc ratio and the CAAC ratio is preferably 80% or more, preferably 90% or more and 100% or less, and 95% or more and 100% or less. Preferably, it is 98% or more and 100% or less, more preferably 99% or more and 100% or less. By increasing the sum of the nc ratio and the CAAC ratio, for example, an oxide semiconductor film having clear grain boundaries can be realized. By reducing the number of clear grain boundaries, for example, the carrier mobility of the oxide semiconductor film can be increased.

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2)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の一例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

nc−OS膜は、CAAC−OS膜に比べて比較的低い成膜温度でも形成できる場合がある。例えば、基板への加熱を用いずに形成できる場合がある。よって、nc−OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある。   The nc-OS film can be formed even at a relatively low deposition temperature as compared to the CAAC-OS film in some cases. For example, the substrate may be formed without using heating to the substrate. Thus, a semiconductor device including a transistor including an nc-OS film can be manufactured with high productivity.

また、nc−OS膜は、適度な酸素透過性を有するため、酸素を膜全体に拡散しやすく、酸素欠損をより低減しやすい場合がある。よって、欠陥密度の低い酸化物半導体膜を実現できる場合がある。よって、nc−OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置の特性を向上させることができる場合がある。また、信頼性を高めることができる場合がある。   Further, since the nc-OS film has appropriate oxygen permeability, oxygen may be easily diffused throughout the film, and oxygen vacancies may be more easily reduced. Therefore, an oxide semiconductor film with a low defect density may be realized. Thus, the characteristics of a semiconductor device including a transistor including an nc-OS film can be improved in some cases. In addition, reliability may be improved.

ここで、nc−OS膜及びCAAC−OS膜は、ともに層状に重なった原子配列を有する。このような層状に重なった原子配列は、例えばTEM等を用いて観察することができる。   Here, both the nc-OS film and the CAAC-OS film have an atomic arrangement in which the layers overlap each other. Such a layered atomic arrangement can be observed using, for example, a TEM.

ここで、nc−OS膜及びCAAC膜について、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた透過電子顕微鏡法(TEM:Transmission Electron Microscopy)によって得られる像(TEM像ともいう。)を観察する。なお、TEM観察による明視野像および回折パターンの複合解析像を高分解能TEM像と呼ぶ。そして、球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。なお、Cs補正高分解能TEM像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって行うことができる。   Here, with respect to the nc-OS film and the CAAC film, an image (also referred to as a TEM image) obtained by transmission electron microscopy (TEM) using a spherical aberration correction (Spherical Aberration Collector) function is observed. Note that a combined analysis image of a bright field image and a diffraction pattern by TEM observation is referred to as a high resolution TEM image. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly called a Cs-corrected high-resolution TEM image. In addition, acquisition of a Cs correction | amendment high resolution TEM image can be performed by JEOL Co., Ltd. atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F etc., for example.

CAAC−OSおよびnc−OSにおいて、Cs補正高分解能断面TEM像をより詳細に解析することで、結晶の大きさ及び配向性について調査する。以下では、nc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。結晶の大きさ及び配向性は、断面TEM像において例えば20nm角以上の範囲についてペレットを抽出し、その大きさ及び向きを調査する。   In CAAC-OS and nc-OS, the Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image is analyzed in more detail to investigate the crystal size and orientation. Hereinafter, the crystal part of the nc-OS may be referred to as a pellet. For the size and orientation of the crystal, for example, a pellet is extracted in a range of 20 nm square or more in the cross-sectional TEM image, and the size and orientation are investigated.

なお、図17(A)は、CAAC−OSのCs補正高分解能断面TEM像である。また、図17(B)は、nc−OSのCs補正高分解能断面TEM像である。なお、左右の図は同じ場所を観察したもので、右図にはペレットを示す補助線を引いている。   Note that FIG. 17A is a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of a CAAC-OS. FIG. 17B is a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of the nc-OS. Note that the left and right figures are obtained by observing the same place, and the right figure is drawn with auxiliary lines indicating pellets.

図18(A)は、DCスパッタリング法で成膜したCAAC−OSの断面TEM像である。また、図18(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図18(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする(図22(A)参照。)。ここで、図18(A)に示す矢印は、試料面に垂直な向きを示す。また、図18(B)に示す白線の向きはペレットの向きを示し、白線の長さはペレットの大きさを示す。   FIG. 18A is a cross-sectional TEM image of a CAAC-OS formed by a DC sputtering method. FIG. 18B is an enlarged Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of a part thereof. In FIG. 18B, the number of pellets is counted and a frequency distribution is made with respect to the size and orientation (see FIG. 22A). Here, an arrow shown in FIG. 18A indicates a direction perpendicular to the sample surface. Further, the direction of the white line shown in FIG. 18B indicates the direction of the pellet, and the length of the white line indicates the size of the pellet.

図19(A)は、RFスパッタリング法で成膜したCAAC−OSの断面TEM像である。また、図19(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図19(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする(図22(B)参照。)。   FIG. 19A is a cross-sectional TEM image of a CAAC-OS formed by an RF sputtering method. FIG. 19B is an enlarged Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of a part thereof. In FIG. 19 (B), the number of pellets is counted, and a frequency distribution is made with respect to the size and orientation (see FIG. 22 (B)).

図20(A)は、DCスパッタリング法で成膜したnc−OSの断面TEM像である。また、図20(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図20(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする(図22(C)参照。)。   FIG. 20A is a cross-sectional TEM image of nc-OS formed by a DC sputtering method. FIG. 20B is a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image in which a part thereof is enlarged. In FIG. 20B, the number of pellets is counted and a frequency distribution is made with respect to the size and orientation (see FIG. 22C).

図21(A)は、RFスパッタリング法で成膜したnc−OSの断面TEM像である。また、図21(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図21(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする(図22(D)参照。)。   FIG. 21A is a cross-sectional TEM image of nc-OS formed by an RF sputtering method. FIG. 21B is an enlarged Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of a part thereof. In FIG. 21B, the number of pellets is counted, and a frequency distribution is made with respect to the size and direction (see FIG. 22D).

下表は、図22をまとめた結果である。ここでペレットの向きは、試料面に対する角度の絶対値を示す。   The table below summarizes the results of FIG. Here, the direction of the pellet indicates the absolute value of the angle with respect to the sample surface.

nc−OSは、例えば好ましくは0.5nm以上3nm以下、より好ましくは1nm以上3nm以下の大きさのペレットを有することが好ましい。また、nc−OSにおいて、ペレットの向きは、RFスパッタリング法がDCスパッタリング法よりも試料面に垂直な方向に配向していることがわかる。ここで、nc−OSのペレットの向きが試料面に対して0°以上30°未満である割合は、例えば0%以上70%以下が好ましく、30°以上60°未満である割合は、例えば10%以上60%以下が好ましく、60°以上90°未満である割合は、例えば0%以上60%以下が好ましい。nc−OSは、CAAC−OSに比べてペレットの向きがランダムであることがわかる。   The nc-OS preferably has a pellet having a size of preferably 0.5 nm to 3 nm, more preferably 1 nm to 3 nm. In nc-OS, it is found that the pellets are oriented in the direction perpendicular to the sample surface in the RF sputtering method than in the DC sputtering method. Here, the ratio that the orientation of the nc-OS pellet is 0 ° or more and less than 30 ° with respect to the sample surface is preferably, for example, 0% or more and 70% or less, and the rate that is 30 ° or more and less than 60 °, % To 60% is preferable, and the ratio of 60 ° to less than 90 ° is preferably, for example, 0% to 60%. It can be seen that nc-OS has a random orientation of pellets compared to CAAC-OS.

このようなペレットを有する酸化物半導体膜は、例えば以下のような成膜モデルで説明することができる。   An oxide semiconductor film having such a pellet can be described by, for example, the following film formation model.

[成膜モデル]
以下では、nc−OSの成膜モデルについて説明する。
[Film formation model]
Hereinafter, a film formation model of the nc-OS will be described.

図24は、スパッタリング法によりnc−OSが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。   FIG. 24 is a schematic diagram of a film formation chamber in which a nc-OS film is formed by a sputtering method.

ターゲット5130は、バッキングプレート上に接着されている。ターゲット5130およびバッキングプレート下には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって、ターゲット5130上には磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。   The target 5130 is bonded on the backing plate. A plurality of magnets are disposed under the target 5130 and the backing plate. A magnetic field is generated on the target 5130 by the plurality of magnets. A sputtering method that uses a magnetic field to increase the deposition rate is called a magnetron sputtering method.

ターゲット5130は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。なお、劈開面の詳細については後述する。   The target 5130 has a polycrystalline structure, and any one of the crystal grains includes a cleavage plane. Details of the cleavage plane will be described later.

基板5120は、ターゲット5130と向かい合うように配置しており、その距離d(ターゲット−基板間距離(T−S間距離)ともいう。)は0.01m以上1m以下、好ましくは0.02m以上0.5m以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、酸素、アルゴン、または酸素を50体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.01Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。ここで、ターゲット5130に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット5130上の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン5101が生じる。イオン5101は、例えば、酸素の陽イオン(O)やアルゴンの陽イオン(Ar)などである。 The substrate 5120 is disposed so as to face the target 5130, and the distance d (also referred to as target-substrate distance (T-S distance)) is 0.01 m or more and 1 m or less, preferably 0.02 m or more and 0. .5m or less. The film formation chamber is mostly filled with a film forming gas (for example, oxygen, argon, or a mixed gas containing oxygen at a ratio of 50% by volume or more) and is 0.01 Pa to 100 Pa, preferably 0.1 Pa to 10 Pa. Controlled. Here, by applying a voltage of a certain level or higher to the target 5130, discharge starts and plasma is confirmed. Note that a high-density plasma region is formed by the magnetic field on the target 5130. In the high-density plasma region, ions 5101 are generated by ionizing the deposition gas. The ions 5101 are, for example, oxygen cations (O + ), argon cations (Ar + ), and the like.

イオン5101は、電界によってターゲット5130側に加速され、やがてターゲット5130と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット5100aおよびペレット5100bが剥離し、叩き出される。なお、ペレット5100aおよびペレット5100bは、イオン5101の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。   The ions 5101 are accelerated toward the target 5130 by the electric field and eventually collide with the target 5130. At this time, the pellet 5100a and the pellet 5100b, which are flat or pellet-like sputtered particles, are peeled off from the cleavage plane and knocked out. Note that the pellets 5100a and 5100b may be distorted in structure due to the impact of collision of the ions 5101.

ペレット5100aは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット5100bは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット5100aおよびペレット5100bなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレットと呼ぶ。ペレットの平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が2個以上6個以下合わさった形状となる場合がある。例えば、正三角形が2個合わさった四角形となる場合もある。   The pellet 5100a is a flat or pellet-like sputtered particle having a triangular plane, for example, a regular triangular plane. The pellet 5100b is a flat or pellet-like sputtered particle having a hexagonal plane, for example, a regular hexagonal plane. Note that flat or pellet-like sputtered particles such as the pellet 5100a and the pellet 5100b are collectively referred to as a pellet. The planar shape of the pellet is not limited to a triangle or a hexagon. For example, there may be a shape in which 2 or more and 6 or less triangles are combined. For example, there may be a quadrangle in which two equilateral triangles are combined.

ペレットは、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。ペレットの厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。   The thickness of the pellet is determined according to the type of film forming gas. The thickness of the pellet is preferably uniform. Moreover, it is more preferable that the sputtered particles are in the form of pellets with no thickness than in the form of thick dice.

ペレットは、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレットは、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能性がある。   The pellet may be charged negatively or positively by receiving charges when passing through the plasma. The pellet has oxygen atoms on the side surfaces, and the oxygen atoms may be negatively charged.

図24に示すように、例えば、ペレットは、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひらと基板5120上まで舞い上がっていく。ペレットは電荷を帯びているため、ほかのペレットが既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板5120の上面では、基板5120の上面に平行な向きの磁場が生じている。また、基板5120およびターゲット5130間には、電位差が与えられているため、基板5120からターゲット5130に向けて電流が流れている。したがって、ペレットは、基板5120の上面において、磁場および電流の作用によって、力(ローレンツ力)を受ける。なお、ペレットに与える力を大きくするためには、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行な向きの磁場が10G以上、好ましくは20G以上、さらに好ましくは30G以上、より好ましくは50G以上となる領域を設けるとよい。または、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行な向きの磁場が、基板5120の上面に垂直な向きの磁場の1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上、より好ましくは5倍以上となる領域を設けるとよい。   As shown in FIG. 24, for example, the pellets fly like a kite in the plasma and flutter up to the substrate 5120. Since the pellets are charged, repulsion occurs when an area where other pellets are already deposited approaches. Here, a magnetic field in a direction parallel to the upper surface of the substrate 5120 is generated on the upper surface of the substrate 5120. In addition, since a potential difference is applied between the substrate 5120 and the target 5130, a current flows from the substrate 5120 toward the target 5130. Therefore, the pellet receives a force (Lorentz force) on the upper surface of the substrate 5120 by the action of the magnetic field and the current. In order to increase the force applied to the pellets, the magnetic field in the direction parallel to the top surface of the substrate 5120 is 10 G or more, preferably 20 G or more, more preferably 30 G or more, and more preferably 50 G or more. It is good to provide the area | region which becomes. Alternatively, on the upper surface of the substrate 5120, the magnetic field in the direction parallel to the upper surface of the substrate 5120 is 1.5 times or more, preferably 2 times or more, more preferably 3 times or more, the magnetic field in the direction perpendicular to the upper surface of the substrate 5120. More preferably, a region that is five times or more is provided.

以上のようなモデルにより、ペレットが基板5120上に堆積していくと考えられる。したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合においても、nc−OSの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板5120の上面(被形成面)の構造が非晶質構造であっても、nc−OSを成膜することは可能である。   It is considered that pellets are deposited on the substrate 5120 by the above model. Therefore, unlike the epitaxial growth, it can be seen that the nc-OS can be formed even when the formation surface does not have a crystal structure. For example, the nc-OS can be formed even when the structure of the top surface (formation surface) of the substrate 5120 is an amorphous structure.

このようなモデルによってnc−OSが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板5120上に向けるスパッタ粒子の面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。   Since the nc-OS film is formed using such a model, it is preferable that the sputtered particles have a thin pellet shape. Note that when the sputtered particles have a thick dice shape, the surface of the sputtered particles directed onto the substrate 5120 is not constant, and the thickness and crystal orientation may not be uniform.

また、基板5120が加熱されている場合には、ペレットと基板5120との間で摩擦などの抵抗がより小さい状態となっている。その結果、ペレットは、基板5120の上面を滑空するように移動する。ペレットの移動は、ペレットの平板面を基板5120に向けた状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット5100の側面まで到達すると、側面同士が結合し、CAAC−OS膜を得る。   In addition, when the substrate 5120 is heated, resistance such as friction is smaller between the pellet and the substrate 5120. As a result, the pellet moves so as to glide on the upper surface of the substrate 5120. The movement of the pellet occurs in a state where the flat plate surface of the pellet faces the substrate 5120. After that, when reaching the side surfaces of another pellet 5100 which has already been deposited, the side surfaces are bonded to each other, and a CAAC-OS film is obtained.

基板5120は加熱されていない場合には、ペレットと基板5120との間で摩擦などの抵抗がより大きい状態となっている。その結果、ペレットは、基板5120の上面を滑空するように移動することが難しく、不規則に降り積もっていくことでnc−OSを得ることができる。   When the substrate 5120 is not heated, the resistance such as friction is larger between the pellet and the substrate 5120. As a result, the pellets are difficult to move so as to glide over the upper surface of the substrate 5120, and the nc-OS can be obtained by irregularly piled up.

CAAC−OSは、基板5120を加熱して成膜するのに対し、nc−OSは、基板5120の加熱を行わなくても成膜が可能である。 The CAAC-OS forms a film by heating the substrate 5120, whereas the nc-OS can form a film without heating the substrate 5120.

また、例えば図25に示すように、チャンバー内の雰囲気を好ましくは室温以上500℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱してもよい。雰囲気の加熱には、例えばハロゲンランプ等のランプ5140を用いればよい。雰囲気の加熱により、例えばチャンバー内を飛翔するペレットが加熱され、欠陥が減少する可能性がある。また、ペレットサイズが増加する可能性がある。また、雰囲気の加熱により、例えばチャンバー内の水分が蒸発しやすくなり、真空度をより高めることができる。   Further, for example, as shown in FIG. 25, the atmosphere in the chamber may be heated preferably at room temperature to 500 ° C., more preferably at 200 ° C. to 400 ° C. For heating the atmosphere, a lamp 5140 such as a halogen lamp may be used. By heating the atmosphere, for example, pellets flying in the chamber are heated, and defects may be reduced. In addition, the pellet size may increase. Further, by heating the atmosphere, for example, moisture in the chamber is easily evaporated, and the degree of vacuum can be further increased.

[劈開面]
以下では、nc−OSの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明する。
[Cleaved surface]
Hereinafter, the cleavage plane of the target described in the nc-OS film formation model will be described.

まずは、ターゲットの劈開面について図10を用いて説明する。図10に、InGaZnOの結晶の構造を示す。なお、図10(A)は、c軸を上向きとし、b軸に平行な方向からInGaZnOの結晶を観察した場合の構造を示す。また、図10(B)は、c軸に平行な方向からInGaZnOの結晶を観察した場合の構造を示す。 First, the cleavage plane of the target will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows a crystal structure of InGaZnO 4 . Note that FIG. 10A illustrates a structure in the case where an InGaZnO 4 crystal is observed from a direction parallel to the b-axis with the c-axis facing upward. FIG. 10B shows a structure in the case where an InGaZnO 4 crystal is observed from a direction parallel to the c-axis.

InGaZnOの結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算により算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プログラム(CASTEP)を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬ポテンシャルを用いる。また、汎関数には、GGA PBEを用いる。また、カットオフエネルギーは400eVとする。 The energy required for cleavage in each crystal plane of the InGaZnO 4 crystal is calculated by first-principles calculation. The calculation uses a pseudo-potential and a density functional program (CASTEP) using a plane wave basis. As the pseudopotential, an ultrasoft pseudopotential is used. Moreover, GGA PBE is used for the functional. The cut-off energy is 400 eV.

初期状態における構造のエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導出する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子配置の構造最適化を行った後に導出する。   The energy of the structure in the initial state is derived after performing the structure optimization including the cell size. In addition, the energy of the structure after cleavage on each surface is derived after structural optimization of atomic arrangement with the cell size fixed.

図10に示したInGaZnOの結晶の構造をもとに、第1の面、第2の面、第3の面、第4の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算を行う。ここで、第1の面は、Ga−Zn−O層とIn−O層との間の結晶面であり、(001)面(またはab面)に平行な結晶面である(図10(A)参照。)。第2の面は、Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層との間の結晶面であり、(001)面(またはab面)に平行な結晶面である(図10(A)参照。)。第3の面は、(110)面に平行な結晶面である(図10(B)参照。)。第4の面は、(100)面(またはbc面)に平行な結晶面である(図10(B)参照。)。 Based on the structure of the InGaZnO 4 crystal shown in FIG. 10, a structure cleaved on any of the first surface, the second surface, the third surface, and the fourth surface is prepared, and the cell size is fixed. Perform structural optimization calculation. Here, the first plane is a crystal plane between the Ga—Zn—O layer and the In—O layer, and is a crystal plane parallel to the (001) plane (or the ab plane) (FIG. 10A )reference.). The second plane is a crystal plane between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer, and is a crystal plane parallel to the (001) plane (or the ab plane) (FIG. 10A). reference.). The third plane is a crystal plane parallel to the (110) plane (see FIG. 10B). The fourth plane is a crystal plane parallel to the (100) plane (or bc plane) (see FIG. 10B).

以上のような条件で、各面で劈開後の構造のエネルギーを算出する。次に、劈開後の構造のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すことで、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエネルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原子−電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。   Under the above conditions, the energy of the structure after cleavage is calculated on each surface. Next, by dividing the difference between the energy of the structure after cleavage and the energy of the structure in the initial state by the area of the cleavage surface, the cleavage energy, which is a measure of the ease of cleavage on each surface, is calculated. The energy of the structure is an energy that takes into consideration the kinetic energy of electrons and the interaction between atoms, atoms-electrons, and electrons with respect to atoms and electrons contained in the structure.

計算の結果、第1の面の劈開エネルギーは2.60J/m、第2の面の劈開エネルギーは0.68J/m、第3の面の劈開エネルギーは2.18J/m、第4の面の劈開エネルギーは2.12J/mであることがわかった(下表参照。)。 As a result of the calculation, the cleavage energy of the first surface is 2.60 J / m 2 , the cleavage energy of the second surface is 0.68 J / m 2 , the cleavage energy of the third surface is 2.18 J / m 2 , It was found that the cleavage energy of the 4th surface was 2.12 J / m 2 (see the table below).

この計算により、図10に示したInGaZnOの結晶の構造において、第2の面における劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層との間が最も劈開しやすい面(劈開面)であることがわかる。したがって、本明細書において、劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第2の面のことを示す。 According to this calculation, the cleavage energy in the second surface is the lowest in the InGaZnO 4 crystal structure shown in FIG. That is, it can be seen that the surface between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer is the most easily cleaved surface (cleavage surface). Therefore, in this specification, the term “cleavage surface” indicates the second surface that is the most easily cleaved surface.

Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層との間である第2の面に劈開面を有するため、図10(A)に示すInGaZnOの結晶は、二つの第2の面と等価な面で分離することができる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネルギーの低い面で劈開したウェハース状のユニット(我々はこれをペレットと呼ぶ。)が最小単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、InGaZnOのペレットは、Ga−Zn−O層、In−O層およびGa−Zn−O層の3層となる。 Since the second surface between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer has a cleavage plane, the InGaZnO 4 crystal shown in FIG. 10A is equivalent to two second surfaces. It can be separated on the other side. Therefore, when ions and the like collide with the target, it is thought that a wafer-like unit (we call this a pellet) cleaved at the surface with the lowest cleavage energy pops out as a minimum unit. In that case, the InGaZnO 4 pellets are three layers of a Ga—Zn—O layer, an In—O layer, and a Ga—Zn—O layer.

また、第1の面(Ga−Zn−O層とIn−O層との間の結晶面であり、(001)面(またはab面)に平行な結晶面)よりも、第3の面(110)面に平行な結晶面)、第4の面((100)面(またはbc面)に平行な結晶面)の劈開エネルギーが低いことから、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。   In addition, a third surface (a crystal plane between the Ga—Zn—O layer and the In—O layer, which is parallel to the (001) plane (or the ab plane)) (the third plane ( 110), and the fourth plane (the crystal plane parallel to the (100) plane (or bc plane)) has a low cleavage energy, so the planar shape of the pellet is mostly triangular or hexagonal. It is suggested.

[膜密度]
次に、In−M−Zn酸化物膜の密度を評価した。ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:1:1の多結晶のIn−Ga−Zn酸化物を用い、DCスパッタリング法でnc−OSを成膜した。圧力は0.4Paとし、成膜温度は室温、電源電力は100W、成膜ガスとしてアルゴン及び酸素を用い、それぞれの流量はアルゴンを98sccm、酸素を2sccmとした。得られたIn−Ga−Zn酸化物の密度は、6.1g/cmであった。ここで、非特許文献2より、単結晶のInGaZnOの密度は6.357g/cmである。また、JCPDSカード、No.00−038−1097に記載されている通り、単結晶のInGaZnOの密度は6.494g/cmであることが知られている。よって、得られたnc−OS膜は、高い密度を有する優れた膜であることがわかる。
[Film density]
Next, the density of the In-M-Zn oxide film was evaluated. An nc-OS film was formed by a DC sputtering method using a polycrystalline In—Ga—Zn oxide of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 as a target. The pressure was 0.4 Pa, the deposition temperature was room temperature, the power source was 100 W, argon and oxygen were used as deposition gases, and the respective flow rates were 98 sccm for argon and 2 sccm for oxygen. The density of the obtained In—Ga—Zn oxide was 6.1 g / cm 3 . Here, from Non-Patent Document 2, the density of single-crystal InGaZnO 4 is 6.357 g / cm 3 . Also, JCPDS card, No. As described in 00-038-1097, the density of single crystal In 2 Ga 2 ZnO 7 is known to be 6.494 g / cm 3 . Thus, it is found that the obtained nc-OS film is an excellent film having a high density.

本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn−M−Zn酸化物膜の密度は、例えば概略同じ原子数比を有する単結晶の密度の85%以上が好ましく、90%以上がより好ましく、95%以上がさらに好ましい。   The density of the In-M-Zn oxide film that is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is preferably, for example, 85% or more of the density of single crystals having substantially the same atomic ratio, more preferably 90% or more, More preferably 95% or more.

または、元素Mがガリウムの場合に、本発明の一態様である酸化物半導体膜の密度は、例えば5.7g/cm以上6.49g/cm以下が好ましく、5.75g/cm以上6.49g/cm以下が好ましく、5.8g/cm以上6.33g/cm以下がより好ましく、5.85g/cm以上6.33g/cm以下がさらに好ましい。 Or, when element M is gallium, the density of the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, for example 5.7 g / cm 3 or more 6.49 g / cm 3 or less are preferred, 5.75 g / cm 3 or more 6.49 g / cm 3 or less are preferred, 5.8 g / cm 3 or more 6.33 g / cm 3 and more preferably less, further preferably 5.85 g / cm 3 or more 6.33 g / cm 3 or less.

ここで、概略同じ原子数比とは、例えば、互いの有する原子数比の差が10%以内であることを指す。   Here, the substantially same atomic ratio means that, for example, the difference in the atomic ratio of each other is within 10%.

ここで、例えば単結晶の密度は、異なる原子数比を有する、2つ以上のIn−M−Zn酸化物膜の密度から見積もってもよい。ここで原子数比がIn:M:Zn=1:1:1である単結晶の密度をD、原子数比がIn:M:Zn=2:2:1である単結晶の密度をDとする。インジウム、元素M及び亜鉛の原子数比が1:1:0.8であるIn−M−Zn酸化物膜の密度は、DとDの間の値を取ることが予測される。よって単結晶の密度として、例えばDとDの平均値を算出して参照してもよいし、D、Dいずれかの値、例えば原子数比のより近い値を参照してもよい。DとDを用いて平均値を算出する際には、例えば0.6×D+0.4×Dとすればよい。原子数比がIn:M:Zn=A:B:Cである単結晶の密度をDα、原子数比がIn:M:Zn=D:E:Fである単結晶の密度をDβとする。原子数比がIn:M:Zn=X:Y:Zである単結晶の密度は、例えば以下のように算出すればよい。 Here, for example, the density of the single crystal may be estimated from the density of two or more In-M-Zn oxide films having different atomic ratios. Here, the density of a single crystal having an atomic ratio of In: M: Zn = 1: 1: 1 is D 1 , and the density of a single crystal having an atomic ratio of In: M: Zn = 2: 2: 1 is D 2 . Indium atomic ratio of the element M and zinc is 1: 1: Density of In-M-Zn oxide film is 0.8, is expected to take values between D 1 and D 2. Therefore, as the density of the single crystal, for example, an average value of D 1 and D 2 may be calculated and referred to, or a value of either D 1 or D 2 , for example, a value closer to the atomic ratio may be referred to. Good. When calculating the average value using D 1 and D 2 , for example, 0.6 × D 1 + 0.4 × D 2 may be used. The density of a single crystal whose atomic ratio is In: M: Zn = A: B: C is D α , and the density of a single crystal whose atomic ratio is In: M: Zn = D: E: F is D β To do. The density of a single crystal having an atomic ratio of In: M: Zn = X: Y: Z may be calculated as follows, for example.

まず、(αA+βD):(αB+βE):(αC+βF)=X:Y:Zとなるようにα及びβを求める。次に、求めたα及びβを用い、単結晶の密度を{α/(α+β)}Dα+{β/(α+β)}Dβとして算出すればよい。 First, α and β are determined so that (αA + βD) :( αB + βE) :( αC + βF) = X: Y: Z. Next, using the obtained α and β, the density of the single crystal may be calculated as {α / (α + β)} D α + {β / (α + β)} D β .

次に、nc−OS膜の作製方法の一例について説明する。   Next, an example of a method for manufacturing the nc-OS film is described.

酸化物半導体膜を成膜するための一般的な手法としては、例えばスパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む)、真空蒸着法またはパルスレーザー堆積(PLD)法などが挙げられる。   As a general technique for forming an oxide semiconductor film, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (a metal organic chemical deposition (MOCVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or plasma chemistry) is used. Vapor deposition (including PECVD), vacuum evaporation, or pulsed laser deposition (PLD).

nc−OS膜は、スパッタリング法を用いて形成することが好ましい。スパッタリング法に用いるターゲットとして、In−M−Zn酸化物を用いることができる。   The nc-OS film is preferably formed by a sputtering method. As a target used for the sputtering method, an In-M-Zn oxide can be used.

またターゲットは多結晶のIn−M−Zn酸化物を有することが好ましい。例えば、多結晶のIn−M−Zn酸化物を有するターゲットを用いた場合には、ターゲットが劈開性を有し、nc−OS膜を形成しやすい可能性があり、より好ましい。   The target preferably includes a polycrystalline In-M-Zn oxide. For example, in the case where a target including a polycrystalline In-M-Zn oxide is used, the target has cleavage properties and an nc-OS film can be easily formed, which is more preferable.

ターゲットとして、酸化インジウム、元素Mを有する酸化物、及び酸化亜鉛の混合物を用いてIn−M−Zn酸化物を作製できる場合があるが、多結晶のIn−M−Zn酸化物を有するターゲットを用いることが好ましい。   As a target, an In-M-Zn oxide can be manufactured using a mixture of indium oxide, an oxide including the element M, and zinc oxide. A target including a polycrystalline In-M-Zn oxide may be used. It is preferable to use it.

また、nc−OS膜は、室温程度で形成できる場合があり、好ましい。例えば基板への加熱を行わなくても形成できる場合があり、好ましい。また、例えばチャンバー内の雰囲気を好ましくは室温以上500℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱してもよい。   The nc-OS film can be formed at about room temperature, which is preferable. For example, it may be formed without heating the substrate, which is preferable. Further, for example, the atmosphere in the chamber may be heated preferably at room temperature to 500 ° C., more preferably at 200 ° C. to 400 ° C.

[原子数の比について]
ここで本発明の一態様である酸化物半導体膜として、例えばIn−M−Zn酸化物膜を用いることが好ましい。In−M−Zn酸化物が有するIn,M及びZnの原子数比をIn:M:Zn=x:y:zとする。
[Atom ratio]
Here, for example, an In-M-Zn oxide film is preferably used as the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention. The atomic ratio of In, M, and Zn included in the In-M-Zn oxide is In: M: Zn = x: y: z.

本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn−M−Zn酸化物膜は、例えばインジウムの比率を高めることが好ましい。   For the In-M-Zn oxide film which is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention, for example, the ratio of indium is preferably increased.

また、酸化物半導体膜の粒界は、少ないほど好ましい。粒界の少ない非単結晶酸化物半導体膜として、例えばnc−OS膜やCAAC−OS膜が挙げられる。また、酸化物半導体膜は、nc−OS膜とCAAC−OS膜の両方を有してもよい。   In addition, the number of grain boundaries in the oxide semiconductor film is preferably as small as possible. As examples of the non-single-crystal oxide semiconductor film with few grain boundaries, an nc-OS film and a CAAC-OS film can be given. The oxide semiconductor film may include both the nc-OS film and the CAAC-OS film.

また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、ナノビーム電子回折を行った場合に、nc−OS膜の回折パターンが観測される領域(nc構造)を有することが好ましい。また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、nc−OS膜の回折パターンが観測される領域と、CAAC−OS膜の回折パターンが観測される領域(CAAC構造)と、を有してもよい。   The oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention preferably includes a region (nc structure) where a diffraction pattern of the nc-OS film is observed when nanobeam electron diffraction is performed. The oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention includes a region where a diffraction pattern of the nc-OS film is observed and a region (CAAC structure) where the diffraction pattern of the CAAC-OS film is observed. May be.

また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、高いnc比率を有することが好ましい。例えば、nc比率は30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、nc比率とCAAC比率の和が80%以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、99%以上100%以下であることがより好ましい。   The oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention preferably has a high nc ratio. For example, the nc ratio is preferably 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 80% or more. In the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, the sum of the nc ratio and the CAAC ratio is preferably 80% or more, preferably 90% or more and 100% or less, and 95% or more and 100% or less. It is preferably 98% or more and 100% or less, and more preferably 99% or more and 100% or less.

本発明の一態様である酸化物半導体膜は、複数の膜を積層してもよい。また複数の膜のそれぞれのnc比率及びCAAC比率が異なってもよい。また、積層された複数の膜のうち、少なくとも一層の膜は、高いnc比率を有することが好ましい。例えば、nc比率は30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。また、積層された複数の膜のうち、少なくとも一層の膜は、nc比率とCAAC比率の和が80%以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、99%以上100%以下であることがより好ましい。   The oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention may be a stack of a plurality of films. Further, the nc ratio and the CAAC ratio of each of the plurality of films may be different. In addition, at least one of the stacked films preferably has a high nc ratio. For example, the nc ratio is preferably 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 80% or more. Of the plurality of stacked films, at least one film preferably has a sum of the nc ratio and the CAAC ratio of 80% or more, preferably 90% or more and 100% or less, and 95% or more and 100 % Or less, preferably 98% or more and 100% or less, and more preferably 99% or more and 100% or less.

図6に示したように、In、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合には、亜鉛の比率を大きくすることにより固溶域が広くなることが非特許文献1に記載されている。ここで、In−Ga−Zn酸化物の原子数比を固溶域をとり得る範囲とすることにより、本発明の一態様の酸化物半導体膜のCAAC比率がより高まる場合がある。よって、亜鉛の比率を小さくすることにより、本発明の一態様の酸化物半導体膜のnc比率をより高くできる場合がある。酸化物半導体膜の有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比をインジウム:元素M:亜鉛=x:y:zとする。例えば、zに対するx+yの割合、すなわち(x+y)/zを大きくすることにより、nc比率をより高めることができる場合がある。具体的には、例えば(x+y)>zが好ましく、(x+y)≧1.5zが好ましく、(x+y)≧2zが好ましい。 As shown in FIG. 6, when In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , and ZnO powders are mixed and fired at 1350 ° C., the solid solution region becomes wider by increasing the ratio of zinc. Is described in Non-Patent Document 1. Here, in some cases, the CAAC ratio of the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is further increased by setting the atomic ratio of the In—Ga—Zn oxide in a range in which a solid solution region can be obtained. Therefore, in some cases, the nc ratio of the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention can be further increased by reducing the ratio of zinc. The atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the oxide semiconductor film is indium: element M: zinc = x: y: z. For example, the nc ratio may be further increased by increasing the ratio of x + y to z, that is, (x + y) / z. Specifically, for example, (x + y)> z is preferable, (x + y) ≧ 1.5z is preferable, and (x + y) ≧ 2z is preferable.

また、スピネル構造の結晶がCAAC−OS膜やnc−OS膜と混在することにより、明確な粒界、または境界部を形成する場合がある。よって、スピネル構造の結晶がより形成されやすい原子数比から遠ざけることが好ましい。   In addition, a crystal grain having a spinel structure is mixed with a CAAC-OS film or an nc-OS film, so that a clear grain boundary or boundary portion may be formed in some cases. Therefore, it is preferable to keep away from the number ratio of atoms in which a spinel crystal is more easily formed.

よって、本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn−M−Zn酸化物膜が有するIn,元素M及び亜鉛の原子数比x、y及びzは図4(A)に示す領域13内の原子数の比を有することが好ましく、図4(B)に示す領域14の原子数の比を有することがより好ましい。ここで領域13は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標V(x:y:z=1:2:3)と、第4の座標S(x:y:z=1:0:1)と、第5の座標T(x:y:z=8:0:1)と、第6の座標U(x:y:z=6:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域内である。なお、領域13は、6つの点を結ぶ線分を含む。また領域13には全ての座標を含む。また、領域14は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標V(x:y:z=1:2:3)と、第4の座標W(x:y:z=7:1:8)と、第5の座標X(x:y:z=7:1:1)と、第6の座標U(x:y:z=6:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域内である。なお、領域14は6つの点を結ぶ線分を含む。また領域14には全ての座標を含む。   Therefore, the atomic ratios x, y, and z of In, the element M, and zinc included in the In-M-Zn oxide film which is the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention are within the region 13 illustrated in FIG. The ratio of the number of atoms is preferably, and the ratio of the number of atoms in the region 14 shown in FIG. 4B is more preferable. Here, the region 13 includes a first coordinate K (x: y: z = 8: 14: 7), a second coordinate R (x: y: z = 2: 4: 3), and a third coordinate. V (x: y: z = 1: 2: 3), fourth coordinate S (x: y: z = 1: 0: 1), and fifth coordinate T (x: y: z = 8: 0: 1), the sixth coordinates U (x: y: z = 6: 2: 1), and the first coordinates K are within a region connected in order by a line segment. Note that the region 13 includes a line segment connecting six points. The region 13 includes all coordinates. The region 14 includes a first coordinate K (x: y: z = 8: 14: 7), a second coordinate R (x: y: z = 2: 4: 3), and a third coordinate. V (x: y: z = 1: 2: 3), fourth coordinate W (x: y: z = 7: 1: 8), and fifth coordinate X (x: y: z = 7: 1: 1), the sixth coordinates U (x: y: z = 6: 2: 1), and the first coordinates K are within a region connected in order by a line segment. Note that the region 14 includes a line segment connecting six points. The area 14 includes all coordinates.

また、酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、得られる膜の原子数比が、ターゲットの原子数比からずれる場合がある。特に亜鉛は、得られる膜の亜鉛の比率がターゲットの亜鉛の比率よりも小さくなる場合がある。具体的には、得られる膜の亜鉛の比率は、例えばターゲットの亜鉛の比率の40atomic%以上90atomic%程度以下となる場合がある。   In the case where the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, the atomic ratio of the obtained film may deviate from the atomic ratio of the target. In particular, zinc may have a zinc ratio in the resulting film smaller than the target zinc ratio. Specifically, the ratio of zinc in the obtained film may be, for example, about 40 atomic% or more and about 90 atomic% or less of the ratio of target zinc.

ここで、In−Ga−Zn酸化物をスパッタリング法で成膜する場合に、用いるターゲットの原子数比と得られる膜の原子数比との関係を調べた。   Here, when an In—Ga—Zn oxide film was formed by a sputtering method, the relationship between the atomic ratio of the target to be used and the atomic ratio of the obtained film was examined.

成膜条件として、成膜ガスにアルゴン及び酸素を用い、酸素流量比を33%とした。ここで酸素流量比とは、酸素流量÷(酸素流量+アルゴン流量)×100[%]で表される量である。また、圧力は0.4Paから0.7Paの範囲とし、基板温度を200℃乃至300℃、電源電力を0.5kW(DC)とした。   As film forming conditions, argon and oxygen were used as the film forming gas, and the oxygen flow rate ratio was 33%. Here, the oxygen flow rate ratio is an amount represented by oxygen flow rate ÷ (oxygen flow rate + argon flow rate) × 100 [%]. The pressure was in the range of 0.4 Pa to 0.7 Pa, the substrate temperature was 200 ° C. to 300 ° C., and the power source power was 0.5 kW (DC).

図23に、ターゲットの2つの元素に着目した際の原子数比の比の値と、亜鉛の残留率との関係を示す。図中の数字は、ターゲットのIn:Ga:Znの原子数比を表す。ここで亜鉛の残留率について説明する。得られた膜の原子数比における、亜鉛の項の値を、膜のインジウム、ガリウム及び亜鉛の項の値の和で割った値をZn(Film)とする。また、ターゲットの原子数比における、亜鉛の項の値を、ターゲットのインジウム、ガリウム及び亜鉛の項の値の和で割った値をZn(Target)とする。ここで、亜鉛の残留率を、A=Zn(Film)÷Zn(Target)×100[%]で表される値と定義する。   FIG. 23 shows the relationship between the ratio of the atomic ratio when focusing on the two elements of the target and the residual ratio of zinc. The numbers in the figure represent the target atomic ratio of In: Ga: Zn. Here, the residual ratio of zinc will be described. The value obtained by dividing the value of the zinc term in the atomic ratio of the obtained film by the sum of the values of the indium, gallium, and zinc terms of the film is defined as Zn (Film). In addition, a value obtained by dividing the value of the zinc term in the target atomic ratio by the sum of the values of the target indium, gallium, and zinc is Zn (Target). Here, the residual ratio of zinc is defined as a value represented by A = Zn (Film) ÷ Zn (Target) × 100 [%].

また、用いるIn−Ga−Zn酸化物ターゲットのインジウム、ガリウム及び亜鉛の原子数比をa:b:cと表す。   In addition, the atomic ratio of indium, gallium, and zinc in the In—Ga—Zn oxide target to be used is represented as a: b: c.

図23(A)は横軸にターゲットのガリウムに対する亜鉛の比の値(c/b)を、図23(B)は横軸にターゲットのインジウムの原子数比に対するガリウムの比の値(b/a)を、図23(C)は横軸にターゲットのインジウムに対する亜鉛の比の値(c/a)をそれぞれ示している。またそれぞれの縦軸は亜鉛の残留率Aを示す。   FIG. 23A shows the value (c / b) of the ratio of zinc to the target gallium on the horizontal axis, and FIG. 23B shows the value of the ratio of gallium to the atomic ratio of indium on the target (b / b) on the horizontal axis. FIG. 23C shows the value of a ratio of zinc to indium of the target (c / a) on the horizontal axis. Each vertical axis indicates the residual ratio A of zinc.

ここで図23より、スパッタリング法により得られる膜の亜鉛の残留率は、おおよそ50%以上90%以下であることがわかる。また、インジウムおよびガリウムは、亜鉛と比較してターゲットの原子数比からは大きく変化しないといえる。また、ターゲットのガリウムに対する亜鉛の比の値(c/b)が例えば1の場合には亜鉛の残留率Aは約66%、2の場合には約74%、3の場合は約83%である。   Here, it can be seen from FIG. 23 that the residual ratio of zinc in the film obtained by the sputtering method is approximately 50% or more and 90% or less. Moreover, it can be said that indium and gallium do not change greatly from the atomic ratio of the target as compared with zinc. For example, when the value of the ratio of zinc to gallium (c / b) of the target is 1, the residual ratio A of zinc is about 66%, 2 is about 74%, and 3 is about 83%. is there.

また図23(A)より、ターゲットのガリウムに対する亜鉛の比の値(c/b)と、亜鉛の残留率との間には良好な相関があることがわかる。すなわち、ガリウムに対して亜鉛が少ない方が、残留率はより低くなっている。   Further, FIG. 23A shows that there is a good correlation between the ratio of the ratio of zinc to the target gallium (c / b) and the residual ratio of zinc. That is, the residual rate is lower when the amount of zinc is smaller than that of gallium.

以上を鑑みて、スパッタリング法を用いて図4(A)に示す領域13の酸化物半導体膜を得るためには、例えば目的の膜の亜鉛の比の値に対し、ターゲットの亜鉛の比の値を好ましくは1.7倍以上、より好ましくは1.5倍以上とすればよい。よってターゲットのインジウム、ガリウム及び亜鉛は図5に示す領域15の原子数比を有することが好ましい。ここで領域15は、第1の座標K(a:b:c=8:14:7)と、第2の座標R(a:b:c=2:4:3)と、第3の座標Y(a:b:c=1:2:5.1)と、第4の座標Z(a:b:c=1:0:1.7)と、第5の座標T(a:b:c=8:0:1)と、第6の座標U(a:b:c=6:2:1)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ領域内である。なお、領域15は、6つの点を結んだ線分を含む。領域15には全ての座標を含む。   In view of the above, in order to obtain the oxide semiconductor film in the region 13 illustrated in FIG. 4A by using the sputtering method, for example, the value of the ratio of the target zinc to the value of the target film zinc ratio Is preferably 1.7 times or more, more preferably 1.5 times or more. Therefore, it is preferable that the target indium, gallium, and zinc have the atomic ratio of the region 15 shown in FIG. Here, the region 15 includes a first coordinate K (a: b: c = 8: 14: 7), a second coordinate R (a: b: c = 2: 4: 3), and a third coordinate. Y (a: b: c = 1: 2: 5.1), fourth coordinate Z (a: b: c = 1: 0: 1.7), and fifth coordinate T (a: b: c = 8: 0: 1), the sixth coordinate U (a: b: c = 6: 2: 1), and the first coordinate K are within the region connected by line segments in order. . Note that the region 15 includes a line segment connecting six points. Region 15 includes all coordinates.

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3)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜を用いたトランジスタの一例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a transistor including an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

[トランジスタの例1]
酸化物半導体膜を用いたトランジスタの一例について、図12を用いて説明する。
[Example 1 of a transistor]
An example of a transistor including an oxide semiconductor film will be described with reference to FIGS.

図12(A)はトランジスタ100の上面図を示す。また、図12(B)は図12(A)に示す一点鎖線X−X’における断面を、図12(C)は一点鎖線Y−Y’における断面を示す。図12に示すトランジスタ100は、基板50と、基板50の上面に接する絶縁膜51と、絶縁膜51の上面に接する絶縁膜114と、絶縁膜114の上面に接する半導体層101と、導電層104a及び導電層104bと、半導体層101上にゲート絶縁膜102と、ゲート絶縁膜102を介して半導体層101と重なるゲート電極103と、を有する。またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112及び絶縁膜113が設けられている。また、トランジスタ100は、導電層105を有してもよい。また、基板50と絶縁膜114の間に、絶縁膜を設けなくてもよい。   12A shows a top view of the transistor 100. FIG. 12B shows a cross section taken along the alternate long and short dash line X-X ′ shown in FIG. 12A, and FIG. 12C shows a cross section taken along the alternate long and short dash line Y-Y ′. The transistor 100 illustrated in FIG. 12 includes a substrate 50, an insulating film 51 in contact with the upper surface of the substrate 50, an insulating film 114 in contact with the upper surface of the insulating film 51, a semiconductor layer 101 in contact with the upper surface of the insulating film 114, and a conductive layer 104a. And the conductive layer 104b, the gate insulating film 102 over the semiconductor layer 101, and the gate electrode 103 which overlaps with the semiconductor layer 101 with the gate insulating film 102 interposed therebetween. An insulating film 112 and an insulating film 113 are provided so as to cover the transistor 100. In addition, the transistor 100 may include the conductive layer 105. Further, it is not necessary to provide an insulating film between the substrate 50 and the insulating film 114.

半導体層101は、単層で形成してもよく、第1の層乃至第3の層の積層構造で形成されることがより好ましい。第2の層は第1の上に接して設けられ、第3の層は第2層上に接して設けられる。ここで、本発明の一態様のトランジスタにおいて、第1の層および第3の層は、第2の層と比べて電流が流れにくい領域を有する。よって、第1の層および第3の層を絶縁体層と呼ぶ場合がある。よって、図12に示す例のように、半導体層101は絶縁体層101a、半導体層101b、および絶縁体層101cの積層構造で形成されることが好ましい。また、絶縁体層101a及び絶縁体層101cのうちいずれかを有さない構造としてもよい。図12に示す例において、半導体層101bは、絶縁体層101aの上面に接する。また、導電層104a及び導電層104bは、半導体層101bの上面と接し、半導体層101bと重なる領域で離間する。また、絶縁体層101cは、半導体層101bの上面に接する。また、ゲート絶縁膜102は、絶縁体層101cの上面と接する。また、ゲート電極103は、ゲート絶縁膜102及び絶縁体層101cを介して半導体層101bと重なる。   The semiconductor layer 101 may be formed with a single layer, and more preferably with a stacked structure of first to third layers. The second layer is provided on and in contact with the first, and the third layer is provided on and in contact with the second layer. Here, in the transistor of one embodiment of the present invention, the first layer and the third layer have a region through which a current hardly flows as compared to the second layer. Therefore, the first layer and the third layer may be referred to as insulator layers. Therefore, as in the example illustrated in FIGS. 12A and 12B, the semiconductor layer 101 is preferably formed using a stacked structure of the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c. Alternatively, a structure without any of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c may be employed. In the example illustrated in FIG. 12, the semiconductor layer 101b is in contact with the upper surface of the insulator layer 101a. In addition, the conductive layer 104a and the conductive layer 104b are in contact with the top surface of the semiconductor layer 101b and are separated in a region overlapping with the semiconductor layer 101b. The insulator layer 101c is in contact with the upper surface of the semiconductor layer 101b. The gate insulating film 102 is in contact with the upper surface of the insulator layer 101c. The gate electrode 103 overlaps the semiconductor layer 101b with the gate insulating film 102 and the insulator layer 101c interposed therebetween.

またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112及び絶縁膜113が設けられている。絶縁膜112及び絶縁膜113については、後述する実施の形態で詳細を述べる。   An insulating film 112 and an insulating film 113 are provided so as to cover the transistor 100. The insulating film 112 and the insulating film 113 will be described in detail in an embodiment described later.

導電層104a及び導電層104bはソース電極またはドレイン電極としての機能を有する。また、導電層105に、ソース電極よりも低い電圧または高い電圧を印加し、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へ変動させてもよい。トランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることで、ゲート電圧が0Vであってもトランジスタが非導通状態(オフ状態)となる、ノーマリーオフが実現できる場合がある。なお、導電層105に印加する電圧は、可変であってもよいし、固定であってもよい。導電層105に印加する電圧を可変にする場合、電圧を制御する回路を導電層105に接続してもよい。また、導電層105は、ゲート電極103と接続してもよい。   The conductive layer 104a and the conductive layer 104b function as a source electrode or a drain electrode. Alternatively, a voltage lower or higher than that of the source electrode may be applied to the conductive layer 105 so that the threshold voltage of the transistor is changed in a positive direction or a negative direction. By varying the threshold voltage of the transistor in the positive direction, normally-off in which the transistor is turned off (off state) even when the gate voltage is 0 V may be realized. Note that the voltage applied to the conductive layer 105 may be variable or fixed. In the case where the voltage applied to the conductive layer 105 is variable, a circuit for controlling the voltage may be connected to the conductive layer 105. Further, the conductive layer 105 may be connected to the gate electrode 103.

絶縁膜114の上面はCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていることが好ましい。   The upper surface of the insulating film 114 is preferably planarized by a planarization process using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like.

絶縁膜114は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜114から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体層101に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。   The insulating film 114 preferably contains an oxide. In particular, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably included. It is preferable to use an oxide containing oxygen in excess of that in the stoichiometric composition. Part of oxygen is released by heating from the oxide film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition. Oxygen released from the insulating film 114 is supplied to the semiconductor layer 101 which is an oxide semiconductor, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced. As a result, variation in electrical characteristics of the transistor can be suppressed and reliability can be improved.

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 An oxide film containing more oxygen than that in the stoichiometric composition has, for example, a desorption amount of oxygen in terms of oxygen atoms in temperature-programmed desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis). The oxide film has a thickness of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、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等を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。   For example, as such a material, a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used. Alternatively, a metal oxide can be used. As the metal oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and silicon nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

また絶縁膜114に酸素を過剰に含有させるために、絶縁膜114に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよい。例えば、成膜後の絶縁膜114に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   In order to contain excess oxygen in the insulating film 114, a region containing excess oxygen may be formed by introducing oxygen into the insulating film 114. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulating film 114 which has been formed, so that a region containing excess oxygen is formed. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

半導体層101は、酸化物半導体を含んで構成される。酸化物半導体は、シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジスタのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。また、半導体層101が酸化物半導体を含んで構成されることにより、電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジスタを実現できる。   The semiconductor layer 101 includes an oxide semiconductor. An oxide semiconductor is preferably formed using a semiconductor material having a wider band gap and lower carrier density than silicon because current in an off state of the transistor can be reduced. In addition, since the semiconductor layer 101 includes an oxide semiconductor, a change in electrical characteristics is suppressed and a highly reliable transistor can be realized.

ここで半導体層101として、例えば実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導体を用いることができる。   Here, as the semiconductor layer 101, for example, the oxide semiconductor described in Embodiment 1 or 2 can be used.

なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体層のキャリア密度は、1×1017/cm未満、1×1015/cm未満、または1×1013/cm未満である。酸化物半導体層を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 Note that in this specification and the like, the carrier density of the oxide semiconductor layer is less than 1 × 10 17 / cm 3, less than 1 × 10 15 / cm 3 , or less than 1 × 10 13 / cm 3 when it is substantially intrinsic. It is. By making the oxide semiconductor layer highly purified and intrinsic, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor.

ここで、半導体層101として、絶縁体層101a、半導体層101b、及び絶縁体層101cの積層膜を用いる場合について、詳しく説明する。半導体層101bは、絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いることが好ましい。例えば、半導体層101bとして、絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。   Here, the case where a stacked film of the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c is used as the semiconductor layer 101 will be described in detail. The semiconductor layer 101b is preferably formed using an oxide having an electron affinity higher than those of the insulator layers 101a and 101c. For example, as the semiconductor layer 101b, the electron affinity of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c is 0.07 eV or more and 1.3 eV or less, preferably 0.1 eV or more and 0.7 eV or less, more preferably 0.15 eV or more and 0.000. An oxide larger than 4 eV is used. Note that the electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.

半導体層101bとして、絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いることにより、ゲート電極に電界を印加すると、絶縁体層101a、半導体層101b、絶縁体層101cのうち、電子親和力の大きい半導体層101bにチャネルが形成される。ここで、半導体層101bにチャネルが形成されることにより、例えばチャネル形成領域がゲート絶縁膜102との界面から離れるために、ゲート絶縁膜との界面での散乱の影響を小さくすることができる。よって、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。ここで、半導体層101bと絶縁体層101cは後述する通り、構成する元素が共通しているため、界面散乱がほとんど生じない。   When an electric field is applied to the gate electrode by using an oxide having higher electron affinity than the insulator layer 101a and the insulator layer 101c as the semiconductor layer 101b, the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c A channel is formed in the semiconductor layer 101b having a high electron affinity. Here, when a channel is formed in the semiconductor layer 101b, for example, since the channel formation region is separated from the interface with the gate insulating film 102, the influence of scattering at the interface with the gate insulating film can be reduced. Thus, the field-effect mobility of the transistor can be increased. Here, since the constituent elements are common between the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c as described later, interface scattering hardly occurs.

また、ゲート絶縁膜に酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等を用いる場合、ゲート絶縁膜に含まれるシリコンが、酸化物半導体膜に混入することがある。酸化物半導体膜にシリコンが含まれると、酸化物半導体膜の結晶性の低下、キャリア移動度の低下などが起こる場合がある。従って、チャネルが形成される半導体層101bの不純物濃度、例えばシリコン濃度を低減するために、半導体層101bとゲート絶縁膜との間に絶縁体層101cを設けることが好ましい。同様の理由により、絶縁膜114からの不純物拡散の影響を低減するために、半導体層101bと絶縁膜114の間に絶縁体層101aを設けることが好ましい。   In the case where a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, a silicon nitride film, or the like is used for the gate insulating film, silicon contained in the gate insulating film may be mixed into the oxide semiconductor film. When silicon is contained in the oxide semiconductor film, crystallinity of the oxide semiconductor film, carrier mobility, or the like may be reduced. Therefore, the insulator layer 101c is preferably provided between the semiconductor layer 101b and the gate insulating film in order to reduce the impurity concentration of the semiconductor layer 101b in which the channel is formed, for example, the silicon concentration. For the same reason, in order to reduce the influence of impurity diffusion from the insulating film 114, the insulator layer 101 a is preferably provided between the semiconductor layer 101 b and the insulating film 114.

半導体層101bとして、例えば、インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物半導体膜を用いればよい。例えば実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導体膜を用いることが好ましい。   For example, an oxide semiconductor film containing indium, the element M, and zinc may be used as the semiconductor layer 101b. For example, the oxide semiconductor film described in Embodiment 1 or 2 is preferably used.

半導体層101bは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体層101b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2.7eV以上3.7eV以下、さらに好ましくは2.8eV以上3.3eV以下とする。   For example, an oxide having a large energy gap is used for the semiconductor layer 101b. The energy gap of the semiconductor layer 101b is, for example, 2.5 eV or more and 4.2 eV or less, preferably 2.7 eV or more and 3.7 eV or less, more preferably 2.8 eV or more and 3.3 eV or less.

次に、絶縁体層101a及び絶縁体層101cについて説明する。例えば、絶縁体層101a及び絶縁体層101cは、半導体層101bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物である。半導体層101bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から絶縁体層101a及び絶縁体層101cが構成されるため、絶縁体層101aと半導体層101bとの界面、及び半導体層101bと絶縁体層101cとの界面において、界面準位が形成されにくい。   Next, the insulator layer 101a and the insulator layer 101c will be described. For example, the insulator layer 101a and the insulator layer 101c are oxides including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor layer 101b, or two or more elements. Since the insulator layer 101a and the insulator layer 101c are composed of one or more elements other than oxygen or two or more elements constituting the semiconductor layer 101b, the interface between the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b, and the semiconductor layer 101b Interface states are unlikely to be formed at the interface with the insulator layer 101c.

ここでバンド構造について図11に示す。図11には、真空準位(vacuum levelと表記。)、各層の伝導帯下端のエネルギー(Ecと表記。)及び価電子帯上端のエネルギー(Evと表記。)を示す。   Here, the band structure is shown in FIG. FIG. 11 shows the vacuum level (denoted as vacuum level), the energy at the lower end of the conduction band (denoted as Ec) and the energy at the upper end of the valence band (denoted as Ev).

ここで、絶縁体層101aと半導体層101bとの間には、絶縁体層101aと半導体層101bとの混合領域を有する場合がある。また、半導体層101bと絶縁体層101cとの間には、半導体層101bと絶縁体層101cとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。   Here, in some cases, there is a mixed region of the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b between the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b. Further, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c between the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c. In the mixed region, the interface state density is low. Therefore, the stack of the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c has a band structure in which energy continuously changes (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.

このとき、電子は、絶縁体層101a中及び絶縁体層101c中ではなく、半導体層101b中を主として移動する。上述したように、絶縁体層101a及び半導体層101bの界面における界面準位密度、半導体層101bと絶縁体層101cとの界面における界面準位密度が低くすることによって、半導体層101b中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。   At this time, electrons move mainly in the semiconductor layer 101b, not in the insulator layer 101a and the insulator layer 101c. As described above, by reducing the interface state density at the interface between the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b and the interface state density at the interface between the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c, electrons in the semiconductor layer 101b are reduced. The movement is hardly hindered, and the on-state current of the transistor can be increased.

なお、図11では、絶縁体層101aと絶縁体層101cのEcが同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、絶縁体層101aよりも絶縁体層101cのEcが高いエネルギーを有してもよい。   Note that although FIG. 11 illustrates the case where the insulator layers 101a and 101c have the same Ec, they may be different from each other. For example, the insulator layer 101c may have higher energy than the insulator layer 101a.

図12(B)に示すように、半導体層101bの側面は、導電層104a及び導電層104bと接する。また、図12(C)に示すように、ゲート電極103の電界によって、半導体層101bを電気的に取り囲むことができる(導電体の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。)。ゲート電極103が半導体層101bの上面及び側面に面して設けられることで、半導体層101bの上面近傍だけでなく全体(バルク)にチャネルが形成される場合がある。s−channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる。   As shown in FIG. 12B, the side surface of the semiconductor layer 101b is in contact with the conductive layer 104a and the conductive layer 104b. In addition, as illustrated in FIG. 12C, the semiconductor layer 101b can be electrically surrounded by an electric field of the gate electrode 103 (a structure of a transistor in which the semiconductor is electrically surrounded by an electric field of a conductor is a surrounded channel). (S-channel structure). When the gate electrode 103 is provided so as to face the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 101b, a channel may be formed not only in the vicinity of the upper surface of the semiconductor layer 101b but also in the whole (bulk). In the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and a current (on-state current) during conduction can be increased.

高いオン電流が得られるため、s−channel構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有する。特にチャネル幅が小さいほど半導体層101bの内部にまでチャネルが形成される領域が広がるため、微細化するほどオン電流に対する寄与が高まる。   Since a high on-state current can be obtained, the s-channel structure can be said to be a structure suitable for a miniaturized transistor. Since a transistor can be miniaturized, a semiconductor device including the transistor can be a highly integrated semiconductor device with high integration. For example, the transistor has a region with a channel length of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and the transistor has a channel width of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, and more. Preferably, it has a region of 20 nm or less. In particular, the smaller the channel width, the wider the region in which the channel is formed inside the semiconductor layer 101b. Therefore, the finer the contribution, the higher the contribution to the on-current.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cとして、例えばIn−M−Zn酸化物を用いることができる。   As the insulator layer 101a and the insulator layer 101c, for example, an In-M-Zn oxide can be used.

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、例えば絶縁体層101cはインジウムガリウム酸化物を含んでもよい。ガリウム原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上とする。   Note that indium gallium oxide has a small electron affinity and a high oxygen blocking property. Therefore, for example, the insulator layer 101c may include indium gallium oxide. The gallium atom ratio [Ga / (In + Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.

また、絶縁体層101cは、酸化ガリウムを含むことがより好ましい。絶縁体層101cに酸化ガリウムを含むと、より低いオフ電流を実現できる場合がある。   The insulator layer 101c more preferably contains gallium oxide. When the insulator layer 101c contains gallium oxide, a lower off-state current may be realized in some cases.

また、絶縁体層101a及び絶縁体層101cはnc−OS膜やCAAC−OS膜を用いることが好ましい。ここで、絶縁体層101aや絶縁体層101cのnc比率や、CAAC比率を高めることにより、例えば、欠陥をより少なくすることができる。また、例えばスピネル型の結晶を有する領域を少なくすることができる。また、例えばキャリアの散乱を小さくすることができる。また、例えば不純物に対するブロック能の高い膜とすることができる。また、半導体層101bへの不純物の混入を抑制することができ、半導体層101bの不純物濃度を低減することができる。   The insulator layer 101a and the insulator layer 101c are preferably formed using an nc-OS film or a CAAC-OS film. Here, by increasing the nc ratio or the CAAC ratio of the insulator layer 101a or the insulator layer 101c, for example, defects can be reduced. Further, for example, a region having a spinel crystal can be reduced. Further, for example, carrier scattering can be reduced. Further, for example, a film having a high blocking ability against impurities can be obtained. In addition, entry of impurities into the semiconductor layer 101b can be suppressed, and the impurity concentration in the semiconductor layer 101b can be reduced.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cのnc比率は、例えば10%以上が好ましく、30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上が好ましく、90%以上が好ましく、95%以上が好ましい。   The nc ratio of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c is preferably 10% or more, preferably 30% or more, preferably 50% or more, preferably 80% or more, preferably 90% or more, and preferably 95% or more. .

ここで、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cがIn−M−Zn酸化物である場合を考える。絶縁体層101aが有するIn、元素M及びZnの原子数比をx、y及びzとする。同様に、半導体層101bが有するIn、元素M及びZnの原子数比をx、y及びzとする。同様に、絶縁体層101cが有するIn、元素M及びZnの原子数比をx、y及びzとする。以下にそれぞれの好ましい値について説明する。 Here, a case where the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c are In-M-Zn oxide is considered. In having the insulator layer 101a, the atomic ratio of the element M and Zn and x a, y a, and z a. Similarly, In having the semiconductor layer 101b, the atomic ratio of the element M and Zn and x b, y b and z b. Similarly, the atomic ratio of In, the element M, and Zn included in the insulator layer 101c is x c , y c, and z c . Each preferable value will be described below.

、y及びzは図1、図2(A)及び図4に示す領域11、領域12、領域13及び領域14のいずれかの範囲をとることが好ましい。 x b , y b, and z b preferably take one of the ranges of the region 11, the region 12, the region 13, and the region 14 shown in FIGS. 1, 2A, and 4.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cはスピネル型の結晶構造が含まれない、または少ないことが好ましい。よって、x:y:z及びx:y:zは、例えば図1の領域11の範囲内であり、かつ半導体層101bよりも電子親和力が小さくなる値を取ることが好ましい。 It is preferable that the insulator layer 101a and the insulator layer 101c have no or few spinel crystal structures. Therefore, it is preferable that x a : y a : z a and x c : y c : z c are within the range of the region 11 in FIG. 1, for example, and have values with a lower electron affinity than the semiconductor layer 101b. .

ここで、半導体層101bの電子親和力を絶縁体層101a及び絶縁体層101cより大きくするには、例えば半導体層101bのインジウムの含有率を絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも高めることが好ましい。   Here, in order to make the electron affinity of the semiconductor layer 101b larger than that of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c, for example, the indium content of the semiconductor layer 101b is preferably higher than that of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c. .

例えば、x/(x+y+z)>x/(x+y+z)、及びx/(x+y+z)>x/(x+y+z)を満たすことが好ましい。 For example, x b / (x b + y b + z b)> x a / (x a + y a + z a), and x b / (x b + y b + z b)> x c / (x c + y c + z c) It is preferable to satisfy.

例えば、好ましくはx/(x+y)<0.5であり、より好ましくはx/(x+y)<0.33であり、さらに好ましくはx/(x+y)<0.25である。また、好ましくはx/(x+y)≧0.25であり、さらに好ましくはx/(x+y)≧0.34である。また、好ましくはx/(x+y)<0.5であり、より好ましくはx/(x+y)<0.33あり、さらに好ましくはx/(x+y)<0.25である。 For example, x a / (x a + y a ) <0.5 is preferable, x a / (x a + y a ) <0.33 is more preferable, and x a / (x a + y a is more preferable. ) <0.25. Preferably, x b / (x b + y b ) ≧ 0.25, and more preferably x b / (x b + y b ) ≧ 0.34. Further, preferably, x c / (x c + y c ) <0.5, more preferably x c / (x c + y c ) <0.33, and further preferably x c / (x c + y c ). <0.25.

または、x、y、z、及びx、y、zは図2(B)に示す領域16内の原子数の比を有することが好ましい。ここで領域16は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標M(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標B(x:y:z=1:4:10)と、第6の座標C(x:y:z=1:1:4)と、第7の座標A(x:y:z=2:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域である。なお、領域16には全ての座標を含む。 Alternatively, x a , y a , z a , and x c , y c , z c preferably have a ratio of the number of atoms in the region 16 illustrated in FIG. Here, the region 16 includes a first coordinate K (x: y: z = 8: 14: 7), a second coordinate R (x: y: z = 2: 4: 3), and a third coordinate. L (x: y: z = 2: 5: 7), the fourth coordinate M (x: y: z = 51: 149: 300), and the fifth coordinate B (x: y: z = 1: 4:10), the sixth coordinates C (x: y: z = 1: 1: 4), the seventh coordinates A (x: y: z = 2: 2: 1), and the first coordinates This is an area in which the coordinates K are connected by line segments in order. The region 16 includes all coordinates.

なお、トランジスタがs−channel構造を有する場合、半導体層101bの全体にチャネルが形成される。したがって、半導体層101bが厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体層101bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。例えば、20nm以上、好ましくは40nm以上、さらに好ましくは60nm以上、より好ましくは100nm以上の厚さの領域を有する半導体層101bとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、300nm以下、好ましくは200nm以下、さらに好ましくは150nm以下の厚さの領域を有する半導体層101bとすればよい。   Note that in the case where the transistor has an s-channel structure, a channel is formed in the entire semiconductor layer 101b. Therefore, the thicker the semiconductor layer 101b, the larger the channel region. That is, the thicker the semiconductor layer 101b, the higher the on-state current of the transistor. For example, the semiconductor layer 101b may have a thickness of 20 nm or more, preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more, and more preferably 100 nm or more. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, for example, the semiconductor layer 101b having a region with a thickness of 300 nm or less, preferably 200 nm or less, and more preferably 150 nm or less may be used.

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、絶縁体層101cの厚さは小さいほど好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有する絶縁体層101cとすればよい。一方、絶縁体層101cは、チャネルの形成される半導体層101bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、絶縁体層101cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101cとすればよい。また、絶縁体層101cは、ゲート絶縁膜102などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。   In order to increase the on-state current of the transistor, the thickness of the insulator layer 101c is preferably as small as possible. For example, the insulator layer 101c may have a region less than 10 nm, preferably 5 nm or less, and more preferably 3 nm or less. On the other hand, the insulator layer 101c has a function of blocking entry of elements other than oxygen (hydrogen, silicon, and the like) included in the adjacent insulator into the semiconductor layer 101b where a channel is formed. Therefore, the insulator layer 101c preferably has a certain thickness. For example, the insulator layer 101c may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, and more preferably 2 nm or more. The insulator layer 101c preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the gate insulating film 102 and the like.

また、信頼性を高くするためには、絶縁体層101aは厚く、絶縁体層101cは薄いことが好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101aとすればよい。絶縁体層101aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体層101aとの界面からチャネルの形成される半導体層101bまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する絶縁体層101aとすればよい。   In order to increase reliability, it is preferable that the insulator layer 101a is thick and the insulator layer 101c is thin. For example, the insulator layer 101a may have a region with a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the insulator layer 101a, the distance from the interface between the adjacent insulator and the insulator layer 101a to the semiconductor layer 101b where a channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the insulator layer 101a having a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, and more preferably 80 nm or less may be used.

酸化物半導体膜に水素や水分が多量に含まれると、水素に起因したドナー準位が形成される場合がある。ドナー準位の形成により、トランジスタのしきい値がマイナス方向にシフトする場合がある。よって酸化物半導体膜の形成後に脱水化処理(脱水素化処理)を行い、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好ましい。   When the oxide semiconductor film contains a large amount of hydrogen or moisture, donor levels due to hydrogen may be formed. The formation of the donor level may shift the threshold value of the transistor in the negative direction. Therefore, it is preferable that dehydration treatment (dehydrogenation treatment) be performed after the oxide semiconductor film is formed so that hydrogen or moisture is removed so that impurities are included as little as possible.

なお、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって、同時に酸素も減少してしまうことがある。よって、脱水化処理後、酸素を供給し、酸化物半導体膜の酸素欠損を補填することが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給することを、加酸素化処理と記す場合がある。または酸化物半導体膜に含まれる酸素の割合を化学量論的組成よりも高くすることを過酸素化処理と記す場合がある。   Note that oxygen may be reduced at the same time due to dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film. Therefore, it is preferable to supply oxygen after the dehydration treatment to fill oxygen vacancies in the oxide semiconductor film. In this specification and the like, supplying oxygen to an oxide semiconductor film may be referred to as oxygenation treatment. Alternatively, increasing the proportion of oxygen contained in the oxide semiconductor film higher than the stoichiometric composition may be referred to as peroxygenation treatment.

このように、脱水化処理により水素または水分を除去し、さらに加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、i型(真性)、またはi型に限りなく近い、実質的にi型(真性)である酸化物半導体膜を実現することができる。なお、実質的に真性とは、酸化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近く)、キャリア密度が1×1017/cm以下、1×1016/cm以下、1×1015/cm以下、1×1014/cm以下、1×1013/cm以下であることをいう。 In this way, hydrogen or water is removed by dehydration treatment, and oxygen deficiency is compensated by oxygenation treatment, so that i-type (intrinsic) or substantially i-type (intrinsic) is almost unlimited. The oxide semiconductor film can be realized. Note that substantially intrinsic means that the number of carriers derived from a donor in the oxide semiconductor film is extremely small (near zero), and the carrier density is 1 × 10 17 / cm 3 or less, 1 × 10 16 / cm 3 or less, It means 1 × 10 15 / cm 3 or less, 1 × 10 14 / cm 3 or less, and 1 × 10 13 / cm 3 or less.

i型又は実質的にi型である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、極めて優れたオフ電流を実現することができる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオフ電流を、室温(25℃程度)にて1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、さらに好ましくは1×10−24A以下、または85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、さらに好ましくは1×10−21A以下とすることができる。ここで、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を指す。また、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がしきい値よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値よりも1V以上、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。 A transistor including an i-type or substantially i-type oxide semiconductor film can achieve extremely excellent off-state current. For example, the off-state current of a transistor including an oxide semiconductor film is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably 1 × 10 −24 A at room temperature (about 25 ° C.). 1 × 10 −15 A or less, preferably 1 × 10 −18 A or less, more preferably 1 × 10 −21 A or less at 85 ° C. Here, the off-state current refers to a drain current when the transistor is off. A transistor in an off state refers to a state where the gate voltage is sufficiently smaller than a threshold value in the case of an n-channel transistor. Specifically, when the gate voltage is 1 V or higher, 2 V or higher, or 3 V or lower than the threshold value, the transistor is turned off.

導電層104a及び導電層104bは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。   One of the conductive layer 104a and the conductive layer 104b functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.

導電層104a及び導電層104bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。   The conductive layer 104a and the conductive layer 104b each have a single-layer structure or a stacked structure using a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the metal as a main component. Used as For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a two layer structure in which an aluminum film is stacked on a titanium film, a two layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, and a copper film on a copper-magnesium-aluminum alloy film Two-layer structure to stack, two-layer structure to stack a copper film on a titanium film, two-layer structure to stack a copper film on a tungsten film, a titanium film or a titanium nitride film, and an overlay on the titanium film or titanium nitride film A three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is stacked and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or a molybdenum nitride film, and an aluminum film or a copper layer stacked on the molybdenum film or the molybdenum nitride film There is a three-layer structure in which films are stacked and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

ゲート絶縁膜102は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。   The gate insulating film 102 may be formed using, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, a Ga—Zn-based metal oxide, or silicon nitride, and is stacked or formed as a single layer.

また、ゲート絶縁膜102として、ハフニウムシリケート(HfSiO)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAl)、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用いてもよい。 As the gate insulating film 102, hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium silicate added with nitrogen (HfSi x O y N z ), hafnium aluminate added with nitrogen (HfAl x O y N z ), yttrium oxide High-k materials such as

また、ゲート絶縁膜102として、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、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、酸化ハフニウム及び酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。   As the gate insulating film 102, an oxide insulating film such as aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide is used. Alternatively, a nitride insulating film such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can be used.

また、ゲート絶縁膜102として、絶縁膜114と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。   As the gate insulating film 102, as with the insulating film 114, an oxide insulating film containing more oxygen than that in the stoichiometric composition is preferably used.

なお、特定の材料をゲート絶縁膜に用いると、特定の条件でゲート絶縁膜に電子を捕獲せしめて、しきい値電圧をプラス方向へシフトさせることもできる。例えば、酸化シリコンと酸化ハフニウムの積層膜のように、ゲート絶縁膜の一部に酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用い、より高い温度(半導体装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表的には1分以上維持することで、半導体層からゲート電極に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位に捕獲される。   Note that when a specific material is used for the gate insulating film, electrons can be trapped in the gate insulating film under specific conditions, and the threshold voltage can be shifted in the positive direction. For example, a material having a high electron capture level such as hafnium oxide, aluminum oxide, or tantalum oxide is used for a part of the gate insulating film, such as a stacked film of silicon oxide and hafnium oxide, and a higher temperature (use of a semiconductor device) The temperature of the gate electrode is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode at a temperature higher than the temperature or storage temperature, or 125 ° C. to 450 ° C., typically 150 ° C. to 300 ° C. By maintaining for 1 second or more, typically 1 minute or more, electrons move from the semiconductor layer toward the gate electrode, and some of them are captured by the electron capture level.

ゲート電極103は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、ゲート電極103は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。   The gate electrode 103 is formed using, for example, a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, an alloy including the above-described metal, or an alloy combining the above-described metals. Can do. Further, a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used. Alternatively, a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used. The gate electrode 103 may have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film Layer structure, two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film or tungsten nitride film, a three-layer structure in which a titanium film, an aluminum film is stacked on the titanium film, and a titanium film is further formed thereon is there. Alternatively, an alloy film or a nitride film in which one or more metals selected from aluminum, titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined may be used.

また、ゲート電極103は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。   The gate electrode 103 includes indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, and indium zinc oxide. Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used. Alternatively, a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal can be used.

また、ゲート電極103とゲート絶縁膜102の間に、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜、In−Sn系酸窒化物半導体膜、In−Ga系酸窒化物半導体膜、In−Zn系酸窒化物半導体膜、Sn系酸窒化物半導体膜、In系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜(InN、ZnN等)等を設けてもよい。これらの膜は5eV以上、好ましくは5.5eV以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いた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、所謂ノーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる場合、少なくとも半導体層101より高い窒素濃度、具体的には7原子%以上のIn−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる。   In addition, an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film, an In—Sn-based oxynitride semiconductor film, an In—Ga-based oxynitride semiconductor film, and an In—Zn-based film are provided between the gate electrode 103 and the gate insulating film 102. An oxynitride semiconductor film, a Sn-based oxynitride semiconductor film, an In-based oxynitride semiconductor film, a metal nitride film (InN, ZnN, or the like), or the like may be provided. These films have a work function of 5 eV or more, preferably 5.5 eV or more, and have a value larger than the electron affinity of the oxide semiconductor. Therefore, the threshold voltage of the transistor including the oxide semiconductor is increased in the positive direction. Therefore, a switching element having a so-called normally-off characteristic can be realized. For example, in the case of using an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film, an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film having a nitrogen concentration higher than that of the semiconductor layer 101, specifically, 7 atomic% or more is used.

以上がトランジスタ100についての説明である。   The above is the description of the transistor 100.

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。   Note that the channel length means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed , The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode). Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。   The channel width is, for example, that a source and a drain face each other in a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed. The length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。   Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width). May be different). For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be larger than the ratio of the channel region formed on the upper surface of the semiconductor. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。   By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to estimate an effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width when the shape of the semiconductor is not accurately known.

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。   Therefore, in this specification, in the top view of a transistor, an apparent channel width which is a length of a portion where a source and a drain face each other in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other is referred to as an “enclosed channel width (SCW : Surrounded Channel Width) ”. In this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by obtaining a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。   Note that in the case where the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated and calculated, the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.

[トランジスタの例2]
本発明の一態様である酸化物半導体膜を用いたトランジスタの、図12とは異なる構造の一例について、図13を用いて説明を行う。図13(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図13(B)は、図13(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図13(C)は、図13(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。
[Transistor example 2]
An example of a structure which is different from that in FIG. 12 of the transistor including an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13A is a top view of the transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 13C corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG.

トランジスタ100は、基板50上のゲート電極として機能するゲート電極203aと、基板50及びゲート電極203a上のゲート絶縁膜202と、ゲート絶縁膜202上の半導体層201と、半導体層201に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極として機能する導電層204a、導電層204bと、を有する。また、トランジスタ100上、より詳しくは、導電層204a、導電層204b及び半導体層201上に絶縁膜214、絶縁膜216及び絶縁膜218が順に積層して設けられる。   The transistor 100 includes a gate electrode 203a that functions as a gate electrode over the substrate 50, a gate insulating film 202 over the substrate 50 and the gate electrode 203a, a semiconductor layer 201 over the gate insulating film 202, and the semiconductor layer 201 electrically. The conductive layer 204a and the conductive layer 204b function as a source electrode and a drain electrode to be connected. Further, the insulating film 214, the insulating film 216, and the insulating film 218 are sequentially stacked over the transistor 100, more specifically, over the conductive layer 204a, the conductive layer 204b, and the semiconductor layer 201.

次に、本実施の形態のトランジスタに含まれる構成要素について説明する。   Next, components included in the transistor of this embodiment will be described.

トランジスタ100のゲート電極として機能するゲート電極203aとしては、ゲート電極103の記載を参照すればよい。   For the gate electrode 203a functioning as the gate electrode of the transistor 100, the description of the gate electrode 103 may be referred to.

トランジスタ100のゲート絶縁膜として機能するゲート絶縁膜202としては、ゲート絶縁膜102の記載を参照すればよい。また、ゲート絶縁膜202として2層以上の積層膜を用いてもよい。例えば図13に示すように、ゲート絶縁膜202aとゲート絶縁膜202bの2層構造としてもよい。その場合は、例えば下層、ここではゲート絶縁膜202aに酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する膜を用いてもよい。ブロッキング膜としての機能を有する膜としては、例えば後述するバリア膜111等を参照すればよい。   For the gate insulating film 202 which functions as the gate insulating film of the transistor 100, the description of the gate insulating film 102 may be referred to. Alternatively, a stacked film including two or more layers may be used as the gate insulating film 202. For example, as shown in FIG. 13, a two-layer structure of a gate insulating film 202a and a gate insulating film 202b may be used. In that case, for example, a film having a function as a blocking film for suppressing permeation of oxygen may be used for the lower layer, here the gate insulating film 202a. As a film having a function as a blocking film, for example, a barrier film 111 described later may be referred to.

半導体層201としては、実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導体膜を用いればよい。また、半導体層201として、半導体層101の記載を参照してもよい。また、半導体層201は2層以上の積層膜を用いてもよい。   As the semiconductor layer 201, the oxide semiconductor film described in Embodiment 1 or 2 may be used. For the semiconductor layer 201, the description of the semiconductor layer 101 may be referred to. The semiconductor layer 201 may be a stacked film including two or more layers.

絶縁膜214、絶縁膜216及び絶縁膜218は、トランジスタ100の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜214は、絶縁膜216を形成する際の半導体層201へのダメージ緩和膜としても機能する。   The insulating film 214, the insulating film 216, and the insulating film 218 have a function as a protective insulating film of the transistor 100. The insulating film 214 also functions as a damage mitigating film for the semiconductor layer 201 when the insulating film 216 is formed.

絶縁膜214、絶縁膜216は、例えば、前述の絶縁膜114のように化学量論的組成よりも過剰に酸素を含有する領域(酸素過剰領域)を有することがより好ましい。   For example, the insulating film 214 and the insulating film 216 preferably have a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition (oxygen-excess region) like the above-described insulating film 114.

また絶縁膜214は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ESR測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度が3×1017spins/cm以下であることが好ましい。絶縁膜214に含まれる欠陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜214における酸素の透過量が減少してしまう。 The insulating film 214 preferably has a small amount of defects. Typically, the ESR measurement shows that the spin density of a signal appearing at g = 2.001 derived from a dangling bond of silicon is 3 × 10 17 spins / cm. It is preferable that it is 3 or less. When the density of defects included in the insulating film 214 is large, oxygen is bonded to the defects, so that the amount of oxygen transmitted through the insulating film 214 is reduced.

なお、絶縁膜214においては、外部から絶縁膜214に入った酸素が全て絶縁膜214の外部に移動せず、絶縁膜214にとどまる酸素もある。また、絶縁膜214に酸素が入ると共に、絶縁膜214に含まれる酸素が絶縁膜214の外部へ移動することで、絶縁膜214において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜214として酸素を透過することができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜214上に設けられる、絶縁膜216から脱離する酸素を、絶縁膜214を介して半導体層201に移動させることができる。   Note that in the insulating film 214, all oxygen that enters the insulating film 214 from the outside does not move to the outside of the insulating film 214, and some oxygen remains in the insulating film 214. In addition, oxygen enters the insulating film 214 and oxygen contained in the insulating film 214 may move to the outside of the insulating film 214, whereby oxygen may move in the insulating film 214. When an oxide insulating film which can transmit oxygen is formed as the insulating film 214, oxygen released from the insulating film 216 provided over the insulating film 214 is transferred to the semiconductor layer 201 through the insulating film 214. Can do.

また、絶縁膜214は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー(Ev_os)と伝導帯の下端のエネルギー(Ec_os)の間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いて形成することができる。Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。 The insulating film 214 includes an oxide insulating film in which the level density of nitrogen oxide is low between the energy (E v — os ) at the upper end of the valence band of the oxide semiconductor film and the energy (E c — os ) at the lower end of the conduction band. Can be used. As an oxide insulating film having a low nitrogen oxide level density between E v — os and E c — os, a silicon oxynitride film with a low nitrogen oxide emission amount, an aluminum oxynitride film with a low nitrogen oxide emission amount, or the like Can be used.

なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニア分子の放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニア分子の放出量が1×1018個/cm以上5×1019個/cm以下である。なお、アンモニア分子の放出量は、膜の表面温度が50℃以上650℃以下、好ましくは50℃以上550℃以下の加熱処理による放出量とする。 Note that a silicon oxynitride film with a small amount of released nitrogen oxides is a film having a larger amount of released ammonia molecules than a released amount of nitrogen oxides in the temperature programmed desorption gas analysis method. The discharge amount is 1 × 10 18 pieces / cm 3 or more and 5 × 10 19 pieces / cm 3 or less. Note that the amount of ammonia molecules released is the amount released by heat treatment at a film surface temperature of 50 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.

窒素酸化物(NO、xは0より大きく2以下、好ましくは1以上2以下)、代表的にはNOまたはNOは、絶縁膜214などに準位を形成する。当該準位は、半導体層201のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜214及び半導体層201の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜214側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜214及び半導体層201界面近傍に留まるため、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てしまう。 Nitrogen oxide (NO x , x is larger than 0 and 2 or less, preferably 1 or more and 2 or less), typically NO 2 or NO forms a level in the insulating film 214 or the like. The level is located in the energy gap of the semiconductor layer 201. Therefore, when nitrogen oxide diffuses to the interface between the insulating film 214 and the semiconductor layer 201, the level may trap electrons on the insulating film 214 side. As a result, the trapped electrons remain in the vicinity of the interface between the insulating film 214 and the semiconductor layer 201, so that the threshold voltage of the transistor is shifted in the positive direction.

また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜214に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜216に含まれるアンモニアと反応するため、絶縁膜214に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜214及び半導体層201の界面において、電子がトラップされにくい。   Nitrogen oxide reacts with ammonia and oxygen in heat treatment. Since nitrogen oxide contained in the insulating film 214 reacts with ammonia contained in the insulating film 216 in the heat treatment, nitrogen oxide contained in the insulating film 214 is reduced. Therefore, electrons are not easily trapped at the interface between the insulating film 214 and the semiconductor layer 201.

なお、絶縁膜214は、半導体層201において、チャネルが形成される領域の反対側(以下、バックチャネル領域という。)において半導体層201と接することで、半導体層201のバックチャネル領域を保護する機能を有する。   Note that the insulating film 214 has a function of protecting the back channel region of the semiconductor layer 201 by being in contact with the semiconductor layer 201 on a side opposite to a region where a channel is formed (hereinafter referred to as a back channel region) in the semiconductor layer 201. Have

絶縁膜214として、Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。 By using an oxide insulating film having a low nitrogen oxide level density between E v — os and E c — os as the insulating film 214, a shift in threshold voltage of the transistor can be reduced. Variations in electrical characteristics can be reduced.

また、Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜は、SIMSで測定される窒素濃度が6×1020atoms/cm以下である。 In addition, the oxide insulating film in which the level density of nitrogen oxide is low between E v — os and E c — os has a nitrogen concentration measured by SIMS of 6 × 10 20 atoms / cm 3 or less.

また、絶縁膜216は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ESR測定により、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度が1.5×1018spins/cm未満、さらには1×1018spins/cm以下であることが好ましい。なお、絶縁膜216は、絶縁膜214と比較して半導体層201から離れているため、絶縁膜214より、欠陥密度が多くともよい。 The insulating film 216 preferably has a small amount of defects. Typically, the ESR measurement indicates that the spin density of a signal appearing at g = 2.001 derived from a dangling bond of silicon is 1.5 × 10 18. It is preferably less than spins / cm 3 and more preferably 1 × 10 18 spins / cm 3 or less. Note that the insulating film 216 is farther from the semiconductor layer 201 than the insulating film 214, and thus has a higher defect density than the insulating film 214.

また、トランジスタ100は図14及び図15に示す構造でもよい。ここで、図13に示したトランジスタ100は、チャネルエッチ型のトランジスタであったが、図14及び図15に示すトランジスタ100は、チャネル保護型のトランジスタである。   The transistor 100 may have a structure illustrated in FIGS. Here, the transistor 100 illustrated in FIGS. 13A and 13B is a channel-etched transistor, but the transistor 100 illustrated in FIGS. 14 and 15 is a channel-protective transistor.

図14(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図14(B)は、図14(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図14(C)は、図14(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。図14に示すトランジスタ100は、基板50上に設けられるゲート電極203aと、基板50及びゲート電極203a上に形成されるゲート絶縁膜202と、ゲート絶縁膜202を介して、ゲート電極203aと重なる半導体層201と、ゲート絶縁膜202及び半導体層201上の絶縁膜214と、絶縁膜214上の絶縁膜216と、絶縁膜214及び絶縁膜216の開口部141aおよび141bにおいて半導体層201に接する一対の導電層204a及び導電層204bとを有する。また、トランジスタ100上、より詳しくは導電層204a、導電層204b、及び絶縁膜216上に、絶縁膜218を設けてもよい。   14A is a top view of the transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 14C corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG. A transistor 100 illustrated in FIG. 14 includes a gate electrode 203a provided over a substrate 50, a gate insulating film 202 formed over the substrate 50 and the gate electrode 203a, and a semiconductor overlapping with the gate electrode 203a with the gate insulating film 202 interposed therebetween. A pair of layers 201, an insulating film 214 over the gate insulating film 202 and the semiconductor layer 201, an insulating film 216 over the insulating film 214, and a pair of contacts with the semiconductor layer 201 in the openings 141 a and 141 b of the insulating film 214 and the insulating film 216. A conductive layer 204a and a conductive layer 204b are included. The insulating film 218 may be provided over the transistor 100, more specifically, over the conductive layer 204a, the conductive layer 204b, and the insulating film 216.

図15(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図15(B)は、図15(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図15(C)は、図15(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。図15に示すトランジスタ100は、図14に示すトランジスタ100と絶縁膜214、216の形状が相違する。具体的には、図15に示すトランジスタ100の絶縁膜214、216は、半導体層101のチャネル領域上に島状に設けられる。その他の構成は、図14に示すトランジスタ100と同様であり、同様の効果を奏する。   15A is a top view of the transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 15C corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG. The transistor 100 illustrated in FIG. 15 is different from the transistor 100 illustrated in FIG. 14 in the shapes of the insulating films 214 and 216. Specifically, the insulating films 214 and 216 of the transistor 100 illustrated in FIG. 15 are provided in an island shape over the channel region of the semiconductor layer 101. Other structures are similar to those of the transistor 100 illustrated in FIG. 14 and have the same effects.

図14及び図15に示すトランジスタ100はいずれも、一対の導電層204a及び導電層204bを形成する際に半導体層201が絶縁膜214及び絶縁膜216に覆われているため、一対の導電層204a及び導電層204bを形成するエッチングによって、半導体層201はダメージを受けない。さらに、絶縁膜214及び絶縁膜216を、窒素を有し、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜とすることで、電気特性の変動が抑制され、信頼性が向上されたトランジスタを作製することができる。   In each of the transistors 100 illustrated in FIGS. 14 and 15, since the semiconductor layer 201 is covered with the insulating film 214 and the insulating film 216 when the pair of conductive layers 204 a and 204 b is formed, the pair of conductive layers 204 a In addition, the semiconductor layer 201 is not damaged by the etching for forming the conductive layer 204b. Further, when the insulating film 214 and the insulating film 216 are formed using an oxide insulating film containing nitrogen and having a small amount of defects, a transistor in which variation in electrical characteristics is suppressed and reliability is improved can be manufactured. it can.

また、トランジスタ100は図16に示すように、絶縁膜218上に電極203bを有してもよい。図16(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であり、図16(B)は、図16(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図16(C)は、図16(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。図16には、電極203bが、絶縁膜214及び絶縁膜216に設けられた開口部142c及び開口部142dを介してゲート電極203aと接続する構成を示すが、電極203bとゲート電極203aを接続しない構成としてもよい。電極203bとゲート電極203aを接続しない場合には、それぞれの電極に異なる電位を与えることができる。   In addition, the transistor 100 may include an electrode 203b over the insulating film 218 as illustrated in FIG. 16A is a top view of the transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. FIG. 16C corresponds to a drawing, and FIG. 16C corresponds to a cross-sectional view of a cross-sectional surface taken along the alternate long and short dash line Y1-Y2 in FIG. FIG. 16 illustrates a structure in which the electrode 203b is connected to the gate electrode 203a through the opening 142c and the opening 142d provided in the insulating film 214 and the insulating film 216, but the electrode 203b and the gate electrode 203a are not connected. It is good also as a structure. When the electrode 203b and the gate electrode 203a are not connected, different potentials can be applied to the respective electrodes.

図16に示すように、チャネル幅方向において、半導体層201の側面と電極203bとが対向することで、さらには、チャネル幅方向において、ゲート電極203a及び電極203bが、ゲート絶縁膜202及び絶縁膜214、絶縁膜216及び絶縁膜218を介して半導体層201を囲むことで、半導体層201においてキャリアの流れる領域が、ゲート絶縁膜202及び絶縁膜214と半導体層201との界面のみでなく、半導体層201の内部においてもキャリアが流れるため、トランジスタ100におけるキャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ100のオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高くなる。また、電極203bの電界が半導体層201の側面、または側面及びその近傍を含む端部に影響するため、半導体層201の側面または端部における寄生チャネルの発生を抑制することができる。   As shown in FIG. 16, the side surface of the semiconductor layer 201 and the electrode 203b face each other in the channel width direction, and further, in the channel width direction, the gate electrode 203a and the electrode 203b are connected to the gate insulating film 202 and the insulating film. 214, by surrounding the semiconductor layer 201 with the insulating film 216 and the insulating film 218 interposed therebetween, the region in which the carrier flows in the semiconductor layer 201 is not only the interface between the gate insulating film 202 and the insulating film 214 and the semiconductor layer 201, but also the semiconductor. Since carriers also flow inside the layer 201, the amount of carrier movement in the transistor 100 increases. As a result, the on-state current of the transistor 100 is increased and the field effect mobility is increased. In addition, since the electric field of the electrode 203b affects the side surface of the semiconductor layer 201 or an end including the side surface and the vicinity thereof, generation of a parasitic channel on the side surface or the end of the semiconductor layer 201 can be suppressed.

また図16では、半導体層201の例として、半導体層201a上に半導体層201bを積層する構成を示す。ここで例えば半導体層201bは、半導体層201aよりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、半導体層201bの伝導帯の下端のエネルギーと、半導体層201aの伝導帯の下端のエネルギーとの差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。即ち、半導体層201bの電子親和力と、半導体層201aの電子親和力との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。   FIG. 16 illustrates a structure in which the semiconductor layer 201b is stacked over the semiconductor layer 201a as an example of the semiconductor layer 201. Here, for example, the energy of the lower end of the conduction band of the semiconductor layer 201b is closer to the vacuum level than the semiconductor layer 201a. Typically, the energy of the lower end of the conduction band of the semiconductor layer 201b and the conduction band of the semiconductor layer 201a are The difference from the energy at the lower end is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the semiconductor layer 201b and the electron affinity of the semiconductor layer 201a is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more, 2 eV or less, 1 eV or less, 0 .5 eV or less, or 0.4 eV or less.

半導体層201aとして、実施の形態3で示す半導体層101bを参照してもよい。例えば半導体層101bの有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について参照してもよい。また、半導体層201bとして、実施の形態3で示す絶縁体層101cを参照してもよい。例えば、絶縁体層101cの有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について参照してもよい。   As the semiconductor layer 201a, the semiconductor layer 101b described in Embodiment 3 may be referred to. For example, you may refer about the preferable range of the atomic ratio of indium, the element M, and zinc which the semiconductor layer 101b has. For the semiconductor layer 201b, the insulator layer 101c described in Embodiment 3 may be referred to. For example, you may refer about the preferable range of atomic ratio of the indium which the insulator layer 101c has, the element M, and zinc.

[トランジスタの変形例]
トランジスタ100の変形例を図30乃至図33に示す。例えばトランジスタ100は、図30に示す構造でもよい。図30は、導電層104a及び導電層104bの形状が図12と異なる。なお、図30(B)は、図30(A)に示す一点鎖線A−Bを通り、図30(A)と垂直な面の断面を示す。
[Modification of transistor]
Modification examples of the transistor 100 are illustrated in FIGS. For example, the transistor 100 may have a structure illustrated in FIG. 30 is different from FIG. 12 in the shapes of the conductive layer 104a and the conductive layer 104b. Note that FIG. 30B illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line AB illustrated in FIG. 30A and is perpendicular to FIG.

また、トランジスタ100は図31に示す構造でもよい。図12では、絶縁体層101cが導電層104a及び導電層104bの上面に接するのに対し、図31では、導電層104a及び導電層104bの下面に接する。なお、図31(B)は、図31(A)に示す一点鎖線A−Bを通り、図31(A)と垂直な面の断面を示す。このような構成とすることで、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cを構成するそれぞれの膜の成膜時において、大気に触れさせることなく連続的に成膜することができるため、各々の界面欠陥を低減することができる。   The transistor 100 may have a structure illustrated in FIG. In FIG. 12, the insulator layer 101c is in contact with the upper surfaces of the conductive layers 104a and 104b, whereas in FIG. 31, it is in contact with the lower surfaces of the conductive layers 104a and 104b. Note that FIG. 31B illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line AB illustrated in FIG. 31A and is perpendicular to FIG. With such a structure, when each film forming the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c is formed, the film can be continuously formed without being exposed to the air. , Each interface defect can be reduced.

また、トランジスタ100は、図32に示す構造でもよい。なお、図32(B)は、図32(A)に示す一点鎖線A−Bを通り、図32(A)と垂直な面の断面を示す。図32は、導電層104a及び導電層104bを有さない点が、図12と異なる。ここで図32(C)に示すように、トランジスタ100は低抵抗層171a及び低抵抗層171bを有してもよい。低抵抗層171a及び低抵抗層171bはソース領域またはドレイン領域として機能することが好ましい。また、低抵抗層171a及び低抵抗層171bは不純物が添加されていてもよい。不純物を添加することにより半導体層101の抵抗を下げることができる。添加する不純物としては、例えばアルゴン、ホウ素、炭素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンから選択された一種以上を添加することが好ましい。低抵抗層171a及び低抵抗層171bは例えば、半導体層101中に、上述の不純物元素を5×1019atoms/cm以上、好ましくは1×1020atoms/cm以上、さらに好ましくは2×1020atoms/cm以上、より好ましくは5×1020atoms/cm以上含む領域である。図32(D)は、図32(C)の領域324の拡大図である。 The transistor 100 may have a structure illustrated in FIG. Note that FIG. 32B illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line AB illustrated in FIG. 32A and is perpendicular to FIG. 32 differs from FIG. 12 in that the conductive layer 104a and the conductive layer 104b are not provided. Here, as illustrated in FIG. 32C, the transistor 100 may include a low-resistance layer 171a and a low-resistance layer 171b. The low resistance layer 171a and the low resistance layer 171b preferably function as a source region or a drain region. The low resistance layer 171a and the low resistance layer 171b may be doped with impurities. By adding impurities, the resistance of the semiconductor layer 101 can be reduced. Examples of impurities to be added include argon, boron, carbon, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, calcium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, germanium, arsenic, yttrium, zirconium, niobium. It is preferable to add one or more selected from molybdenum, indium, tin, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, and tungsten. The low resistance layer 171a and the low resistance layer 171b include, for example, the above-described impurity element in the semiconductor layer 101 of 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more, preferably 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more, and more preferably 2 ×. It is a region including 10 20 atoms / cm 3 or more, more preferably 5 × 10 20 atoms / cm 3 or more. FIG. 32D is an enlarged view of a region 324 in FIG.

なお、このような抵抗の低い領域に不純物、例えば不要な水素などをトラップできる場合がある。不要な水素を低抵抗層にトラップすることによりチャネル領域の水素濃度を低くし、トランジスタ100の特性として、良好な特性を得ることができる。   Note that an impurity such as unnecessary hydrogen may be trapped in such a low-resistance region. By trapping unnecessary hydrogen in the low-resistance layer, the hydrogen concentration in the channel region can be lowered, and favorable characteristics can be obtained as the characteristics of the transistor 100.

また、トランジスタ100は、図33に示す構造でもよい。図33は、絶縁体層101cとゲート絶縁膜102の形状が図32と異なる。なお、図33(B)は、図33(A)に示す一点鎖線A−Bを通り、図33(A)と垂直な面の断面を示す。   The transistor 100 may have a structure illustrated in FIG. 33 differs from FIG. 32 in the shapes of the insulator layer 101c and the gate insulating film 102. In FIG. Note that FIG. 33B illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line AB illustrated in FIG. 33A and is perpendicular to FIG.

また、図30乃至図33に示した構造では、半導体層101bに接して絶縁体層101a及び絶縁体層101cを設ける構成を説明したが、絶縁体層101aまたは絶縁体層101cの一方、またはその両方を設けない構成としてもよい。   In the structure illustrated in FIGS. 30 to 33, the structure in which the insulator layer 101a and the insulator layer 101c are provided in contact with the semiconductor layer 101b has been described; however, either the insulator layer 101a or the insulator layer 101c, or It is good also as a structure which does not provide both.

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4)
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図34乃至図36を用いて以下説明を行う。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a display device including the transistor described as an example in the above embodiment will be described below with reference to FIGS.

図34は、表示装置の一例を示す上面図である。図34示す表示装置700は、第1の基板701上に設けられた画素部702と、第1の基板701に設けられたソースドライバ回路部704及びゲートドライバ回路部706と、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706を囲むように配置されるシール材712と、第1の基板701に対向するように設けられる第2の基板705と、を有する。なお、第1の基板701と第2の基板705は、シール材712によって封止されている。すなわち、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706は、第1の基板701とシール材712と第2の基板705によって封止されている。なお、図34には図示しないが、第1の基板701と第2の基板705の間には表示素子が設けられる。   FIG. 34 is a top view illustrating an example of the display device. A display device 700 illustrated in FIG. 34 includes a pixel portion 702 provided over a first substrate 701, a source driver circuit portion 704 and a gate driver circuit portion 706 provided over the first substrate 701, a pixel portion 702, a source The driver circuit portion 704 and the gate driver circuit portion 706 are provided so as to surround the sealant 712 and the second substrate 705 provided so as to face the first substrate 701. Note that the first substrate 701 and the second substrate 705 are sealed with a sealant 712. That is, the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 are sealed with the first substrate 701, the sealant 712, and the second substrate 705. Note that although not illustrated in FIG. 34, a display element is provided between the first substrate 701 and the second substrate 705.

また、表示装置700は、第1の基板701上のシール材712によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路部706、及びゲートドライバ回路部706と電気的に接続されるFPC端子部708(FPC:Flexible printed circuit)が設けられる。また、FPC端子部708には、FPC716が接続され、FPC716によって画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706に各種信号等が供給される。また、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路部706、及びFPC端子部708には、信号線710が各々接続されている。FPC716により供給される各種信号等は、信号線710を介して、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706に与えられる。   The display device 700 includes a pixel portion 702, a source driver circuit portion 704, a gate driver circuit portion 706, and a gate driver circuit portion in a region different from the region surrounded by the sealant 712 over the first substrate 701. An FPC terminal portion 708 (FPC: Flexible printed circuit) electrically connected to the 706 is provided. In addition, an FPC 716 is connected to the FPC terminal portion 708, and various signals are supplied to the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 by the FPC 716. A signal line 710 is connected to each of the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, the gate driver circuit portion 706, and the FPC terminal portion 708. Various signals and the like supplied from the FPC 716 are supplied to the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 through the signal line 710.

また、表示装置700にゲートドライバ回路部706を複数設けてもよい。また、表示装置700としては、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706を画素部702と同じ第1の基板701に形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ回路部706のみを第1の基板701に形成しても良い、またはソースドライバ回路部704のみを第1の基板701に形成しても良い。この場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を、第1の基板701に実装する構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるものではなく、COG(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法などを用いることができる。   In addition, a plurality of gate driver circuit portions 706 may be provided in the display device 700. In addition, as the display device 700, an example in which the source driver circuit portion 704 and the gate driver circuit portion 706 are formed over the same first substrate 701 as the pixel portion 702 is shown; however, the display device 700 is not limited to this structure. For example, only the gate driver circuit portion 706 may be formed on the first substrate 701, or only the source driver circuit portion 704 may be formed on the first substrate 701. In this case, a substrate on which a source driver circuit, a gate driver circuit, or the like is formed (for example, a driver circuit substrate formed of a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film) may be mounted on the first substrate 701. . Note that a method for connecting a separately formed driver circuit board is not particularly limited, and a COG (Chip On Glass) method, a wire bonding method, or the like can be used.

また、表示装置700が有する画素部702、ソースドライバ回路部704及びゲートドライバ回路部706は、配線部、または複数のトランジスタを有しており、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。   The pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 included in the display device 700 each include a wiring portion or a plurality of transistors, and the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied. it can.

また、表示装置700は、様々な素子を有することが出来る。該素子は、例えば、液晶素子、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、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)を用いた表示素子、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、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、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を用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、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していてもよい。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。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。   In addition, the display device 700 can include various elements. The element includes, for example, a liquid crystal element, 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, electronic ink, electrophoretic device, grating light valve (GLV), plasma display (PDP), display device using MEMS (micro electro mechanical system), Digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, shutter type MEMS display element, optical interference type MEMS display element, electro Potting element, a piezoelectric ceramic display, has at least one such display device using a carbon nanotube. In addition to these, a display medium in which contrast, luminance, reflectance, transmittance, and the like are changed by an electric or magnetic action may be included. 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. Note that in the case of realizing a transflective liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrode may have a function as a reflective electrode. For example, part or all of the pixel electrode may have aluminum, silver, or the like. Further, in that case, a memory circuit such as an SRAM can be provided under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced.

なお、表示装置700における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RGB(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、Rの画素とGの画素とBの画素とW(白)の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列のように、RGBのうちの2色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる2色を選択して構成してもよい。またはRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。   Note that as a display method in the display device 700, a progressive method, an interlace method, or the like can be used. Further, the color elements controlled by the pixels when performing color display are not limited to three colors of RGB (R represents red, G represents green, and B represents blue). For example, it may be composed of four pixels: an R pixel, a G pixel, a B pixel, and a W (white) pixel. Alternatively, as in a pen tile arrangement, one color element may be configured by two colors of RGB, and two different colors may be selected and configured depending on the color element. Alternatively, one or more colors such as yellow, cyan, and magenta may be added to RGB. The size of the display area may be different for each dot of the color element. Note that the disclosed invention is not limited to a display device for color display, and can be applied to a display device for monochrome display.

また、バックライト(有機EL素子、無機EL素子、LED、蛍光灯など)に白色光(W)を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層(カラーフィルタともいう。)を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド(R)、グリーン(G)、ブルー(B)、イエロー(Y)などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を2割から3割程度低減できる場合がある。ただし、有機EL素子や無機EL素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、R、G、B、Y、ホワイト(W)を、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。   In addition, a colored layer (also referred to as a color filter) may be used to display a full color display device using white light (W) in a backlight (organic EL element, inorganic EL element, LED, fluorescent lamp, or the like). Good. For example, red (R), green (G), blue (B), yellow (Y), and the like can be used in appropriate combination for the colored layer. By using the colored layer, the color reproducibility can be increased as compared with the case where the colored layer is not used. At this time, white light in a region having no colored layer may be directly used for display by arranging a region having a colored layer and a region having no colored layer. By disposing a region that does not have a colored layer in part, a decrease in luminance due to the colored layer can be reduced during bright display, and power consumption can be reduced by about 20% to 30%. However, when full-color display is performed using a self-luminous element such as an organic EL element or an inorganic EL element, R, G, B, Y, and white (W) may be emitted from elements having respective emission colors. . By using a self-luminous element, power consumption may be further reduced as compared with the case where a colored layer is used.

本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びEL素子を用いる構成について、図35及び図36を用いて説明する。なお、図35は、図34に示す一点鎖線Q−Rにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図36は、図34に示す一点鎖線Q−Rにおける断面図であり、表示素子としてEL素子を用いた構成である。   In this embodiment, a structure in which a liquid crystal element and an EL element are used as display elements will be described with reference to FIGS. Note that FIG. 35 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line QR shown in FIG. 34, in which a liquid crystal element is used as a display element. FIG. 36 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line QR shown in FIG. 34 and has a configuration using an EL element as a display element.

まず、図35及び図36に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分について以下説明する。   First, common parts shown in FIGS. 35 and 36 will be described first, and then different parts will be described below.

[表示装置の共通部分に関する説明]
図35及び図36に示す表示装置700は、引き回し配線部711と、画素部702と、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。また、引き回し配線部711は、信号線710を有する。また、画素部702は、トランジスタ750及び容量素子790(容量素子790aまたは容量素子790b)を有する。また、ソースドライバ回路部704は、トランジスタ752を有する。
[Description of common parts of display device]
A display device 700 illustrated in FIGS. 35 and 36 includes a lead wiring portion 711, a pixel portion 702, a source driver circuit portion 704, and an FPC terminal portion 708. Further, the lead wiring portion 711 includes a signal line 710. The pixel portion 702 includes a transistor 750 and a capacitor 790 (the capacitor 790a or the capacitor 790b). In addition, the source driver circuit portion 704 includes a transistor 752.

また、信号線710は、トランジスタ750、752のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線710は、トランジスタ750、752のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲート電極として機能する導電膜としてもよい。信号線710として、例えば、銅元素を含む材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる。   In addition, the signal line 710 is formed in the same process as the conductive film functioning as the source electrode and the drain electrode of the transistors 750 and 752. Note that the signal line 710 may be a conductive film formed in a different process from the source and drain electrodes of the transistors 750 and 752, for example, a conductive film functioning as a gate electrode. For example, when a material containing a copper element is used as the signal line 710, signal delay due to wiring resistance is small and display on a large screen is possible.

トランジスタ750及びトランジスタ752は、先に示すトランジスタを用いることができる。ここではトランジスタ750及びトランジスタ752に図13に示すトランジスタ100の構造を用いる例を示すが、先に示す他のトランジスタを用いてもよい。   As the transistor 750 and the transistor 752, the above-described transistor can be used. Although an example in which the structure of the transistor 100 illustrated in FIGS. 13A and 13B is used for the transistor 750 and the transistor 752 is shown here, other transistors described above may be used.

また、トランジスタ750及びトランジスタ752に、例えば図16に示すトランジスタ100の構造を用いてもよい。この場合には、電極203bは、例えば導電層772や、導電層784の形成と同じ工程を用いて形成することができる。図16に示すトランジスタ100の構造を用いることにより、例えばトランジスタ750及びトランジスタ752のオン電流を高めることができ、回路動作速度を高めることができる。また、トランジスタ750やトランジスタ752のチャネル幅を縮小できる場合があり、回路の集積化が可能となる。   Further, for the transistor 750 and the transistor 752, for example, the structure of the transistor 100 illustrated in FIGS. In this case, the electrode 203b can be formed using, for example, the same process as the formation of the conductive layer 772 and the conductive layer 784. By using the structure of the transistor 100 illustrated in FIG. 16, for example, the on-state current of the transistor 750 and the transistor 752 can be increased, and the circuit operation speed can be increased. In some cases, the channel width of the transistor 750 or the transistor 752 can be reduced, so that the circuit can be integrated.

本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。   The transistor used in this embodiment includes an oxide semiconductor film which is highly purified and suppresses formation of oxygen vacancies. The transistor can reduce a current value in an off state (off-state current value). Therefore, the holding time of an electric signal such as an image signal can be increased, and the writing interval can be set longer in the power-on state. Therefore, since the frequency of the refresh operation can be reduced, there is an effect of suppressing power consumption.

また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。   In addition, the transistor used in this embodiment can have a relatively high field-effect mobility, and thus can be driven at high speed. For example, by using such a transistor that can be driven at high speed in a liquid crystal display device, the switching transistor in the pixel portion and the driver transistor used in the driver circuit portion can be formed over the same substrate. That is, since it is not necessary to use a semiconductor device formed of a silicon wafer or the like as a separate drive circuit, the number of parts of the semiconductor device can be reduced. In the pixel portion, a high-quality image can be provided by using a transistor that can be driven at high speed.

また、FPC端子部708は、接続電極760、異方性導電層780、及びFPC716を有する。なお、接続電極760は、トランジスタ750、752のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極760は、FPC716が有する端子と異方性導電層780を介して、電気的に接続される。   The FPC terminal portion 708 includes a connection electrode 760, an anisotropic conductive layer 780, and an FPC 716. Note that the connection electrode 760 is formed in the same step as the conductive film functioning as the source and drain electrodes of the transistors 750 and 752. The connection electrode 760 is electrically connected to a terminal included in the FPC 716 through an anisotropic conductive layer 780.

また、第1の基板701及び第2の基板705としては、例えばガラス基板を用いることができる。また、第1の基板701及び第2の基板705として、可撓性を有する基板を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられる。   In addition, as the first substrate 701 and the second substrate 705, for example, glass substrates can be used. Alternatively, a flexible substrate may be used as the first substrate 701 and the second substrate 705. Examples of the flexible substrate include a plastic substrate.

可撓性を有する基板を用いることにより、可撓性を有する表示装置を作製することができる。表示装置が可撓性を有することにより曲面や異形の形状上に貼り合わせることが可能となり、多種多様の用途が実現する。   By using a flexible substrate, a flexible display device can be manufactured. Since the display device has flexibility, it can be bonded on a curved surface or an irregular shape, and a wide variety of uses can be realized.

例えばプラスチック基板などの可撓性を有する基板を用いることにより、表示装置の薄膜化及び軽量化が可能となる。また、例えばプラスチック基板などの可撓性を有する基板を用いた表示装置は割れにくく、例えば落下時の衝撃に対する耐久性を向上することができる。   For example, by using a flexible substrate such as a plastic substrate, the display device can be made thinner and lighter. In addition, for example, a display device using a flexible substrate such as a plastic substrate is not easily broken, and can improve durability against an impact when dropped, for example.

また、第2の基板705側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜738と、カラーフィルタとして機能する着色膜736と、遮光膜738及び着色膜736に接する絶縁膜734が設けられる。   On the second substrate 705 side, a light-blocking film 738 functioning as a black matrix, a colored film 736 functioning as a color filter, and an insulating film 734 in contact with the light-blocking film 738 and the colored film 736 are provided.

また、第1の基板701と第2の基板705の間には、構造体778が設けられる。構造体778は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第1の基板701と第2の基板705の間の距離(セルギャップ)を制御するために設けられる。なお、構造体778として、球状のスペーサを用いていても良い。また、図35においては、構造体778を第2の基板705側に設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、図36に示すように第1の基板701側に構造体778を設ける構成、または第1の基板701及び第2の基板705双方に構造体778を設ける構成としてもよい。   A structure body 778 is provided between the first substrate 701 and the second substrate 705. The structure body 778 is a columnar spacer obtained by selectively etching an insulating film, and is provided to control the distance (cell gap) between the first substrate 701 and the second substrate 705. Note that a spherical spacer may be used as the structure body 778. 35 illustrates the structure in which the structure body 778 is provided on the second substrate 705 side, the present invention is not limited thereto. For example, a structure in which the structure body 778 is provided on the first substrate 701 side as illustrated in FIG. 36, or a structure in which the structure body 778 is provided on both the first substrate 701 and the second substrate 705 may be employed.

また、図35及び図36において、トランジスタ750及びトランジスタ752上に、絶縁膜764、766、768が設けられている。   In FIGS. 35 and 36, insulating films 764, 766, and 768 are provided over the transistor 750 and the transistor 752.

絶縁膜764、766、768としては、それぞれ先の実施の形態に示す絶縁膜214、216、218と、同様の材料及び作製方法により形成することができる。   The insulating films 764, 766, and 768 can be formed using a material and a manufacturing method similar to those of the insulating films 214, 216, and 218 described in the above embodiment, respectively.

[表示素子として液晶素子を用いる表示装置の構成例]
図35に示す表示装置700は、容量素子790aを有する。容量素子790aは、一対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子790aの一方の電極としては、トランジスタ750の半導体層として機能する酸化物半導体膜と同一の工程を経て形成された導電性の高い酸化物半導体膜を用い、容量素子790aの他方の電極としては、トランジスタ750と電気的に接続される導電層772を用いる。また、一対の電極間に挟持される誘電体としては、絶縁膜768を用いる。
[Configuration Example of Display Device Using Liquid Crystal Element as Display Element]
A display device 700 illustrated in FIG. 35 includes a capacitor 790a. The capacitor 790a has a structure having a dielectric between a pair of electrodes. In more detail, as one electrode of the capacitor 790a, a highly conductive oxide semiconductor film formed through the same process as the oxide semiconductor film functioning as the semiconductor layer of the transistor 750 is used. As the other electrode, a conductive layer 772 electrically connected to the transistor 750 is used. An insulating film 768 is used as a dielectric sandwiched between the pair of electrodes.

ここで、容量素子790aの一対の電極の一方として機能する導電性の高い酸化物半導体膜について、以下説明を行う。   Here, the highly conductive oxide semiconductor film functioning as one of the pair of electrodes of the capacitor 790a is described below.

[導電性の高い酸化物半導体膜について]
酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体は、導電性が高くなり、導電体化する。導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体ということができる。一般に、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがって、該ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透光性を有する。
[Highly conductive oxide semiconductor film]
When hydrogen is added to an oxide semiconductor in which oxygen vacancies are formed, hydrogen enters oxygen vacancy sites and donor levels are formed in the vicinity of the conduction band. As a result, the oxide semiconductor has high conductivity and becomes a conductor. A conductive oxide semiconductor can be referred to as an oxide conductor. In general, an oxide semiconductor has a large energy gap and thus has a light-transmitting property with respect to visible light. On the other hand, an oxide conductor is an oxide semiconductor having a donor level in the vicinity of the conduction band. Therefore, the influence of absorption due to the donor level is small, and the light transmittance is comparable to that of an oxide semiconductor with respect to visible light.

ここで、酸化物半導体で形成される膜(以下、酸化物半導体膜(OS)という。)及び酸化物導電体で形成される膜(以下、酸化物導電体膜(OC)という。)それぞれにおける、抵抗率の温度依存性について説明する。   Here, in each of a film formed of an oxide semiconductor (hereinafter referred to as an oxide semiconductor film (OS)) and a film formed of an oxide conductor (hereinafter referred to as an oxide conductor film (OC)). Next, the temperature dependence of resistivity will be described.

酸化物導電体膜(OC)における抵抗率の温度依存性は、酸化物半導体膜(OS)における抵抗率の温度依存性より小さい。代表的には、80K以上290K以下における酸化物半導体膜(OC)の抵抗率の変化率は、±20%未満である。または、150K以上250K以下における抵抗率の変化率は、±10%未満である。即ち、酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体膜を、容量素子790aの一方の電極に用いることが可能である。ここで酸化物導電体膜は、例えばIn−M−Zn酸化物上に窒化シリコンを形成することにより、形成することができる。   The temperature dependence of the resistivity in the oxide conductor film (OC) is smaller than the temperature dependence of the resistivity in the oxide semiconductor film (OS). Typically, the rate of change in resistivity of the oxide semiconductor film (OC) at 80 K or more and 290 K or less is less than ± 20%. Or the change rate of the resistivity in 150K or more and 250K or less is less than +/- 10%. That is, the oxide conductor is a degenerate semiconductor, and it is presumed that the conduction band edge and the Fermi level match or substantially match. Therefore, the oxide conductor film can be used for one electrode of the capacitor 790a. Here, the oxide conductor film can be formed, for example, by forming silicon nitride over In-M-Zn oxide.

また、図35に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電層772、導電層774、及び液晶層776を有する。導電層774は、第2の基板705側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図35に示す表示装置700は、導電層772と導電層774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。   35 includes a liquid crystal element 775. The display device 700 illustrated in FIG. The liquid crystal element 775 includes a conductive layer 772, a conductive layer 774, and a liquid crystal layer 776. The conductive layer 774 is provided on the second substrate 705 side and functions as a counter electrode. A display device 700 illustrated in FIG. 35 can display an image by controlling transmission and non-transmission of light by changing the alignment state of the liquid crystal layer 776 depending on voltages applied to the conductive layers 772 and 774.

また、導電層772は、トランジスタ750が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電層772は、絶縁膜768上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。   The conductive layer 772 is connected to a conductive film functioning as a source electrode and a drain electrode of the transistor 750. The conductive layer 772 is formed over the insulating film 768 and functions as a pixel electrode, that is, one electrode of a display element.

導電層772としては、例えばインジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いることができる。   Examples of the conductive layer 772 include indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, and indium zinc oxide. Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used.

なお、図35において図示しないが、導電層772、774の液晶層776と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図35において図示しないが、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。   Note that although not illustrated in FIG. 35, an alignment film may be provided on each of the conductive layers 772 and 774 in contact with the liquid crystal layer 776. Although not shown in FIG. 35, an optical member (optical substrate) such as a polarizing member, a retardation member, or an antireflection member may be provided as appropriate. For example, circularly polarized light using a polarizing substrate and a retardation substrate may be used. Further, a backlight, a sidelight, or the like may be used as the light source.

表示素子として液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。   When a liquid crystal element is used as the display element, a thermotropic liquid crystal, a low molecular liquid crystal, a polymer liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal, an antiferroelectric liquid crystal, or the like can be used. These liquid crystal materials exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, and the like depending on conditions.

また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。   In the case of employing a horizontal electric field method, a liquid crystal exhibiting a blue phase for which an alignment film is unnecessary may be used. The blue phase is one of the liquid crystal phases. When the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased, the blue phase appears immediately before the transition from the cholesteric phase to the isotropic phase. Since the blue phase appears only in a narrow temperature range, in order to improve the temperature range, a liquid crystal composition mixed with several weight percent or more of a chiral agent is used for the liquid crystal layer. A liquid crystal composition including a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent has a short response speed and is optically isotropic, so that alignment treatment is unnecessary and viewing angle dependency is small. Further, since it is not necessary to provide an alignment film, a rubbing process is not required, so that electrostatic breakdown caused by the rubbing process can be prevented, and defects or breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. .

また、表示素子として液晶素子を用いる場合、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optical Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる。   When a liquid crystal element is used as a display element, a TN (Twisted Nematic) mode, an IPS (In-Plane-Switching) mode, an FFS (Fringe Field Switching) mode, an ASM (Axial Symmetrical Aligned MicroB cell) mode, A Compensated Birefringence (FLC) mode, a FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) mode, an AFLC (Anti-Ferroelectric Liquid Crystal) mode, and the like can be used.

また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、MVA(Multi−Domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASVモードなどを用いることができる。   Alternatively, a normally black liquid crystal display device such as a transmissive liquid crystal display device employing a vertical alignment (VA) mode may be used. There are several examples of the vertical alignment mode. For example, an MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) mode, a PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, an ASV mode, and the like can be used.

[表示素子として発光素子を用いる表示装置]
図36に示す表示装置700は、容量素子790bを有する。容量素子790bは、一対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子790bの一方の電極としては、トランジスタ750のゲート電極として機能する導電膜と同一工程で形成された導電膜を用い、容量素子790bの他方の電極としては、トランジスタ750のソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電極間に挟持される誘電体としては、トランジスタ750のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を用いる。
[Display device using light-emitting element as display element]
A display device 700 illustrated in FIG. 36 includes a capacitor 790b. The capacitor 790b has a structure having a dielectric between a pair of electrodes. More specifically, a conductive film formed in the same step as the conductive film functioning as the gate electrode of the transistor 750 is used as one electrode of the capacitor 790b, and the source of the transistor 750 is used as the other electrode of the capacitor 790b. A conductive film functioning as an electrode or a drain electrode is used. As the dielectric sandwiched between the pair of electrodes, an insulating film functioning as a gate insulating film of the transistor 750 is used.

また、図36において、絶縁膜768上に平坦化絶縁膜770が設けられている。   In FIG. 36, a planarization insulating film 770 is provided over the insulating film 768.

平坦化絶縁膜770としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜770を形成してもよい。また、図35に示すように、平坦化絶縁膜770を設けない構成としてもよい。   As the planarization insulating film 770, an organic material having heat resistance such as polyimide resin, acrylic resin, polyimide amide resin, benzocyclobutene resin, polyamide resin, or epoxy resin can be used. Note that the planarization insulating film 770 may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials. Alternatively, as illustrated in FIG. 35, the planarization insulating film 770 may not be provided.

また、図36に示す表示装置700は、発光素子782を有する。発光素子782は、導電層784、EL層786、及び導電層788を有する。図36に示す表示装置700は、発光素子782が有するEL層786が発光することによって、画像を表示することができる。   A display device 700 illustrated in FIG. 36 includes a light-emitting element 782. The light-emitting element 782 includes a conductive layer 784, an EL layer 786, and a conductive layer 788. The display device 700 illustrated in FIG. 36 can display an image when the EL layer 786 included in the light-emitting element 782 emits light.

また、導電層784は、トランジスタ750が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電層784は、平坦化絶縁膜770上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。導電層784としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。   The conductive layer 784 is connected to a conductive film functioning as a source electrode and a drain electrode of the transistor 750. The conductive layer 784 is formed over the planarization insulating film 770 and functions as a pixel electrode, that is, one electrode of a display element. As the conductive layer 784, a conductive film that transmits visible light or a conductive film that reflects visible light can be used. As the conductive film that transmits visible light, for example, a material containing one kind selected from indium (In), zinc (Zn), and tin (Sn) may be used. As the conductive film having reflectivity in visible light, for example, a material containing aluminum or silver is preferably used.

また、図36に示す表示装置700には、平坦化絶縁膜770及び導電層784上に絶縁膜730が設けられる。絶縁膜730は、導電層784の一部を覆う。なお、発光素子782はトップエミッション構造である。したがって、導電層788は透光性を有し、EL層786が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電層784側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電層784及び導電層788の双方に光を射出するデュアルエミッション構造にも適用することができる。   In the display device 700 illustrated in FIG. 36, the insulating film 730 is provided over the planarization insulating film 770 and the conductive layer 784. The insulating film 730 covers part of the conductive layer 784. Note that the light-emitting element 782 has a top emission structure. Therefore, the conductive layer 788 has a light-transmitting property and transmits light emitted from the EL layer 786. In the present embodiment, the top emission structure is illustrated, but is not limited thereto. For example, the present invention can be applied to a bottom emission structure in which light is emitted to the conductive layer 784 side and a dual emission structure in which light is emitted to both the conductive layer 784 and the conductive layer 788.

また、発光素子782と重なる位置に、着色膜736が設けられ、絶縁膜730と重なる位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜738が設けられている。また、着色膜736及び遮光膜738は、絶縁膜734で覆われている。また、発光素子782と絶縁膜734の間は封止膜732で充填されている。なお、図36に示す表示装置700においては、着色膜736を設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、EL層786を塗り分けにより形成する場合においては、着色膜736を設けない構成としてもよい。   A colored film 736 is provided at a position overlapping with the light emitting element 782, and a light shielding film 738 is provided at a position overlapping with the insulating film 730, the lead wiring portion 711, and the source driver circuit portion 704. Further, the coloring film 736 and the light shielding film 738 are covered with an insulating film 734. A space between the light emitting element 782 and the insulating film 734 is filled with a sealing film 732. Note that in the display device 700 illustrated in FIG. 36, the structure in which the colored film 736 is provided is illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, in the case where the EL layer 786 is formed by separate coating, the coloring film 736 may not be provided.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。   The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図26を用いて説明を行う。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a display device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図26(A)に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域(以下、画素部502という)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路506という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成としてもよい。   A display device illustrated in FIG. 26A includes a region having a pixel of a display element (hereinafter referred to as a pixel portion 502) and a circuit portion (hereinafter, referred to as a pixel portion 502) which is disposed outside the pixel portion 502 and includes a circuit for driving the pixel. , A driver circuit portion 504), a circuit having a function of protecting an element (hereinafter referred to as a protection circuit 506), and a terminal portion 507. Note that the protection circuit 506 may be omitted.

駆動回路部504の一部、または全部は、画素部502と同一基板上に形成されていることが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部504の一部、または全部が、画素部502と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回路部504の一部、または全部は、COGやTAB(Tape Automated Bonding)によって、実装することができる。   A part or all of the driver circuit portion 504 is preferably formed over the same substrate as the pixel portion 502. Thereby, the number of parts and the number of terminals can be reduced. When part or all of the driver circuit portion 504 is not formed over the same substrate as the pixel portion 502, part or all of the driver circuit portion 504 is formed by COG or TAB (Tape Automated Bonding). Can be implemented.

画素部502は、X行(Xは2以上の自然数)Y列(Yは2以上の自然数)に配置された複数の表示素子を駆動するための回路(以下、画素回路501という)を有し、駆動回路部504は、画素を選択する信号(走査信号)を出力する回路(以下、ゲートドライバ504aという)、画素の表示素子を駆動するための信号(データ信号)を供給するための回路(以下、ソースドライバ504b)などの駆動回路を有する。   The pixel portion 502 includes a circuit (hereinafter referred to as a pixel circuit 501) for driving a plurality of display elements arranged in X rows (X is a natural number of 2 or more) and Y columns (Y is a natural number of 2 or more). The driver circuit portion 504 outputs a signal for selecting a pixel (scanning signal) (hereinafter referred to as a gate driver 504a) and a circuit for supplying a signal (data signal) for driving a display element of the pixel (a data signal). Hereinafter, it has a drive circuit such as a source driver 504b).

ゲートドライバ504aは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ504aは、端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力する。例えば、ゲートドライバ504aは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力され、パルス信号を出力する。ゲートドライバ504aは、走査信号が与えられる配線(以下、走査線GL_1乃至GL_Xという)の電位を制御する機能を有する。なお、ゲートドライバ504aを複数設け、複数のゲートドライバ504aにより、走査線GL_1乃至GL_Xを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ504aは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ504aは、別の信号を供給することも可能である。   The gate driver 504a includes a shift register and the like. The gate driver 504a receives a signal for driving the shift register via the terminal portion 507, and outputs a signal. For example, the gate driver 504a receives a start pulse signal, a clock signal, and the like and outputs a pulse signal. The gate driver 504a has a function of controlling the potential of a wiring to which a scan signal is supplied (hereinafter referred to as scan lines GL_1 to GL_X). Note that a plurality of gate drivers 504a may be provided, and the scanning lines GL_1 to GL_X may be divided and controlled by the plurality of gate drivers 504a. Alternatively, the gate driver 504a has a function of supplying an initialization signal. However, the present invention is not limited to this, and the gate driver 504a can supply another signal.

ソースドライバ504bは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ504bは、端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元となる信号(画像信号)が入力される。ソースドライバ504bは、画像信号を元に画素回路501に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ504bは、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ504bは、データ信号が与えられる配線(以下、データ線DL_1乃至DL_Yという)の電位を制御する機能を有する。または、ソースドライバ504bは、初期化信号を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ソースドライバ504bは、別の信号を供給することも可能である。   The source driver 504b includes a shift register and the like. In addition to a signal for driving the shift register, the source driver 504b receives a signal (image signal) as a source of a data signal through the terminal portion 507. The source driver 504b has a function of generating a data signal to be written in the pixel circuit 501 based on the image signal. In addition, the source driver 504b has a function of controlling output of a data signal in accordance with a pulse signal obtained by inputting a start pulse, a clock signal, or the like. The source driver 504b has a function of controlling the potential of a wiring to which a data signal is supplied (hereinafter referred to as data lines DL_1 to DL_Y). Alternatively, the source driver 504b has a function of supplying an initialization signal. However, the present invention is not limited to this, and the source driver 504b can supply another signal.

ソースドライバ504bは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。ソースドライバ504bは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを用いてソースドライバ504bを構成してもよい。   The source driver 504b is configured using, for example, a plurality of analog switches. The source driver 504b can output a signal obtained by time-dividing the image signal as a data signal by sequentially turning on the plurality of analog switches. Further, the source driver 504b may be configured using a shift register or the like.

複数の画素回路501のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線GLの一つを介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線DLの一つを介してデータ信号が入力される。また。複数の画素回路501のそれぞれは、ゲートドライバ504aによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、m行n列目の画素回路501は、走査線GL_m(mはX以下の自然数)を介してゲートドライバ504aからパルス信号が入力され、走査線GL_mの電位に応じてデータ線DL_n(nはY以下の自然数)を介してソースドライバ504bからデータ信号が入力される。   Each of the plurality of pixel circuits 501 receives a pulse signal through one of the plurality of scanning lines GL to which the scanning signal is applied, and receives the data signal through one of the plurality of data lines DL to which the data signal is applied. Entered. Also. In each of the plurality of pixel circuits 501, writing and holding of data signals are controlled by the gate driver 504a. For example, the pixel circuit 501 in the m-th row and the n-th column receives a pulse signal from the gate driver 504a through the scanning line GL_m (m is a natural number equal to or less than X), and the data line DL_n (n Is a natural number less than or equal to Y), a data signal is input from the source driver 504b.

図26(A)に示す保護回路506は、例えば、ゲートドライバ504aと画素回路501の間の配線である走査線GLに接続される。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと画素回路501の間の配線であるデータ線DLに接続される。または、保護回路506は、ゲートドライバ504aと端子部507との間の配線に接続することができる。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと端子部507との間の配線に接続することができる。なお、端子部507は、外部の回路から表示装置に電源及び制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。   The protection circuit 506 illustrated in FIG. 26A is connected to, for example, the scanning line GL which is a wiring between the gate driver 504a and the pixel circuit 501. Alternatively, the protection circuit 506 is connected to a data line DL that is a wiring between the source driver 504 b and the pixel circuit 501. Alternatively, the protection circuit 506 can be connected to a wiring between the gate driver 504 a and the terminal portion 507. Alternatively, the protection circuit 506 can be connected to a wiring between the source driver 504 b and the terminal portion 507. Note that the terminal portion 507 is a portion where a terminal for inputting a power supply, a control signal, and an image signal from an external circuit to the display device is provided.

保護回路506は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該配線と別の配線とを導通状態にする回路である。   The protection circuit 506 is a circuit that brings a wiring into a conductive state when a potential outside a certain range is applied to the wiring to which the protection circuit 506 is connected.

図26(A)に示すように、画素部502と駆動回路部504にそれぞれ保護回路506を設けることにより、ESD(Electro Static Discharge:静電気放電)などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。ただし、保護回路506の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ504aに保護回路506を接続した構成、またはソースドライバ504bに保護回路506を接続した構成とすることもできる。あるいは、端子部507に保護回路506を接続した構成とすることもできる。   As shown in FIG. 26A, by providing a protection circuit 506 in each of the pixel portion 502 and the driver circuit portion 504, resistance of the display device to overcurrent generated by ESD (Electro Static Discharge) or the like is increased. be able to. However, the configuration of the protection circuit 506 is not limited thereto, and for example, a configuration in which the protection circuit 506 is connected to the gate driver 504a or a configuration in which the protection circuit 506 is connected to the source driver 504b may be employed. Alternatively, the protection circuit 506 may be connected to the terminal portion 507.

また、図26(A)においては、ゲートドライバ504aとソースドライバ504bによって駆動回路部504を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ504aのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を実装する構成としても良い。   FIG. 26A illustrates an example in which the driver circuit portion 504 is formed using the gate driver 504a and the source driver 504b; however, the present invention is not limited to this structure. For example, only the gate driver 504a may be formed, and a substrate on which a separately prepared source driver circuit is formed (for example, a driver circuit substrate formed using a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film) may be mounted.

また、図26(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図26(B)に示す構成とすることができる。   In addition, the plurality of pixel circuits 501 illustrated in FIG. 26A can have the structure illustrated in FIG.

図26(B)に示す画素回路501は、液晶素子570と、トランジスタ550と、容量素子560と、を有する。トランジスタ550に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。   A pixel circuit 501 illustrated in FIG. 26B includes a liquid crystal element 570, a transistor 550, and a capacitor 560. The transistor described in the above embodiment can be applied to the transistor 550.

液晶素子570の一対の電極の一方の電位は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子570は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素回路501のそれぞれが有する液晶素子570の一対の電極の一方に共通の電位(コモン電位)を与えてもよい。また、各行の画素回路501の液晶素子570の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。   One potential of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 is appropriately set according to the specification of the pixel circuit 501. The alignment state of the liquid crystal element 570 is set by written data. Note that a common potential (common potential) may be applied to one of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 included in each of the plurality of pixel circuits 501. Further, a different potential may be applied to one of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 of the pixel circuit 501 in each row.

例えば、液晶素子570を備える表示装置の駆動方法としては、TNモード、STNモード、VAモード、ASM(Axially Symmetric Aligned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード、MVAモード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、又はTBA(Transverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)モード、PNLC(Polymer Network Liquid Crystal)モード、ゲストホストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様々なものを用いることができる。   For example, a driving method of a display device including the liquid crystal element 570 includes a TN mode, an STN mode, a VA mode, an ASM (Axial Symmetrical Aligned Micro-cell) mode, an OCB (Optically Compensated Birefringence) mode, and an FLC (Ferroelectric mode). , AFLC (Anti Ferroelectric Liquid Crystal) mode, MVA mode, PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, IPS mode, FFS mode, TBA (Transverse Bend Alignment) mode, etc. may be used. In addition to the above-described driving methods, there are ECB (Electrically Controlled Birefringence) mode, PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) mode, PNLC (Polymer Network Liquid Host mode), and other driving methods for the display device. However, the present invention is not limited to this, and various liquid crystal elements and driving methods thereof can be used.

m行n列目の画素回路501において、トランジスタ550のソース電極またはドレイン電極の一方は、データ線DL_nに電気的に接続され、他方は液晶素子570の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ550のゲート電極は、走査線GL_mに電気的に接続される。トランジスタ550は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。   In the pixel circuit 501 in the m-th row and the n-th column, one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 550 is electrically connected to the data line DL_n, and the other is electrically connected to the other of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570. The In addition, the gate electrode of the transistor 550 is electrically connected to the scan line GL_m. The transistor 550 has a function of controlling data writing of the data signal by being turned on or off.

容量素子560の一対の電極の一方は、電位が供給される配線(以下、電位供給線VL)に電気的に接続され、他方は、液晶素子570の一対の電極の他方に電気的に接続される。なお、電位供給線VLの電位の値は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される。容量素子560は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。   One of the pair of electrodes of the capacitor 560 is electrically connected to a wiring to which a potential is supplied (hereinafter, potential supply line VL), and the other is electrically connected to the other of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570. The Note that the value of the potential of the potential supply line VL is appropriately set according to the specifications of the pixel circuit 501. The capacitor 560 functions as a storage capacitor for storing written data.

例えば、図26(B)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図26(A)に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。   For example, in a display device including the pixel circuit 501 in FIG. 26B, for example, the pixel circuits 501 in each row are sequentially selected by the gate driver 504a illustrated in FIG. Write data.

データが書き込まれた画素回路501は、トランジスタ550がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。   The pixel circuit 501 in which data is written is brought into a holding state when the transistor 550 is turned off. By sequentially performing this for each row, an image can be displayed.

また、図26(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図26(C)に示す構成とすることができる。   In addition, the plurality of pixel circuits 501 illustrated in FIG. 26A can have a structure illustrated in FIG.

また、図26(C)に示す画素回路501は、トランジスタ552、554と、容量素子562と、発光素子572と、を有する。トランジスタ552及びトランジスタ554のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。   A pixel circuit 501 illustrated in FIG. 26C includes transistors 552 and 554, a capacitor 562, and a light-emitting element 572. The transistor described in any of the above embodiments can be applied to one or both of the transistor 552 and the transistor 554.

トランジスタ552のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる配線(以下、信号線DL_nという)に電気的に接続される。さらに、トランジスタ552のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線(以下、走査線GL_mという)に電気的に接続される。   One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 552 is electrically connected to a wiring to which a data signal is supplied (hereinafter referred to as a signal line DL_n). Further, the gate electrode of the transistor 552 is electrically connected to a wiring to which a gate signal is supplied (hereinafter referred to as a scanning line GL_m).

トランジスタ552は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。   The transistor 552 has a function of controlling data writing of the data signal by being turned on or off.

容量素子562の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線(以下、電位供給線VL_aという)に電気的に接続され、他方は、トランジスタ552のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。   One of the pair of electrodes of the capacitor 562 is electrically connected to a wiring to which a potential is applied (hereinafter referred to as a potential supply line VL_a), and the other is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 552. Is done.

容量素子562は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。   The capacitor 562 functions as a storage capacitor that stores written data.

トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線VL_aに電気的に接続される。さらに、トランジスタ554のゲート電極は、トランジスタ552のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。   One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 554 is electrically connected to the potential supply line VL_a. Further, the gate electrode of the transistor 554 is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 552.

発光素子572のアノード及びカソードの一方は、電位供給線VL_bに電気的に接続され、他方は、トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。   One of an anode and a cathode of the light-emitting element 572 is electrically connected to the potential supply line VL_b, and the other is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 554.

発光素子572としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子(有機EL素子ともいう)などを用いることができる。ただし、発光素子572としては、これに限定されず、無機材料からなる無機EL素子を用いても良い。   As the light-emitting element 572, for example, an organic electroluminescence element (also referred to as an organic EL element) or the like can be used. However, the light-emitting element 572 is not limited thereto, and an inorganic EL element made of an inorganic material may be used.

なお、電位供給線VL_a及び電位供給線VL_bの一方には、高電源電位VDDが与えられ、他方には、低電源電位VSSが与えられる。   Note that one of the potential supply line VL_a and the potential supply line VL_b is supplied with the high power supply potential VDD, and the other is supplied with the low power supply potential VSS.

図26(C)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図26(A)に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ552をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。   In the display device including the pixel circuit 501 in FIG. 26C, for example, the pixel circuits 501 in each row are sequentially selected by the gate driver 504a illustrated in FIG. Write.

データが書き込まれた画素回路501は、トランジスタ552がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ554のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子572は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。   The pixel circuit 501 in which data is written is brought into a holding state when the transistor 552 is turned off. Further, the amount of current flowing between the source electrode and the drain electrode of the transistor 554 is controlled in accordance with the potential of the written data signal, and the light-emitting element 572 emits light with luminance corresponding to the amount of flowing current. By sequentially performing this for each row, an image can be displayed.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。   The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.

(実施の形態6)
以下では、本発明の一態様の酸化物半導体を用いた半導体装置の例を説明する。
(Embodiment 6)
An example of a semiconductor device using the oxide semiconductor of one embodiment of the present invention is described below.

[半導体装置の例]
図37(A)は本発明の一態様の半導体装置の回路図の一例である。図37(A)に示す半導体装置は、トランジスタ100と、トランジスタ130と、容量素子150と、配線WBLと、配線RBLと、配線WLと、配線CLと、配線BGと、配線SLと、を有する。
[Example of semiconductor device]
FIG. 37A is an example of a circuit diagram of the semiconductor device of one embodiment of the present invention. A semiconductor device illustrated in FIG. 37A includes a transistor 100, a transistor 130, a capacitor 150, a wiring WBL, a wiring RBL, a wiring WL, a wiring CL, a wiring BG, and a wiring SL. .

トランジスタ130は、ソースまたはドレインの一方が配線RBLと電気的に接続し、他方が配線SLと電気的に接続し、ゲートがトランジスタ100のソースまたはドレインの一方及び容量素子150の一方の電極と電気的に接続する。トランジスタ100は、ソースまたはドレインの他方が配線WBLと電気的に接続し、第1のゲートが配線WLと電気的に接続する。容量素子150は、他方の電極が配線CLと電気的に接続する。また配線BGはトランジスタ100の第2のゲートと電気的に接続する。なお、トランジスタ130のゲートと、トランジスタ100のソースまたはドレインの一方と、容量素子150の一方の電極の間のノードをノードFNと呼ぶ。   In the transistor 130, one of a source and a drain is electrically connected to the wiring RBL, the other is electrically connected to the wiring SL, and a gate is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 100 and one electrode of the capacitor 150. Connect. In the transistor 100, the other of the source and the drain is electrically connected to the wiring WBL, and the first gate is electrically connected to the wiring WL. The other electrode of the capacitor 150 is electrically connected to the wiring CL. The wiring BG is electrically connected to the second gate of the transistor 100. Note that a node between the gate of the transistor 130, one of the source and the drain of the transistor 100, and one electrode of the capacitor 150 is referred to as a node FN.

図37(A)に示す半導体装置は、トランジスタ100が導通状態(オン状態)の時に配線WBLの電位に応じた電位を、ノードFNに与える。また、トランジスタ100が非導通状態(オフ状態)のときに、ノードFNの電位を保持する機能を有する。すなわち、図37(A)に示す半導体装置は、記憶装置のメモリセルとしての機能を有する。図37(A)に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ)を構成することができる。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 37A, a potential corresponding to the potential of the wiring WBL is supplied to the node FN when the transistor 100 is in a conductive state (on state). In addition, the transistor 100 has a function of holding the potential of the node FN when the transistor 100 is off (off state). That is, the semiconductor device illustrated in FIG. 37A functions as a memory cell of the memory device. By arranging the semiconductor devices illustrated in FIG. 37A in a matrix, a memory device (memory cell array) can be formed.

なお、ノードFNと電気的に接続する液晶素子や有機EL(Electroluminescence)素子などの表示素子を有する場合、図37(A)の半導体装置は表示装置の画素として機能させることもできる。   Note that in the case where a display element such as a liquid crystal element or an organic EL (Electroluminescence) element which is electrically connected to the node FN is included, the semiconductor device in FIG. 37A can also function as a pixel of the display device.

トランジスタ100の導通状態、非導通状態の選択は、配線WLまたは配線BGに与える電位によって制御することができる。また配線WLまたは配線BGに与える電位によってトランジスタ100のしきい値を制御することができる。トランジスタ100としてオフ電流の小さいトランジスタを用いることにより、非導通状態におけるノードFNの電位を長期間に渡って保持することができる。したがって、半導体装置のリフレッシュ頻度を低減することができ、消費電力の小さい半導体装置を実現することができる。トランジスタ100として、例えば酸化物半導体膜を用いたトランジスタを用いることにより、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。   The selection of the conduction state and the non-conduction state of the transistor 100 can be controlled by a potential applied to the wiring WL or the wiring BG. Further, the threshold value of the transistor 100 can be controlled by a potential applied to the wiring WL or the wiring BG. By using a transistor with low off-state current as the transistor 100, the potential of the node FN in a non-conduction state can be held for a long time. Accordingly, the refresh frequency of the semiconductor device can be reduced, and a semiconductor device with low power consumption can be realized. By using, for example, a transistor including an oxide semiconductor film as the transistor 100, a transistor with low off-state current can be realized.

なお、配線CLには基準電位や接地電位、または任意の固定電位などの定電位が与えられる。このとき、ノードFNの電位によって、トランジスタ100の見かけ上のしきい値電圧が変動する。見かけ上のしきい値電圧の変動により、トランジスタ130の導通状態、非導通状態が変化することを利用し、ノードFNに保持された電位の情報をデータとして読み出すことができる。   Note that a constant potential such as a reference potential, a ground potential, or an arbitrary fixed potential is applied to the wiring CL. At this time, the apparent threshold voltage of the transistor 100 varies depending on the potential of the node FN. Information on the potential held in the node FN can be read as data by utilizing the change in the conduction state and the non-conduction state of the transistor 130 due to the change in the apparent threshold voltage.

なお、ノードFNに保持された電位を85℃において10年間(3.15×10秒)保持するためには、容量1fFあたり、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流の値が4.3yA(ヨクトアンペア:1yAは10−24A)未満であることが好ましい。このとき、許容されるノードFNの電位の変動が0.5V以内であることが好ましい。または、95℃において、上記オフ電流が1.5yA未満であることが好ましい。 Note that in order to hold the potential held at the node FN at 85 ° C. for 10 years (3.15 × 10 8 seconds), the value of the off-current per capacitance of 1 fF per channel width of the transistor is 4.3 yA ( It is preferable that the yoct ampere: 1yA is less than 10 −24 A). At this time, it is preferable that the allowable fluctuation of the potential of the node FN is within 0.5V. Alternatively, at 95 ° C., the off-state current is preferably less than 1.5 yA.

また、容量を大きくすることにより、より長くノードFNに電位を保持することができる。つまり、保持時間を長くすることができる。   Further, by increasing the capacitance, the potential can be held in the node FN for a longer time. That is, the holding time can be extended.

図37(A)に示す半導体装置では、トランジスタ130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 semiconductor device illustrated in FIG. 37A, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 130 can be held.

情報の書き込み及び保持について説明する。まず、配線WLの電位を、トランジスタ100がオン状態となる電位にして、トランジスタ100をオン状態とする。これにより、配線WBLの電位が、トランジスタ130のゲート電極、及び容量素子150に与えられる。すなわち、トランジスタ130のゲート電極には、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、配線WLの電位を、トランジスタ100がオフ状態となる電位にして、トランジスタ100をオフ状態とすることにより、トランジスタ130のゲート電極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 wiring WL is set to a potential at which the transistor 100 is turned on, so that the transistor 100 is turned on. Accordingly, the potential of the wiring WBL is supplied to the gate electrode of the transistor 130 and the capacitor 150. That is, predetermined charge is given to the gate electrode of the transistor 130 (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 wiring WL is changed to a potential at which the transistor 100 is turned off and the transistor 100 is turned off, whereby the charge given to the gate electrode of the transistor 130 is held (held).

トランジスタ100のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ130のゲート電極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 100 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 130 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。配線RBLに所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線CLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ130のゲート電極に保持された電荷量に応じて、配線SLは異なる電位をとる。一般に、トランジスタ130をnチャネル型とすると、トランジスタ130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130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130を「オン状態」とするために必要な配線CLの電位をいうものとする。したがって、配線CL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130のゲート電極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、配線CLの電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ130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、配線CLの電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ130は「オフ状態」のままである。このため、配線SL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。なお、配線本数を減らすために、例えば図37(A)に示すWBLとRBLを導通させてもよい。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the wiring CL in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the wiring RBL, the wiring SL has different potentials depending on the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 130. Take. In general, when the transistor 130 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H when a high level charge is applied to the gate electrode of the transistor 130 is a low level charge applied to the gate electrode of the transistor 130. 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 wiring CL necessary for turning on the transistor 130. Therefore, the charge given to the gate electrode of the transistor 130 can be determined by setting the potential of the wiring CL 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 130 is turned “on” when the potential of the wiring CL becomes V 0 (> V th_H ). When the low-level charge is supplied , the transistor 130 remains in the “off state” even when the potential of the wiring CL becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, the stored information can be read by determining the potential of the wiring SL. In order to reduce the number of wirings, for example, WBL and RBL shown in FIG.

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、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ130が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を配線CLに与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ130が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を配線CL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, a potential at which the transistor 130 is turned off regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential smaller than V th_H may be supplied to the wiring CL. Alternatively , a potential at which the transistor 130 is turned on regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the wiring CL.

図37(B)に示す半導体装置は、トランジスタ130を設けていない点で主に図37(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 semiconductor device illustrated in FIG. 37B is mainly different from FIG. 37A in that the transistor 130 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100がオン状態となると、浮遊状態である配線BLと容量素子150とが導通し、配線BLと容量素子150の間で電荷が再分配される。その結果、配線BLの電位が変化する。配線BLの電位の変化量は、容量素子150の一方の電極の電位(あるいは容量素子150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 100 is turned on, the floating wiring BL and the capacitor 150 are brought into conduction, and charge is redistributed between the wiring BL and the capacitor 150. As a result, the potential of the wiring BL changes. The amount of change in the potential of the wiring BL varies depending on the potential of one electrode of the capacitor 150 (or the charge accumulated in the capacitor 150).

例えば、容量素子150の一方の電極の電位をV、容量素子150の容量をC、配線BLが有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の配線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の配線BL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150の一方の電極の電位が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配線BLの電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の配線BLの電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。   For example, when the potential of one electrode of the capacitor 150 is V, the capacitance of the capacitor 150 is C, the capacitance component of the wiring BL is CB, and the potential of the wiring BL before the charge is redistributed is VB0, the charge is The potential of the wiring BL after the redistribution is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, if the potential of one electrode of the capacitor 150 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the potential of the wiring BL when the potential V1 is held (= ( It can be seen that (CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential of the wiring BL (= (CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)) when the potential V0 is held.

そして、配線BL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 wiring BL with a predetermined potential.

図37(A)や図37(B)で示す半導体装置は、例えばCPUの記憶装置として用いることもできる。   The semiconductor device illustrated in FIGS. 37A and 37B can be used as a memory device of a CPU, for example.

図38に、図37(A)で示した回路を実現可能な半導体装置の断面構成の一例を示す。なお、図38では配線本数を減らすためにWBLとRBLを導通させる例を示す。なお、図38(B)は、図38(A)に示す一点鎖線A−Bを通り、図38(A)と垂直な面の断面を示す。また、図38(C)は、図38(A)に示す一点鎖線C−Dを通り、図38(A)と垂直な面の断面を示す。   FIG. 38 illustrates an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device that can realize the circuit illustrated in FIG. FIG. 38 shows an example in which WBL and RBL are made conductive to reduce the number of wirings. Note that FIG. 38B illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line AB illustrated in FIG. 38A and is perpendicular to FIG. 38C illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line CD illustrated in FIG. 38A and is perpendicular to FIG.

トランジスタ100はトランジスタ130の上方に設けられることが好ましい。トランジスタ100とトランジスタ130を積層することにより、例えば、回路面積を縮小することができる。トランジスタ100として、例えば実施の形態3に示したトランジスタを用いることができる。図38では、図12に示したトランジスタ100を用いる例を示す。   The transistor 100 is preferably provided above the transistor 130. By stacking the transistor 100 and the transistor 130, for example, the circuit area can be reduced. As the transistor 100, for example, the transistor described in Embodiment 3 can be used. FIG. 38 illustrates an example in which the transistor 100 illustrated in FIG. 12 is used.

トランジスタ130は、第1の半導体材料を含んで構成される。また、トランジスタ100は第2の半導体材料を含んで構成される。第1の半導体材料、または第2の半導体材料として用いることのできる半導体としては、例えばシリコンやゲルマニウムやガリウムやヒ素などの半導体材料、シリコンやゲルマニウムやガリウムやヒ素やアルミニウムなどを有する化合物半導体材料、有機半導体材料、または酸化物半導体材料などが挙げられる。   The transistor 130 includes a first semiconductor material. In addition, the transistor 100 includes a second semiconductor material. Examples of semiconductors that can be used as the first semiconductor material or the second semiconductor material include semiconductor materials such as silicon, germanium, gallium, and arsenic, and compound semiconductor materials including silicon, germanium, gallium, arsenic, aluminum, and the like, An organic semiconductor material, an oxide semiconductor material, or the like can be given.

第1の半導体材料と第2の半導体材料は、同一の材料であってもよいが、異なる半導体材料とすることがより好ましい。ここでは、第1の半導体材料として単結晶シリコンを、第2の半導体材料として酸化物半導体を用いた場合について説明する。   The first semiconductor material and the second semiconductor material may be the same material, but are preferably different semiconductor materials. Here, the case where single crystal silicon is used as the first semiconductor material and an oxide semiconductor is used as the second semiconductor material is described.

〔第1のトランジスタ〕
トランジスタ130は、半導体基板131に設けられ、半導体基板131の一部からなる半導体層132、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135、及びソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗層133a及び低抵抗層133bを有する。
[First transistor]
The transistor 130 is provided over the semiconductor substrate 131, and includes a semiconductor layer 132 formed of part of the semiconductor substrate 131, a gate insulating film 134, a gate electrode 135, and a low resistance layer 133a and a low resistance layer 133b that function as a source region or a drain region. Have

トランジスタ130は、pチャネル型、nチャネル型のいずれでもよいが、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。   The transistor 130 may be either a p-channel type or an n-channel type, but an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration and a driving method.

半導体層132のチャネルが形成される領域やその近傍の領域や、ソース領域またはドレイン領域となる低抵抗層133a及び低抵抗層133b等において、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、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)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に歪みを有するシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ130をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。   The region in which the channel of the semiconductor layer 132 is formed, a region in the vicinity thereof, the low resistance layer 133a and the low resistance layer 133b which serve as a source region or a drain region, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It is preferable to include silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon having distortion in the crystal lattice may be employed. Alternatively, the transistor 130 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

また、トランジスタ130は、LDD(Lightly Doped Drain)領域である領域176aと領域176bを有してもよい。   The transistor 130 may include a region 176a and a region 176b which are LDD (Lightly Doped Drain) regions.

低抵抗層133a及び低抵抗層133bは、半導体層132に適用される半導体材料に加え、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。   The low resistance layer 133a and the low resistance layer 133b include an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor layer 132. Including.

ゲート電極135は、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。   The gate electrode 135 includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy material, or a metal oxide material containing an element imparting n-type conductivity, such as phosphorus, or an element imparting p-type conductivity, such as boron. A conductive material such as can be used.

ここで、トランジスタ130に換えて図29(A)及び図29(B)に示すようなトランジスタ190を用いてもよい。図29(B)は、図29(A)に示す一点鎖線E−Fを通り、図29(A)と垂直な面の断面を示す。トランジスタ190はチャネルが形成される半導体層132(半導体基板の一部)が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲート絶縁膜134及びゲート電極135が設けられている。またトランジスタの間には素子分離層181が設けられている。このようなトランジスタ190は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁膜を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI(Silicon on Insulator)基板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。   Here, instead of the transistor 130, a transistor 190 as illustrated in FIGS. 29A and 29B may be used. FIG. 29B illustrates a cross section of a plane that passes through the alternate long and short dash line E-F illustrated in FIG. 29A and is perpendicular to FIG. In the transistor 190, a semiconductor layer 132 (a part of a semiconductor substrate) where a channel is formed has a convex shape, and a gate insulating film 134 and a gate electrode 135 are provided along a side surface and an upper surface thereof. An element isolation layer 181 is provided between the transistors. Such a transistor 190 is also referred to as a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulating film functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form the convex portion is shown here, an SOI (Silicon on Insulator) substrate may be processed to form a semiconductor layer having a convex shape.

トランジスタ130を覆って、絶縁膜136、絶縁膜137、及び絶縁膜138が順に積層して設けられている。   An insulating film 136, an insulating film 137, and an insulating film 138 are sequentially stacked to cover the transistor 130.

絶縁膜136は半導体装置の作製工程において、低抵抗層133a及び低抵抗層133bに添加された導電性を付与する元素の活性化の際の保護膜として機能する。絶縁膜136は不要であれば設けなくてもよい。   The insulating film 136 functions as a protective film in activation of an element imparting conductivity added to the low resistance layer 133a and the low resistance layer 133b in the manufacturing process of the semiconductor device. The insulating film 136 is not necessarily provided if not necessary.

半導体層132にシリコン系半導体材料を用いた場合、絶縁膜137は水素を含む絶縁材料を含むことが好ましい。加熱処理を行うことで絶縁膜137中の水素により半導体層132中のダングリングボンドが終端され、トランジスタ130の信頼性を向上させることができる。   In the case where a silicon-based semiconductor material is used for the semiconductor layer 132, the insulating film 137 preferably includes an insulating material containing hydrogen. By performing heat treatment, dangling bonds in the semiconductor layer 132 are terminated by hydrogen in the insulating film 137, whereby the reliability of the transistor 130 can be improved.

絶縁膜138はその下層に設けられるトランジスタ130などによって生じる段差を平坦化する平坦化層として機能する。絶縁膜138の上面をCMP法等により平坦化してもよい。   The insulating film 138 functions as a planarization layer that planarizes a step caused by the transistor 130 or the like provided thereunder. The upper surface of the insulating film 138 may be planarized by a CMP method or the like.

また、絶縁膜136、絶縁膜137、絶縁膜138には低抵抗層133aや低抵抗層133b等と電気的に接続するプラグ140、トランジスタ130のゲート電極135と電気的に接続するプラグ139等が埋め込まれていてもよい。   The insulating film 136, the insulating film 137, and the insulating film 138 include a plug 140 that is electrically connected to the low resistance layer 133a, the low resistance layer 133b, and the like, a plug 139 that is electrically connected to the gate electrode 135 of the transistor 130, and the like. It may be embedded.

トランジスタ130と、トランジスタ100の間には、バリア膜111が設けられている。バリア膜111は、これよりも下層から水及び水素が上層に拡散することを抑制する機能を有する層である。また、バリア膜111は酸素透過性が低いことが好ましい。ここで、水及び水素が拡散しにくい、とは、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリコン等と比較して、水及び水素の透過性が低いことを示す。また、酸素透過性が低いとは、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリコン等と比較して、酸素の透過性が低いことを示す。   A barrier film 111 is provided between the transistor 130 and the transistor 100. The barrier film 111 is a layer having a function of suppressing diffusion of water and hydrogen from the lower layer to the upper layer. The barrier film 111 preferably has low oxygen permeability. Here, that water and hydrogen are difficult to diffuse indicates that the permeability of water and hydrogen is low as compared with, for example, silicon oxide generally used as an insulating film. Further, the low oxygen permeability means that the oxygen permeability is low as compared with, for example, silicon oxide generally used as an insulating film.

バリア膜111に用いることのできる材料としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁膜を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁膜に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ガリウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁膜を窒化処理して酸化窒化膜としてもよい。上記の絶縁膜に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。特に、酸化アルミニウムは水や水素に対するバリア性に優れているため、より好ましい。 Examples of materials that can be used for the barrier film 111 include aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), and (Ba, Sr) TiO 3 (BST). An insulating film containing a so-called high-k material such as a single layer or a stacked layer can be used. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, or gallium oxide may be added to these insulating films. Alternatively, these insulating films may be nitrided to form an oxynitride film. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the insulating film. In particular, aluminum oxide is more preferable because it has excellent barrier properties against water and hydrogen.

また、上述した材料は、水素、水に加え、酸素のバリア性にも優れた材料である。よって絶縁膜114を加熱した時に放出される酸素がバリア膜111よりも下層に拡散することを抑制することができる。その結果、絶縁膜114から放出され、トランジスタ100の半導体層に供給されうる酸素の量を増大させることができる。   In addition to hydrogen and water, the above-described materials are materials excellent in oxygen barrier properties. Therefore, oxygen released when the insulating film 114 is heated can be prevented from diffusing below the barrier film 111. As a result, the amount of oxygen released from the insulating film 114 and supplied to the semiconductor layer of the transistor 100 can be increased.

ここで、バリア膜111よりも下層では、例えば加熱処理により、水素や水などを低減させておくことが好ましい。加熱処理条件は例えば不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気下で170℃以上とすればよい。   Here, in the lower layer than the barrier film 111, it is preferable to reduce hydrogen, water, or the like by, for example, heat treatment. The heat treatment condition may be set to 170 ° C. or higher in an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere, for example.

また、トランジスタ130の半導体層に単結晶シリコンを用いた場合では、当該加熱処理は、シリコンの不対結合手(ダングリングボンドともいう)を水素によって終端化する処理(水素化処理とも呼ぶ)を兼ねることができる。   In the case where single crystal silicon is used for the semiconductor layer of the transistor 130, the heat treatment includes treatment for terminating a dangling bond of silicon (also referred to as dangling bond) with hydrogen (also referred to as hydrogenation treatment). I can also serve.

バリア膜111を挟むように、導電層151、導電層152a及び導電層152bが設けられ、容量素子150を形成している。導電層151は、トランジスタ100の導電層104aと電気的に接続する。   A conductive layer 151, a conductive layer 152a, and a conductive layer 152b are provided so as to sandwich the barrier film 111, and the capacitor 150 is formed. The conductive layer 151 is electrically connected to the conductive layer 104a of the transistor 100.

バリア膜111、導電層152a、導電層152b、導電層105等を覆って、絶縁膜114が設けられている。絶縁膜114については、例えば図12の絶縁膜114の説明を参照する。   An insulating film 114 is provided so as to cover the barrier film 111, the conductive layer 152a, the conductive layer 152b, the conductive layer 105, and the like. For the insulating film 114, refer to the description of the insulating film 114 in FIG.

〔第2のトランジスタ〕
絶縁膜114の上部には、トランジスタ100が設けられている。図38に示す一例では、トランジスタ100として図12に示したトランジスタを用いる。
[Second transistor]
A transistor 100 is provided over the insulating film 114. In the example illustrated in FIG. 38, the transistor illustrated in FIG.

また、図38に示すトランジスタ100は、第2のゲート電極として機能する導電層105を有する。導電層105は、容量素子150の一部を形成する導電層152a及び導電層152bと同時に形成してもよい。これらの導電層を同時に形成することにより、例えば工程を簡略化することができる。   In addition, the transistor 100 illustrated in FIGS. 38A and 38B includes a conductive layer 105 functioning as a second gate electrode. The conductive layer 105 may be formed at the same time as the conductive layers 152 a and 152 b that form part of the capacitor 150. By forming these conductive layers simultaneously, for example, the process can be simplified.

またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112、絶縁膜113、及び絶縁膜116が設けられている。   Further, an insulating film 112, an insulating film 113, and an insulating film 116 are provided so as to cover the transistor 100.

絶縁膜112はバリア膜111同様、水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。特に酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。   As with the barrier film 111, the insulating film 112 is preferably made of a material in which water and hydrogen are difficult to diffuse. It is particularly preferable to use a material that does not easily transmit oxygen.

なお、絶縁膜112を2層以上の積層構造としてもよい。その場合には、例えば絶縁膜112を2層の積層構造とし、上層には水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。また、下層には例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。下層に設ける絶縁膜は、絶縁膜114と同様の、加熱により酸素が脱離する絶縁膜としてゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも酸素を供給する構成としてもよい。   Note that the insulating film 112 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, for example, the insulating film 112 is preferably formed to have a two-layer structure, and a material in which water or hydrogen hardly diffuses is preferably used for the upper layer. In addition, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, or aluminum nitride may be used for the lower layer. The insulating film provided in the lower layer may have a structure in which oxygen is supplied from the upper side of the semiconductor layer 101 through the gate insulating film 102 as an insulating film from which oxygen is released by heating, similarly to the insulating film 114.

絶縁膜112で半導体層101を覆うことで、半導体層101から絶縁膜112よりも上方に酸素が放出されることを抑制することができる。さらに、絶縁膜114等から脱離した酸素を絶縁膜112よりも下側に閉じ込めることができるため、半導体層101に供給しうる酸素の量を増大させることができる。   By covering the semiconductor layer 101 with the insulating film 112, release of oxygen from the semiconductor layer 101 to the upper side of the insulating film 112 can be suppressed. Furthermore, oxygen released from the insulating film 114 and the like can be confined below the insulating film 112, so that the amount of oxygen that can be supplied to the semiconductor layer 101 can be increased.

また絶縁膜112を設けることにより、外部から酸化物半導体への水や水素が混入することを抑制できる。よって電気特性の変動が抑制された、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。   In addition, by providing the insulating film 112, entry of water and hydrogen into the oxide semiconductor from the outside can be suppressed. Therefore, a highly reliable transistor in which variation in electrical characteristics is suppressed can be realized.

絶縁膜113としては、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。   As the insulating film 113, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like may be used.

トランジスタ100を覆う絶縁膜116は、その下層の凹凸形状を被覆する平坦化層として機能する。また絶縁膜113は、絶縁膜116を成膜する際の保護膜としての機能を有してもよい。絶縁膜113は不要であれば設けなくてもよい。絶縁膜116として例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。   The insulating film 116 that covers the transistor 100 functions as a planarization layer that covers the underlying uneven shape. The insulating film 113 may function as a protective film when the insulating film 116 is formed. The insulating film 113 is not necessarily provided if not necessary. As the insulating film 116, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like may be used.

絶縁膜112、絶縁膜113及び絶縁膜116には、導電層104bと電気的に接続するプラグ321、プラグ322、プラグ123が埋め込まれている。   A plug 321, a plug 322, and a plug 123 that are electrically connected to the conductive layer 104 b are embedded in the insulating film 112, the insulating film 113, and the insulating film 116.

絶縁膜116の上部には、プラグ322と電気的に接続する配線124等が設けられている。   Over the insulating film 116, a wiring 124 and the like electrically connected to the plug 322 are provided.

また図38に示すように、水素を含む絶縁膜136上に、バリア膜111と同様の材料を含む絶縁膜137を設ける構成としてもよい。このような構成とすることで、水素を含む絶縁膜136中に残存した水や水素が上方に拡散することを効果的に抑制することができる。   As shown in FIG. 38, an insulating film 137 containing a material similar to that of the barrier film 111 may be provided over the insulating film 136 containing hydrogen. With such a structure, water and hydrogen remaining in the insulating film 136 containing hydrogen can be effectively suppressed from diffusing upward.

配線124、配線166等の配線、導電層143、導電層151、導電層152a、導電層152b、導電層251等の導電層、及び、プラグ123、プラグ139、プラグ140、プラグ164、プラグ165等のプラグには、材料として金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、窒化チタンやチタンなどの材料を、他の材料と積層して用いてもよい。   Wiring 124, wiring 166, etc., conductive layer 143, conductive layer 151, conductive layer 152a, conductive layer 152b, conductive layer 251 and other conductive layers, plug 123, plug 139, plug 140, plug 164, plug 165, etc. The plug can be made of a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. Further, a material such as titanium nitride or titanium may be stacked with another material.

[作製方法例]
次に、図38の半導体装置の作製方法の一例について、図39乃至図42を用いて説明する。
[Example of production method]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device in FIG. 38 is described with reference to FIGS.

まず半導体基板131を準備する。半導体基板131としては、例えば単結晶シリコン基板(p型の半導体基板、またはn型の半導体基板を含む)、炭化シリコンや窒化ガリウムからなる化合物半導体基板などを用いることができる。また、半導体基板131として、SOI基板を用いてもよい。以下では、半導体基板131として単結晶シリコンを用いた場合について説明する。   First, the semiconductor substrate 131 is prepared. As the semiconductor substrate 131, for example, a single crystal silicon substrate (including a p-type semiconductor substrate or an n-type semiconductor substrate), a compound semiconductor substrate made of silicon carbide or gallium nitride, or the like can be used. Further, an SOI substrate may be used as the semiconductor substrate 131. Hereinafter, a case where single crystal silicon is used as the semiconductor substrate 131 will be described.

続いて、半導体基板131に素子分離層(図示せず)を形成する。素子分離層はLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法またはSTI(Shallow Trench Isolation)法、メサ分離法等を用いて形成すればよい。   Subsequently, an element isolation layer (not shown) is formed on the semiconductor substrate 131. The element isolation layer may be formed using a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method, an STI (Shallow Trench Isolation) method, a mesa isolation method, or the like.

同一基板上にp型のトランジスタとn型のトランジスタを形成する場合、半導体基板131の一部にnウェルまたはpウェルを形成してもよい。例えば、n型の半導体基板131にp型の導電性を付与するホウ素などの不純物元素を添加してpウェルを形成し、同一基板上にn型のトランジスタとp型のトランジスタを形成してもよい。   In the case where a p-type transistor and an n-type transistor are formed over the same substrate, an n well or a p well may be formed in part of the semiconductor substrate 131. For example, an n-type semiconductor substrate 131 may be doped with an impurity element such as boron that imparts p-type conductivity to form a p-well, and an n-type transistor and a p-type transistor may be formed on the same substrate. Good.

続いて、半導体基板131上にゲート絶縁膜134となる絶縁膜を形成する。例えば、半導体基板131の表面を酸化し酸化シリコン膜を形成する。または、熱酸化法により酸化シリコンを形成した後に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化することにより、酸化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜の積層構造を形成してもよい。または、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、高誘電率物質(high−k材料ともいう)であるタンタル酸化物、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムシリケート、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンなどの金属酸化物、または酸化ランタンなどの希土類酸化物等を用いてもよい。   Subsequently, an insulating film to be the gate insulating film 134 is formed over the semiconductor substrate 131. For example, the surface of the semiconductor substrate 131 is oxidized to form a silicon oxide film. Alternatively, a silicon oxide film and a silicon oxynitride film may be stacked by nitriding the surface of the silicon oxide film by performing nitriding after forming silicon oxide by a thermal oxidation method. Alternatively, silicon oxide, silicon oxynitride, tantalum oxide which is a high dielectric constant material (also referred to as a high-k material), hafnium oxide, hafnium oxide silicate, zirconium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, or other metal oxide, or oxidation Rare earth oxides such as lanthanum may be used.

当該絶縁膜は、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic CVD)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法等を含む)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法等で成膜することにより形成してもよい。   The insulating film includes a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (including a thermal CVD method, a MOCVD (Metal Organic CVD) method, a PECVD (Plasma Enhanced CVD) method, etc.), an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, and the like. You may form by forming into a film by the atomic layer deposition (PLA) method or the PLD (Pulsed Laser Deposition) method.

続いて、ゲート電極135となる導電膜を成膜する。導電膜としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造を用いてもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。   Subsequently, a conductive film to be the gate electrode 135 is formed. As the conductive film, it is preferable to use a metal selected from tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, chromium, niobium, or the like, or an alloy material or a compound material containing these metals as a main component. Alternatively, polycrystalline silicon to which an impurity such as phosphorus is added can be used. Alternatively, a stacked structure of a metal nitride film and the above metal film may be used. As the metal nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride can be used. By providing the metal nitride film, the adhesion of the metal film can be improved and peeling can be prevented.

導電膜は、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)などにより成膜することができる。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   The conductive film can be formed by a sputtering method, an evaporation method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like). In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

続いて、当該導電膜上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、当該導電膜の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、ゲート電極135を形成することができる。   Subsequently, a resist mask is formed over the conductive film using a lithography method or the like, and unnecessary portions of the conductive film are removed. After that, the gate electrode 135 can be formed by removing the resist mask.

ここで、被加工膜の加工方法について説明する。加工方法として、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、フォトリソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、フォトリソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。   Here, a method for processing a film to be processed will be described. Various fine processing techniques can be used as the processing method. For example, a method of performing a slimming process on a resist mask formed by a photolithography method or the like may be used. Alternatively, a dummy pattern may be formed by photolithography or the like, a sidewall may be formed on the dummy pattern, the dummy pattern may be removed, and the film to be processed may be etched using the remaining sidewall as a resist mask. In order to realize a high aspect ratio, it is preferable to use anisotropic dry etching as etching of the film to be processed. Further, a hard mask made of an inorganic film or a metal film may be used.

レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光(EUV:Extreme Ultra−violet)やX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。   As light used for forming the resist mask, for example, i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 436 nm), h-line (wavelength 405 nm), or light obtained by mixing them can be used. In addition, ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light, or the like can be used. Further, exposure may be performed by an immersion exposure technique. Further, extreme ultraviolet light (EUV: Extreme Ultra-violet) or X-rays may be used as light used for exposure. Further, an electron beam can be used instead of the light used for exposure. It is preferable to use extreme ultraviolet light, X-rays, or an electron beam because extremely fine processing is possible. Note that a photomask is not necessary when exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam.

また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下層の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上層に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti−Reflection Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。   Further, an organic resin film having a function of improving the adhesion between the film to be processed and the resist film may be formed before forming the resist film to be a resist mask. The organic resin film can be formed by, for example, spin coating so as to cover the level difference of the lower layer and planarize the surface, and variations in the thickness of the resist mask provided on the upper layer of the organic resin film Can be reduced. In particular, when fine processing is performed, a material that functions as an antireflection film for light used for exposure is preferably used as the organic resin film. Examples of the organic resin film having such a function include a BARC (Bottom Anti-Reflection Coating) film. The organic resin film may be removed at the same time as the resist mask is removed or after the resist mask is removed.

これ以降、レジストマスクを用いた加工の記載については、例えばゲート電極135で説明した加工方法を参照すればよい。また、本明細書では、被加工膜のエッチングを行った後のレジスト除去の記載を省略する場合がある。   Thereafter, for the description of processing using a resist mask, for example, the processing method described for the gate electrode 135 may be referred to. In this specification, description of resist removal after etching of a film to be processed may be omitted.

ゲート電極135の形成後、ゲート電極135の側面を覆うサイドウォールを形成してもよい。サイドウォールは、ゲート電極135の厚さよりも厚い絶縁膜を成膜した後に、異方性エッチングを施し、ゲート電極135の側面部分のみ当該絶縁膜を残存させることにより形成できる。   After the formation of the gate electrode 135, a sidewall that covers the side surface of the gate electrode 135 may be formed. The sidewall can be formed by depositing an insulating film thicker than the thickness of the gate electrode 135 and then performing anisotropic etching so that only the side surface portion of the gate electrode 135 remains.

図39には、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜のエッチングを行わない例を示すが、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜134となる絶縁膜も同時にエッチングしてもよい。この場合はゲート電極135及びサイドウォールの下部にゲート絶縁膜134が形成される。   FIG. 39 shows an example in which the gate insulating film is not etched when the sidewall is formed, but the insulating film which becomes the gate insulating film 134 may also be etched at the same time when the sidewall is formed. In this case, the gate insulating film 134 is formed below the gate electrode 135 and the sidewall.

続いて、半導体基板131のゲート電極135(及びサイドウォール)が設けられていない領域にリンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を添加する。この段階における断面概略図が図39(A)に相当する。   Subsequently, an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron is added to a region of the semiconductor substrate 131 where the gate electrode 135 (and sidewall) is not provided. To do. A schematic cross-sectional view at this stage corresponds to FIG.

続いて、絶縁膜136を形成した後、例えば上述した導電性を付与する元素の活性化のための加熱処理を行う。加熱処理は、希ガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、または減圧雰囲気下にて、例えば400℃以上基板の歪み点未満で行うことができる。   Subsequently, after the insulating film 136 is formed, for example, heat treatment for activating the above-described element imparting conductivity is performed. The heat treatment can be performed in an inert gas atmosphere such as a rare gas or a nitrogen gas, or in a reduced pressure atmosphere, for example, at 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the substrate.

絶縁膜136は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。絶縁膜136はスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   For the insulating film 136, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like may be used, and the insulating film 136 is provided as a stacked layer or a single layer. The insulating film 136 can be formed by a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

この段階でトランジスタ130が形成される。また、トランジスタ130を形成するのと同様の方法で、第3のトランジスタ160を形成してもよい。   At this stage, the transistor 130 is formed. Alternatively, the third transistor 160 may be formed by a method similar to that for forming the transistor 130.

続いて、絶縁膜137及び絶縁膜138を形成する。   Subsequently, an insulating film 137 and an insulating film 138 are formed.

絶縁膜137は、絶縁膜136に用いることのできる材料のほか、酸素と水素を含む窒化シリコン(SiNOH)を用いてもよい。また、絶縁膜138は、絶縁膜136に用いることのできる材料のほか、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いることが好ましい。   The insulating film 137 may be formed using silicon nitride (SiNOH) containing oxygen and hydrogen in addition to a material that can be used for the insulating film 136. The insulating film 138 has a step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) or silane with oxygen or nitrous oxide, in addition to materials that can be used for the insulating film 136. It is preferable to use good silicon oxide.

絶縁膜137及び絶縁膜138は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   The insulating film 137 and the insulating film 138 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

続いて絶縁膜138の上面をCMP法等を用いて平坦化する。また、絶縁膜138として平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもCMP法等で平坦化しなくともよい。平坦化膜の形成には、例えば常圧CVD法や、塗布法などを用いることができる。常圧CVD法を用いて形成できる膜としては例えば、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)等が挙げられる。また、塗布法を用いて形成できる膜としては例えば、HSQ(水素シルセスキオキサン)等が挙げられる。その後、半導体層132中のダングリングボンドを絶縁膜137から脱離する水素によって終端するための加熱処理を行ってもよい。   Subsequently, the upper surface of the insulating film 138 is planarized using a CMP method or the like. Further, a planarization film may be used as the insulating film 138. In that case, the planarization is not necessarily performed by the CMP method or the like. For example, an atmospheric pressure CVD method or a coating method can be used to form the planarizing film. Examples of the film that can be formed using the atmospheric pressure CVD method include BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass). Moreover, as a film | membrane which can be formed using the apply | coating method, HSQ (hydrogen silsesquioxane) etc. are mentioned, for example. After that, heat treatment for terminating dangling bonds in the semiconductor layer 132 with hydrogen desorbed from the insulating film 137 may be performed.

続いて、絶縁膜136、絶縁膜137、及び絶縁膜138に低抵抗層133a、低抵抗層133b及びゲート電極135等に達する開口を形成する(図39(B)参照)。その後、開口を埋めるように導電膜を形成する(図39(C)参照)。その後、絶縁膜138の上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、プラグ139やプラグ140等を形成する(図39(D)参照)。導電膜の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。   Subsequently, openings that reach the low resistance layer 133a, the low resistance layer 133b, the gate electrode 135, and the like are formed in the insulating film 136, the insulating film 137, and the insulating film 138 (see FIG. 39B). After that, a conductive film is formed so as to fill the opening (see FIG. 39C). After that, the conductive film is planarized so that the upper surface of the insulating film 138 is exposed, whereby the plug 139, the plug 140, and the like are formed (see FIG. 39D). The conductive film can be formed using, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, or a PLD method.

続いて、絶縁膜138上に絶縁膜215を成膜する。絶縁膜215は、絶縁膜136等と同様の材料及び方法により形成することができる。絶縁膜215を形成した後、加熱処理を行ってもよい。   Subsequently, an insulating film 215 is formed over the insulating film 138. The insulating film 215 can be formed using a material and a method similar to those of the insulating film 136 and the like. Heat treatment may be performed after the insulating film 215 is formed.

第3の加熱処理は、上記積層構造の説明で例示した条件で行うことができる。例えば第1の加熱処理で説明した条件などを用いることができる。   The third heat treatment can be performed under the conditions exemplified in the description of the stacked structure. For example, the conditions described in the first heat treatment can be used.

続いて絶縁膜215に開口部を形成する。その後、開口を埋めるように導電膜を形成し、絶縁膜215の上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電層251、導電層143及び導電層151等を形成する(図39(E)参照)。開口部に導電膜を形成する場合には、例えば、窒化チタンやチタンなどの材料を、開口部に形成した後、他の導電材料を積層してもよい。例えば、窒化チタンやチタンを積層膜の下層に用いることにより、開口部への密着性を向上させることができる。   Subsequently, an opening is formed in the insulating film 215. After that, a conductive film is formed so as to fill the opening, and a planarization process is performed on the conductive film so that an upper surface of the insulating film 215 is exposed, so that the conductive layer 251, the conductive layer 143, the conductive layer 151, and the like are formed. (See FIG. 39E). In the case where a conductive film is formed in the opening, for example, a material such as titanium nitride or titanium may be formed in the opening, and then another conductive material may be stacked. For example, the adhesion to the opening can be improved by using titanium nitride or titanium for the lower layer of the laminated film.

続いて、バリア膜111を成膜し、開口部を形成する(図40(A)参照)。バリア膜111は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   Subsequently, a barrier film 111 is formed to form an opening (see FIG. 40A). The barrier film 111 can be formed using, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, or a PLD method. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

続いて、導電層105、導電層152a及び導電層152bとなる導電膜を成膜する。その後、エッチング等により導電層105、導電層152a及び導電層152bを形成する(図40(B)参照)。   Subsequently, a conductive film to be the conductive layer 105, the conductive layer 152a, and the conductive layer 152b is formed. After that, the conductive layer 105, the conductive layer 152a, and the conductive layer 152b are formed by etching or the like (see FIG. 40B).

次に、絶縁膜114を成膜する。絶縁膜114は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   Next, an insulating film 114 is formed. The insulating film 114 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

絶縁膜114に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜114の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜114に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。   In order to make the insulating film 114 contain excessive oxygen, for example, the insulating film 114 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen may be introduced into the insulating film 114 after film formation to form a region containing excess oxygen, or both means may be combined.

例えば、成膜後の絶縁膜114に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulating film 114 which has been formed, so that a region containing excess oxygen is formed. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, for example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon may be used.

また、絶縁膜114を成型した後、その上面の平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。   Further, after the insulating film 114 is molded, a planarization process using a CMP method or the like may be performed in order to improve the flatness of the upper surface.

次に、絶縁体層101aとなる半導体膜と、半導体層101bとなる半導体膜を順に成膜する(図40(C)参照)。当該半導体膜は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。絶縁体層101aとなる半導体、及び半導体層101bとなる半導体は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。   Next, a semiconductor film to be the insulator layer 101a and a semiconductor film to be the semiconductor layer 101b are formed in this order (see FIG. 40C). The semiconductor film is preferably formed continuously without being exposed to the air. The semiconductor to be the insulator layer 101a and the semiconductor to be the semiconductor layer 101b may be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

なお、絶縁体層101aとなる半導体、及び半導体層101bとなる半導体として、In−Ga−Zn酸化物層をMOCVD法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウム及びジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。   Note that in the case where an In—Ga—Zn oxide layer is formed by a MOCVD method as a semiconductor to be the insulator layer 101a and a semiconductor to be the semiconductor layer 101b, trimethylindium, trimethylgallium, dimethylzinc, or the like is used as a source gas. That's fine. The combination of the source gases is not limited, and triethylindium or the like may be used instead of trimethylindium. Further, triethylgallium or the like may be used instead of trimethylgallium. Further, diethyl zinc or the like may be used instead of dimethyl zinc.

ここで、絶縁体層101aを形成した後に、絶縁体層101aに酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の絶縁体層101aに酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   Here, oxygen may be introduced into the insulator layer 101a after the insulator layer 101a is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulator layer 101a after film formation to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, for example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon may be used.

絶縁体層101a及び半導体層101bを成膜後、加熱処理を行ってもよい。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、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。加熱処理は、半導体膜を成膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の絶縁体層101a及び101bを形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜114や酸化物膜から半導体膜に酸素が供給され、半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。   Heat treatment may be performed after the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b are formed. 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. The atmosphere for the heat treatment may be an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. The heat treatment may be performed immediately after the semiconductor film is formed, or may be performed after the semiconductor film is processed to form the island-shaped insulator layers 101a and 101b. By the heat treatment, oxygen is supplied from the insulating film 114 or the oxide film to the semiconductor film, so that oxygen vacancies in the semiconductor film can be reduced.

その後、レジストマスクを用いて、島状の絶縁体層101aと島状の半導体層101bの積層構造を形成する(図40(D)参照)。なお、半導体膜のエッチングの際に、絶縁膜114の一部がエッチングされ、絶縁体層101a及び半導体層101bに覆われていない領域における絶縁膜114が薄膜化することがある。したがって、当該エッチングにより絶縁膜114が消失しないよう、予め厚く形成しておくことが好ましい。   After that, a stacked structure of the island-shaped insulator layer 101a and the island-shaped semiconductor layer 101b is formed using a resist mask (see FIG. 40D). Note that when the semiconductor film is etched, part of the insulating film 114 is etched, and the insulating film 114 in a region not covered with the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b may be thinned. Therefore, it is preferable to form the insulating film 114 thick in advance so that the insulating film 114 is not lost by the etching.

なお、半導体膜のエッチング条件によっては、レジストがエッチング工程中に消失してしまう場合があるため、エッチングの耐性が高い材料、例えば無機膜または金属膜からなるいわゆるハードマスクを用いてもよい。ここでハードマスク281として、導電膜を用いる例を示す。図41(A)は、ハードマスク281を用いて半導体膜を加工し、絶縁体層101a及び半導体層101bを形成する例をしめす。ここで、ハードマスク281に導電層104a及び導電層104bとして用いることができる材料を用いれば、ハードマスク281を加工し、導電層104a及び導電層104bを形成することができる。このような方法を用いることにより、例えば図30に示すトランジスタ100を作製することができる。   Note that since the resist may disappear during the etching process depending on the etching conditions of the semiconductor film, a so-called hard mask made of a material having high etching resistance, for example, an inorganic film or a metal film may be used. Here, an example in which a conductive film is used as the hard mask 281 is described. FIG. 41A illustrates an example in which a semiconductor film is processed using the hard mask 281 to form the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b. Here, when a material that can be used for the conductive layer 104a and the conductive layer 104b is used for the hard mask 281, the hard mask 281 can be processed to form the conductive layer 104a and the conductive layer 104b. By using such a method, for example, the transistor 100 illustrated in FIG. 30 can be manufactured.

図40(D)に示す構造を形成した後、絶縁膜114に導電層151、導電層251等に達する開口部を設ける(図41(B)参照)。その後、絶縁膜114に設けた開口部を埋め込むように、導電層104a、導電層104b等となる導電膜を成膜する。導電層104a、導電層104b等となる導電膜の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   After the structure shown in FIG. 40D is formed, an opening reaching the conductive layer 151, the conductive layer 251, and the like is provided in the insulating film 114 (see FIG. 41B). After that, a conductive film to be the conductive layer 104a, the conductive layer 104b, or the like is formed so as to fill the opening provided in the insulating film 114. The conductive film to be the conductive layer 104a, the conductive layer 104b, or the like is formed by using, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, or a PLD method. can do. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

次に、レジストマスクを用いて、導電層104a、導電層104b等となる導電膜の不要な部分をエッチングにより除去し、導電層104a及び導電層104b等を形成する(図41(C)参照)。ここで、導電膜のエッチングの際に、半導体層101bや絶縁膜114の上部の一部がエッチングされ、導電層104a及び導電層104bと重ならない部分が薄膜化することがある。したがって、半導体層101bとなる半導体膜等の厚さを、エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。   Next, unnecessary portions of the conductive film to be the conductive layers 104a, 104b, and the like are removed by etching using a resist mask, so that the conductive layers 104a and 104b and the like are formed (see FIG. 41C). . Here, when the conductive film is etched, part of the upper portion of the semiconductor layer 101b or the insulating film 114 is etched, and a portion that does not overlap with the conductive layer 104a or the conductive layer 104b may be thinned. Accordingly, it is preferable that the thickness of the semiconductor film or the like to be the semiconductor layer 101b is formed thick in advance in consideration of the etching depth.

次に、絶縁体層101c及びゲート絶縁膜102を成膜する。その後、レジストマスクを用いて、エッチングにより加工する(図42(A)参照)。次にゲート電極103となる導電膜を成膜し、レジストマスクを用いて該導電膜を加工し、ゲート電極103を形成する(図42(B)参照)。   Next, the insulator layer 101c and the gate insulating film 102 are formed. After that, etching is performed using a resist mask (see FIG. 42A). Next, a conductive film to be the gate electrode 103 is formed, and the conductive film is processed using a resist mask, so that the gate electrode 103 is formed (see FIG. 42B).

なお、絶縁体層101cの成膜方法については、例えば絶縁体層101aを参照すればよい。   Note that the insulating layer 101a may be referred to for the deposition method of the insulating layer 101c, for example.

また絶縁体層101cを形成した後に、絶縁体層101cに酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の絶縁体層101cに酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   Alternatively, oxygen may be introduced into the insulator layer 101c after the insulator layer 101c is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulating layer 101c after deposition to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, for example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon may be used.

この段階でトランジスタ100が形成される。   At this stage, the transistor 100 is formed.

次に、絶縁膜112を形成する。絶縁膜112は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   Next, the insulating film 112 is formed. The insulating film 112 can be formed using, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, or a PLD method. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

絶縁膜112の成膜後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜114等から半導体層101に対して酸素を供給し、半導体層101中の酸素欠損を低減することができる。   Heat treatment may be performed after the insulating film 112 is formed. By the heat treatment, oxygen can be supplied from the insulating film 114 or the like to the semiconductor layer 101, so that oxygen vacancies in the semiconductor layer 101 can be reduced.

また、絶縁膜112を2層以上の積層構造としてもよい。   The insulating film 112 may have a stacked structure of two or more layers.

続いて、絶縁膜113を形成する。絶縁膜113は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、CVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   Subsequently, an insulating film 113 is formed. The insulating film 113 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, a CVD method, preferably a plasma CVD method, is preferable because coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

続いて、絶縁膜113、絶縁膜112、ゲート絶縁膜102及び絶縁体層101cに、導電層104a等に達する開口部を設ける。次いで、開口部を埋め込むように導電膜を形成した後、レジストマスクを用いて不要部分を除去し、プラグ321及びプラグ322を形成する。   Subsequently, an opening reaching the conductive layer 104a and the like is provided in the insulating film 113, the insulating film 112, the gate insulating film 102, and the insulator layer 101c. Next, after forming a conductive film so as to fill the opening, unnecessary portions are removed using a resist mask, and a plug 321 and a plug 322 are formed.

続いて、絶縁膜116を形成する。絶縁膜116は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。また絶縁膜116として有機樹脂などの有機絶縁材料を用いる場合には、スピンコート法などの塗布法を用いて形成してもよい。また、絶縁膜116を形成した後にその上面に対して平坦化処理を行うことが好ましい。また、絶縁膜116として、絶縁膜138に示す材料や、形成方法を用いてもよい。   Subsequently, an insulating film 116 is formed. The insulating film 116 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In the case where an organic insulating material such as an organic resin is used for the insulating film 116, a coating method such as a spin coating method may be used. In addition, after the insulating film 116 is formed, planarization treatment is preferably performed on the upper surface thereof. Further, as the insulating film 116, a material shown in the insulating film 138 or a formation method thereof may be used.

続いて、上記と同様の方法により、絶縁膜116に、プラグ322に達するプラグ123等を形成する。   Subsequently, a plug 123 reaching the plug 322 is formed in the insulating film 116 by a method similar to the above.

続いて、絶縁膜116上に導電膜を成膜する。その後上記と同様の方法によりレジストマスクを用いて導電膜の不要な部分をエッチングにより除去し、配線124等を形成することができる。   Subsequently, a conductive film is formed over the insulating film 116. After that, unnecessary portions of the conductive film are removed by etching using a resist mask in the same manner as described above, whereby the wiring 124 and the like can be formed.

以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。   Through the above steps, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be manufactured.

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7)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of a circuit using the transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

[回路構成例]
実施の形態1を適用する半導体装置において示した構成において、トランジスタや配線、電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
[Circuit configuration example]
In the structure shown in the semiconductor device to which Embodiment 1 is applied, various circuits can be formed by changing connection structures of transistors, wirings, and electrodes. An example of a circuit configuration that can be realized by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below.

〔CMOS回路〕
図37(C)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOS回路の構成を示している。なお図中、第2の半導体材料が適用されたトランジスタには「OS」の記号を付して示している。ここで、本実施の形態で示すCMOS回路は、NAND回路、NOR回路、エンコーダ、デコーダ、MUX(multiplamplifier)、DEMUX(demultiplexer)などの論理回路の基本素子として利用されうる。
[CMOS circuit]
The circuit diagram shown in FIG. 37C illustrates a structure of a so-called CMOS circuit in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and gates thereof are connected. Note that in the drawing, a transistor to which the second semiconductor material is applied is denoted by a symbol “OS”. Here, the CMOS circuit described in this embodiment can be used as a basic element of a logic circuit such as a NAND circuit, a NOR circuit, an encoder, a decoder, a MUX (multiplemplifier), or a DEMUX (demultiplexer).

〔アナログスイッチ〕
また図37(D)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
[Analog switch]
A circuit diagram illustrated in FIG. 37D illustrates a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected to each other. With such a configuration, it can function as a so-called analog switch.

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8)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュールについて、図27を用いて説明を行う。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a display module including the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図27に示す表示モジュール8000は、上部カバー8001と下部カバー8002との間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続された表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板8010、バッテリ8011を有する。   A display module 8000 shown in FIG. 27 includes a touch panel 8004 connected to the FPC 8003, a display panel 8006 connected to the FPC 8005, a backlight 8007, a frame 8009, a printed circuit board 8010, a battery, between an upper cover 8001 and a lower cover 8002. 8011.

本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル8006に用いることができる。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for the display panel 8006, for example.

上部カバー8001及び下部カバー8002は、タッチパネル8004及び表示パネル8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。   The shapes and dimensions of the upper cover 8001 and the lower cover 8002 can be changed as appropriate in accordance with the sizes of the touch panel 8004 and the display panel 8006.

タッチパネル8004は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル8006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。   As the touch panel 8004, a resistive touch panel or a capacitive touch panel can be used by being superimposed on the display panel 8006. In addition, the counter substrate (sealing substrate) of the display panel 8006 can have a touch panel function. In addition, an optical sensor can be provided in each pixel of the display panel 8006 to provide an optical touch panel.

バックライト8007は、光源8008を有する。なお、図27において、バックライト8007上に光源8008を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例えば、バックライト8007の端部に光源8008を配置し、さらに光拡散板を用いる構成としてもよい。なお、有機EL素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型パネル等の場合においては、バックライト8007を設けない構成としてもよい。   The backlight 8007 has a light source 8008. Note that although FIG. 27 illustrates the configuration in which the light source 8008 is provided over the backlight 8007, the present invention is not limited to this. For example, a light source 8008 may be provided at the end of the backlight 8007 and a light diffusing plate may be used. Note that in the case of using a self-luminous light-emitting element such as an organic EL element, or in the case of a reflective panel or the like, the backlight 8007 may not be provided.

フレーム8009は、表示パネル8006の保護機能の他、プリント基板8010の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。   The frame 8009 has a function as an electromagnetic shield for blocking electromagnetic waves generated by the operation of the printed board 8010 in addition to a protective function of the display panel 8006. The frame 8009 may have a function as a heat sink.

プリント基板8010は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であっても良いし、別途設けたバッテリ8011による電源であってもよい。バッテリ8011は、商用電源を用いる場合には、省略可能である。   The printed board 8010 includes a power supply circuit, a signal processing circuit for outputting a video signal and a clock signal. As a power supply for supplying power to the power supply circuit, an external commercial power supply may be used, or a power supply using a battery 8011 provided separately may be used. The battery 8011 can be omitted when a commercial power source is used.

また、表示モジュール8000は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。   The display module 8000 may be additionally provided with a member such as a polarizing plate, a retardation plate, or a prism sheet.

本実施の形態に示す表示モジュール8000は、可撓性を有してもよい。可撓性を有することにより曲面や異形の形状上に貼り合わせることが可能となり、多種多様の用途が実現する。 The display module 8000 described in this embodiment may have flexibility. By having flexibility, it can be bonded on a curved surface or an irregular shape, and various uses can be realized.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。   The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.

(実施の形態9)
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したトランジスタ、または記憶装置を含むRFタグについて、図28を用いて説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, an RF tag including the transistor or the memory device described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施の形態におけるRFタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには極めて高い信頼性が要求される。   The RF tag in this embodiment has a storage circuit inside, stores necessary information in the storage circuit, and exchanges information with the outside using non-contact means, for example, wireless communication. Because of these characteristics, the RF tag can be used in an individual authentication system that identifies an article by reading individual information about the article. Note that extremely high reliability is required for use in these applications.

RFタグの構成について図28を用いて説明する。図28は、RFタグの構成例を示すブロック図である。   The configuration of the RF tag will be described with reference to FIG. FIG. 28 is a block diagram illustrating a configuration example of an RF tag.

図28に示すようにRFタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどともいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。   As shown in FIG. 28, the RF tag 800 includes an antenna 804 that receives a radio signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also referred to as an interrogator or a reader / writer). The RF tag 800 includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a storage circuit 810, and a ROM 811. Note that a material that can sufficiently suppress a reverse current, such as an oxide semiconductor, may be used for the transistor including the rectifying action included in the demodulation circuit 807. Thereby, the fall of the rectification effect | action resulting from a reverse current can be suppressed, and it can prevent that the output of a demodulation circuit is saturated. That is, the output of the demodulation circuit with respect to the input of the demodulation circuit can be made closer to linear. Note that there are three major data transmission formats: an electromagnetic coupling method in which a pair of coils are arranged facing each other to communicate by mutual induction, an electromagnetic induction method in which communication is performed by an induction electromagnetic field, and a radio wave method in which communication is performed using radio waves. Separated. The RF tag 800 described in this embodiment can be used for any of the methods.

次に各回路の構成について説明する。アンテナ804は、通信器801に接続されたアンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。   Next, the configuration of each circuit will be described. The antenna 804 is for transmitting and receiving a radio signal 803 to and from the antenna 802 connected to the communication device 801. Further, the rectifier circuit 805 rectifies an input AC signal generated by receiving a radio signal by the antenna 804, for example, half-wave double voltage rectification, and the signal rectified by a capacitive element provided in the subsequent stage. It is a circuit for generating an input potential by smoothing. Note that a limiter circuit may be provided on the input side or the output side of the rectifier circuit 805. The limiter circuit is a circuit for controlling not to input more than a certain amount of power to a subsequent circuit when the amplitude of the input AC signal is large and the internally generated voltage is large.

定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路809のリセット信号を生成するための回路である。   The constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from the input potential and supplying it to each circuit. Note that the constant voltage circuit 806 may include a reset signal generation circuit. The reset signal generation circuit is a circuit for generating a reset signal of the logic circuit 809 using a stable rise of the power supply voltage.

復調回路807は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応じて変調をおこなうための回路である。   The demodulation circuit 807 is a circuit for demodulating an input AC signal by detecting an envelope and generating a demodulated signal. The modulation circuit 808 is a circuit for performing modulation according to data output from the antenna 804.

論理回路809は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路810は、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。   A logic circuit 809 is a circuit for analyzing and processing the demodulated signal. The memory circuit 810 is a circuit that holds input information and includes a row decoder, a column decoder, a storage area, and the like. The ROM 811 is a circuit for storing a unique number (ID) or the like and outputting it according to processing.

なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。   Note that the above-described circuits can be appropriately disposed as necessary.

ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路810に用いることができる。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。   Here, the memory circuit described in the above embodiment can be used for the memory circuit 810. Since the memory circuit of one embodiment of the present invention can retain information even when the power is turned off, the memory circuit can be preferably used for an RF tag. Further, the memory circuit of one embodiment of the present invention does not cause a difference in maximum communication distance between data reading and writing because power (voltage) necessary for data writing is significantly smaller than that of a conventional nonvolatile memory. It is also possible. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of malfunction or erroneous writing due to insufficient power during data writing.

また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。   The memory circuit of one embodiment of the present invention can also be applied to the ROM 811 because it can be used as a nonvolatile memory. In that case, it is preferable that the producer separately prepares a command for writing data in the ROM 811 so that the user cannot freely rewrite the command. By shipping the product after the producer writes the unique number before shipping, it is possible to assign a unique number only to the good products to be shipped, rather than assigning a unique number to all the produced RF tags, The unique number of the product after shipment does not become discontinuous, and customer management corresponding to the product after shipment becomes easy.

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10)
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、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、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、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図57に示す。
(Embodiment 10)
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, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book, a video camera, a camera such as a digital still camera, or a goggle type Display (head-mounted display), navigation system, sound playback device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer multifunction device, automatic teller machine (ATM), vending machine, etc. . Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図57(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57(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. 57A illustrates a portable game machine including a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 57A includes two display portions 903 and 904, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図57(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及び第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. 57B 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. In addition, 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57(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. 57C 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57(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. 57D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator door 932, a refrigerator door 933, and the like.

図57(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及びレンズ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. 57E 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57(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. 57F illustrates an ordinary automobile, which includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.

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11)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFタグの使用例について図56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56(A)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図56(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図56(B)参照)、乗り物類(自転車等、図56(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56(E)、図56(F)参照)等に設けて使用することができる。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of using an RF tag according to one embodiment of the present invention 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's card, etc., see FIG. 56A), packaging containers (wrapping paper, 56 (C)), recording medium (DVD, video tape, etc., see FIG. 56 (B)), vehicles (bicycles, etc., see FIG. 56 (D)), personal items (bags, glasses, etc.) , 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. 56E and 56F).

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. Can be planned. 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.

なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。   Note that a drawing (or a part thereof) described in one embodiment may be another part of the drawing, another drawing (may be a part) described in the embodiment, and / or one or more. More diagrams can be formed by combining the diagrams (may be a part) described in another embodiment.

なお、明細書の中の図面や文章において規定されていない内容について、その内容を除くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内に入らないことを規定することができる。   In addition, about the content which is not prescribed | regulated in the drawing and text in a specification, the one aspect | mode of the invention which prescribed | regulated removing the content can be comprised. Or, when a numerical value range indicated by an upper limit value and a lower limit value is described for a certain value, the range is unified by arbitrarily narrowing the range or by removing one point in the range. One aspect of the invention excluding a part can be defined. Thus, for example, it can be defined that the prior art does not fall within the technical scope of one embodiment of the present invention.

具体例としては、ある回路において、第1乃至第5のトランジスタを用いている回路図が記載されているとする。その場合、その回路が、第6のトランジスタを有していないことを発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していないことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造をとっているような第6のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる。または、その回路が、ある特定の接続構造をとっている容量素子を有していない、と規定して発明を構成することができる。例えば、ゲートが第3のトランジスタのゲートと接続されている第6のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。または、例えば、第1の電極が第3のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を有していない、と発明を規定することが可能である。   As a specific example, a circuit diagram using the first to fifth transistors in a certain circuit is described. In that case, it can be specified as an invention that the circuit does not include the sixth transistor. Alternatively, it can be specified that the circuit does not include a capacitor. Furthermore, the invention can be configured by specifying that the circuit does not have the sixth transistor having a specific connection structure. Alternatively, the invention can be configured by specifying that the circuit does not include a capacitor having a specific connection structure. For example, the invention can be defined as having no sixth transistor whose gate is connected to the gate of the third transistor. Alternatively, for example, it can be specified that the first electrode does not include a capacitor connected to the gate of the third transistor.

別の具体例としては、ある物質の性質について、例えば、「ある膜は、絶縁膜である」と記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その膜が、導電膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その膜が、半導体膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。   As another specific example, it is assumed that the property of a certain substance is described as, for example, “a certain film is an insulating film”. In that case, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the insulating film is an organic insulating film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the insulating film is an inorganic insulating film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the film is a conductive film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the film is a semiconductor film.

別の具体例としては、ある積層構造について、例えば、「A膜とB膜との間に、ある膜が設けられている」と記載されているとする。その場合、例えば、その膜が、4層以上の積層膜である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、A膜とその膜との間に、導電膜が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能である。   As another specific example, it is assumed that a certain laminated structure is described as “a film is provided between the A film and the B film”, for example. In that case, for example, the invention can be defined as excluding the case where the film is a laminated film of four or more layers. Alternatively, for example, the invention can be defined as excluding the case where a conductive film is provided between the A film and the film.

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。そして、その発明の一態様は明確であると言える。そのため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数もしくは複数記載された図面または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(Nは整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、または、Fを有する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは、BとEとを有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」、または、「Aは、BとCとDとEとを有する」などの発明の一態様を構成することは可能である。   Note that in this specification and the like, a part of the drawings or texts described in one embodiment can be extracted to constitute one embodiment of the present invention. Therefore, when a figure or a sentence describing a certain part is described, the content of the extracted part of the figure or the sentence is also disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention. It shall be possible. And it can be said that one aspect of the invention is clear. Therefore, for example, active elements (transistors, diodes, etc.), wiring, passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.), conductive layers, insulating layers, semiconductor layers, organic materials, inorganic materials, components, devices, operating methods, manufacturing methods It is possible to extract one part of a drawing or a sentence on which one or more of the above are described and constitute one embodiment of the invention. For example, from a circuit diagram having N (N is an integer) circuit elements (transistors, capacitors, etc.), M (M is an integer, M <N) circuit elements (transistors, capacitors) Etc.) can be extracted to constitute one embodiment of the invention. As another example, M (M is an integer and M <N) layers are extracted from a cross-sectional view including N layers (N is an integer) to form one embodiment of the invention. It is possible to do. As another example, M elements (M is an integer and M <N) are extracted from a flowchart including N elements (N is an integer) to form one aspect of the invention. It is possible to do. As another example, a part of the elements is arbitrarily extracted from the sentence “A has B, C, D, E, or F”. "A has E and F", "A has C, E and F", or "A has B, C, D and E" It is possible to constitute one aspect of the invention.

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。   Note that in this specification and the like, when at least one specific example is described in a drawing or text described in one embodiment, it is easy for those skilled in the art to derive a superordinate concept of the specific example. To be understood. Therefore, in the case where at least one specific example is described in a drawing or text described in one embodiment, the superordinate concept of the specific example is also disclosed as one aspect of the invention. Aspects can be configured. One embodiment of the invention is clear.

なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容(図の中の一部でもよい)は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていなくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は明確であると言える。   Note that in this specification and the like, at least the contents shown in the drawings (may be part of the drawings) are disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention It is. Therefore, if a certain content is described in the figure, even if it is not described using sentences, the content is disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention. Is possible. Similarly, a drawing obtained by extracting a part of the drawing is also disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. And it can be said that one aspect of the invention is clear.

本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の評価結果について説明する。   In this example, evaluation results of an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

[作製方法]
シリコンウェハに熱酸化を施して酸化シリコン膜を100nm形成した。その後、酸化物半導体膜として、スパッタリング法によりIn−Ga−Zn酸化物を100nm形成した。スパッタリング法の条件として、ターゲットはIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)の多結晶のIn−Ga−Zn酸化物を用い、電源は0.5kW(DC)とし、基板とターゲット間の距離は60mmとした。また成膜ガスとしてアルゴン及び酸素を用い、それぞれの流量はアルゴンを30sccm、酸素を15sccmとした。圧力は、0.4Paとした。基板温度は、試料E1−1では170℃とし、試料F1−1では300℃とした。
[Production method]
A silicon wafer was thermally oxidized to form a 100 nm silicon oxide film. After that, an In—Ga—Zn oxide with a thickness of 100 nm was formed as the oxide semiconductor film by a sputtering method. As conditions for the sputtering method, a polycrystalline In—Ga—Zn oxide of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio) was used as a target, a power source was 0.5 kW (DC), The distance between the targets was 60 mm. Further, argon and oxygen were used as film forming gases, and the respective flow rates were 30 sccm for argon and 15 sccm for oxygen. The pressure was 0.4 Pa. The substrate temperature was 170 ° C. for sample E1-1 and 300 ° C. for sample F1-1.

次に、熱処理を行った。熱処理条件は、450℃にて、窒素雰囲気下において加熱処理を1時間行った後、同じ処理室内にて、450℃において酸素雰囲気下において加熱処理を1時間行った。   Next, heat treatment was performed. The heat treatment was performed at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere and then in the same treatment chamber for 1 hour at 450 ° C. in an oxygen atmosphere.

[XRD評価]
次にXRD装置を用いて評価を行った結果を説明する。XRD装置は、多機能薄膜材料評価X線回折装置D8 DISCOVER Hybrid(Bruker AXS社製)を用いて、各試料の評価を行った。図43はOut−Of−Plane法による解析結果である。図43(A)に試料E1−1、(B)に試料F1−1の結果を示す。いずれの試料でも2θ=31°近傍にピークがみられた。170℃で成膜した条件はピークがブロードで、300℃で成膜した条件ではピークがより鋭くなる傾向がみられた。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、成膜温度をより高くすることによりc軸配向性を有する酸化物半導体膜の結晶が増加すると示唆される。
[XRD evaluation]
Next, the results of evaluation using an XRD apparatus will be described. The XRD apparatus evaluated each sample using multi-functional thin film material evaluation X-ray diffractometer D8 DISCOVER Hybrid (manufactured by Bruker AXS). FIG. 43 shows the result of analysis by the Out-Of-Plane method. FIG. 43A shows the result of the sample E1-1, and FIG. 43B shows the result of the sample F1-1. In any sample, a peak was observed in the vicinity of 2θ = 31 °. The conditions for film formation at 170 ° C. showed a broad peak, and the conditions for film formation at 300 ° C. tended to be sharper. This peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, which suggests that the crystal of the oxide semiconductor film having c-axis orientation is increased by increasing the deposition temperature.

[膜密度評価]
次に、膜密度を測定した。膜密度の評価には、XRR(X線反射率法:X−ray Reflectometry)を用いた。得られた膜密度は、試料E1−1が6.18[g/cm]、試料F1−1が6.36[g/cm]であった。いずれの条件においても緻密で良好な膜が得られた。
[Film density evaluation]
Next, the film density was measured. For evaluation of the film density, XRR (X-ray reflectometry) was used. The obtained film densities were 6.18 [g / cm 3 ] for sample E1-1 and 6.36 [g / cm 3 ] for sample F1-1. A dense and good film was obtained under any conditions.

[ナノビーム電子回折]
次に、試料E1−1及び試料F1−1について、ナノビーム電子回折による解析を行った。電子回折の取得には、日立ハイテクノロジーズ製「HF−2000」を用いた。加速電圧は200kVとした。
[Nanobeam electron diffraction]
Next, analysis by nanobeam electron diffraction was performed on sample E1-1 and sample F1-1. For acquisition of electron diffraction, “HF-2000” manufactured by Hitachi High-Technologies was used. The acceleration voltage was 200 kV.

酸化物半導体膜を有する各試料の上面に対し、少しずつサンプルステージを移動してスキャンを行いながら透過電子回折パターンを取得した。電子線としてプローブ径が1nmのナノビーム電子線を用いた。また各試料とも3箇所で同様の測定を行った。つまり各試料において、scan1乃至scan3の合計3回のスキャンを行った。   A transmission electron diffraction pattern was obtained while scanning by moving the sample stage little by little with respect to the upper surface of each sample having an oxide semiconductor film. A nanobeam electron beam having a probe diameter of 1 nm was used as the electron beam. Moreover, the same measurement was performed at three locations for each sample. That is, a total of three scans of scan1 to scan3 were performed on each sample.

5nm/秒の速度でスキャンしながら回折パターンを観測し、動画を取得した。次に、得られた動画で観測された回折パターンを、0.5秒ごとに静止画に変換した。変換した静止画を解析し、nc−OS膜のパターンと、CAAC−OS膜のパターンと、スピネル型の結晶構造のパターンとの3つに分類した。試料E1−1および試料F1−1について、Scan1乃至Scan3において各パターンに分類された画像数を表3に示す。また、試料E1−1の電子回折パターンのscan1の結果を図44乃至図48に、試料F1−1のscan1の結果を図49乃至図53に示す。また、図44乃至図48に示す電子回折の結果のうち、CAAC−OS膜のパターンと判断されたものを破線で囲み、示した。また、図49乃至図53に示す電子回折の結果のうち、nc−OS膜のパターンと判断されたものを破線で囲み、示した。   A diffraction pattern was observed while scanning at a speed of 5 nm / second, and a moving image was acquired. Next, the diffraction pattern observed in the obtained moving image was converted into a still image every 0.5 seconds. The converted still image was analyzed and classified into three patterns: an nc-OS film pattern, a CAAC-OS film pattern, and a spinel crystal structure pattern. Table 3 shows the number of images classified into each pattern in Scan1 to Scan3 for Sample E1-1 and Sample F1-1. Also, the results of scan1 of the electron diffraction pattern of sample E1-1 are shown in FIGS. 44 to 48, and the results of scan1 of sample F1-1 are shown in FIGS. In addition, among the electron diffraction results shown in FIGS. 44 to 48, the pattern determined to be a CAAC-OS film pattern is surrounded by a broken line and shown. In addition, among the electron diffraction results illustrated in FIGS. 49 to 53, a pattern determined to be the nc-OS film is surrounded by a broken line and illustrated.

試料E1−1では、nc比率は90%以上と高い値を示した。成膜温度をより低くすることにより、nc比率はより高まることがわかった。また、いずれの試料においても、nc比率とCAAC比率の和は100%であった。   In sample E1-1, the nc ratio showed a high value of 90% or more. It was found that the nc ratio was further increased by lowering the film formation temperature. In all samples, the sum of the nc ratio and the CAAC ratio was 100%.

本実施例ではIn−Ga−Zn酸化物の膜密度評価結果及びTDS(Thermal Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析の結果を示す。   In this example, the film density evaluation result of In—Ga—Zn oxide and the result of TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis are shown.

予め洗浄処理した石英基板の上に、スパッタリング法を用いてIn−Ga−Zn酸化物を成膜した。ターゲットはIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)の多結晶のIn−Ga−Zn酸化物を用いた。成膜条件は、電源電力が100Wとし、成膜ガスとしてアルゴン及び酸素を用い、アルゴンガスと酸素ガスの流量の総量に対し、酸素ガスの流量が2%となるように流量を調整した。圧力は、0.4Paもしくは1.0Paとした。基板温度は室温とした。成膜条件、及び膜密度を表4に示す。sampleB及びsampleDは、スパッタリング法によりIn−Ga−Zn酸化物を成膜した後、450℃で熱処理を行った。膜密度の評価は、XRRを用いた。表4に示すように、sampleCでは密度は6[g/cm]以上と高い値を示した。 An In—Ga—Zn oxide film was formed by a sputtering method over a quartz substrate that had been cleaned in advance. As the target, a polycrystalline In—Ga—Zn oxide with In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio) was used. The film forming conditions were such that the power supply was 100 W, argon and oxygen were used as the film forming gas, and the flow rate of oxygen gas was adjusted to 2% with respect to the total flow rate of argon gas and oxygen gas. The pressure was 0.4 Pa or 1.0 Pa. The substrate temperature was room temperature. Table 4 shows the film formation conditions and the film density. For sample B and sample D, an In—Ga—Zn oxide film was formed by a sputtering method, and then heat treatment was performed at 450 ° C. XRR was used for evaluation of the film density. As shown in Table 4, in sample C, the density was as high as 6 [g / cm 3 ] or more.

次に、sampleA乃至sampleDについて、TDS分析を行った。分子量が18の脱ガスの放出量を図54(A)及び(B)に示す。分子量が18の脱ガスはHO由来と考えられる。sampleAでは放出量が大きく、熱処理を行ったsampleBでは放出量が減少した。膜密度の高いsampleCでは熱処理を行わなくてもガス放出量は小さく、膜中に含まれる水分量が小さいと考えられる。 Next, TDS analysis was performed on sample A to sample D. 54A and 54B show the degassing release amount with a molecular weight of 18. FIG. The degassing with a molecular weight of 18 is considered to originate from H 2 O. In sample A, the released amount was large, and in sample B which was heat-treated, the released amount decreased. In sample C having a high film density, it is considered that the amount of released gas is small without performing heat treatment, and the amount of water contained in the film is small.

次に、sampleA乃至sampleDについて、電子線照射による結晶の大きさ(結晶サイズ)の変化を評価した。結晶サイズは、TEMを用いて断面を観察し、算出した。TEMを用いて電子線照射を行い、累積照射量と結晶サイズの関係を評価した結果を図55に示す。sampleAでは電子線照射を行う毎に結晶が大きくなる傾向がみられた。ここで、電子線照射を行う前の結晶サイズは、例えば図55に示す近似線において累積照射量が0[e/nm]の値とすればよい。熱処理を行ったsampleBでは、結晶の大きさの変化が小さくなった。また、膜密度の高いsampleC及びsampleDでは、電子線の累積照射量が4.2×10[e/nm]までの範囲において結晶の大きさに顕著な変化はみられなかった。 Next, for sample A to sample D, the change in crystal size (crystal size) due to electron beam irradiation was evaluated. The crystal size was calculated by observing the cross section using TEM. FIG. 55 shows the results of performing electron beam irradiation using TEM and evaluating the relationship between the cumulative dose and the crystal size. In sample A, there was a tendency for crystals to become larger each time the electron beam was irradiated. Here, the crystal size before the electron beam irradiation may be set such that the cumulative irradiation amount is 0 [e / nm 2 ] in the approximate line shown in FIG. 55, for example. In sample B where the heat treatment was performed, the change in crystal size was small. In sample C and sample D having a high film density, no significant change was observed in the crystal size in the range of the cumulative electron beam irradiation dose up to 4.2 × 10 8 [e / nm 2 ].

本実施例では、酸化物半導体膜の安定性について評価した。試料1、試料2および試料3の作製方法を以下に示す。 In this example, the stability of the oxide semiconductor film was evaluated. A method for manufacturing Sample 1, Sample 2, and Sample 3 is described below.

まずは、石英基板上に、RFスパッタリング法により、厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を成膜する。ターゲットは、多結晶のIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを2sccmおよびアルゴンガスを98sccmとした。また、電力は100Wとした。また、成膜時の基板温度は室温とした。ここで、試料1は成膜圧力を0.4Paとした。また、試料2は成膜圧力を1.0Paとした。 First, an In—Ga—Zn oxide film with a thickness of 100 nm is formed over a quartz substrate by an RF sputtering method. As the target, a polycrystalline In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]) was used. The deposition gas was oxygen gas at 2 sccm and argon gas at 98 sccm. The power was 100 W. The substrate temperature during film formation was room temperature. Here, Sample 1 has a deposition pressure of 0.4 Pa. Sample 2 had a film forming pressure of 1.0 Pa.

試料3では、石英基板上に、DCスパッタリング法により、厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を成膜する。ターゲットは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを10sccmおよびアルゴンガスを20sccmとした。また、電力は200Wとした。また、成膜時の基板温度は300℃とした。成膜圧力は0.4Paとした。 In Sample 3, a 100-nm-thick In—Ga—Zn oxide film is formed over a quartz substrate by a DC sputtering method. As a target, an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]) was used. The deposition gas was 10 sccm for oxygen gas and 20 sccm for argon gas. The power was 200W. The substrate temperature during film formation was 300 ° C. The film forming pressure was 0.4 Pa.

次に、酸素および窒素を含む雰囲気下で1時間の加熱処理を行った。加熱処理温度は250℃、300℃、350℃、400℃、および450℃の5条件とした。その後、加熱処理を行っていない条件も含め、試料1、試料2および試料3の膜密度を測定した。膜密度の測定には、Bruker AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEによるXRRを用いた。試料1の結果を図58(A)に、試料2の結果を図58(B)に、試料3の結果を図58(C)に示す。横軸は加熱処理の温度である。試料1の膜密度は5.9g/cmから6.1g/cmであった。試料2の膜密度は5.6g/cmから5.8g/cmの範囲であった。試料3の膜密度は6.2g/cmから6.4g/cmの範囲であった。 Next, heat treatment was performed for 1 hour in an atmosphere containing oxygen and nitrogen. The heat treatment temperature was five conditions of 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C., 400 ° C., and 450 ° C. Thereafter, the film densities of Sample 1, Sample 2 and Sample 3 were measured including the conditions where heat treatment was not performed. For measurement of the film density, XRR using an X-ray diffractometer D8 ADVANCE manufactured by Bruker AXS was used. The result of Sample 1 is shown in FIG. 58 (A), the result of Sample 2 is shown in FIG. 58 (B), and the result of Sample 3 is shown in FIG. 58 (C). The horizontal axis is the temperature of the heat treatment. The film density of Sample 1 was 5.9 g / cm 3 to 6.1 g / cm 3 . The film density of Sample 2 was in the range of 5.6 g / cm 3 to 5.8 g / cm 3 . The film density of Sample 3 was in the range of 6.2 g / cm 3 to 6.4 g / cm 3 .

次に、試料1、試料2および試料3を、リン酸を純水で100倍に希釈した水溶液を用いてエッチングした。そして、エッチング前後の厚さを測定することで、エッチングレートを測定した。試料1の結果を図59(A)に、試料2の結果を図59(B)に、試料3の結果を図59(C)に示す。試料1および試料2は加熱処理の温度が高いほど、エッチングレートが低くなることがわかった。試料3は加熱処理の温度による差が小さいことがわかった。また、加熱処理を行った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、エッチングレートが低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料1よりも加熱処理を行っていない試料3のほうが、エッチングレートが低くなることがわかった。 Next, Sample 1, Sample 2, and Sample 3 were etched using an aqueous solution in which phosphoric acid was diluted 100 times with pure water. And the etching rate was measured by measuring the thickness before and behind etching. The result of Sample 1 is shown in FIG. 59 (A), the result of Sample 2 is shown in FIG. 59 (B), and the result of Sample 3 is shown in FIG. 59 (C). It was found that the etching rate of Sample 1 and Sample 2 was lower as the temperature of the heat treatment was higher. Sample 3 was found to have a small difference due to the temperature of the heat treatment. Moreover, it turned out that the etching rate of the sample 1 which is not heat-processed becomes lower than the sample 2 which heat-processed. Moreover, it turned out that the etching rate of the sample 3 which is not heat-processed becomes lower than the sample 1 which heat-processed.

次に、試料1、試料2および試料3をTDS分析し、質量電荷比が18の脱ガス(水)の放出量を測定した。TDS分析には、電子科学株式会社製昇温脱離分析装置TDS−1200を用いた。試料1の結果を図60(A)に、試料2の結果を図60(B)に、試料3の結果を図60(C)に示す。試料1、試料2および試料3は加熱処理の温度が高いほど、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわかった。また、加熱処理を行った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわかった。また、加熱処理を行った試料1よりも加熱処理を行っていない試料3のほうが、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわかった。 Next, Sample 1, Sample 2 and Sample 3 were subjected to TDS analysis, and the amount of degassed (water) released with a mass to charge ratio of 18 was measured. For the TDS analysis, a thermal desorption analyzer TDS-1200 manufactured by Electronic Science Co., Ltd. was used. The result of Sample 1 is shown in FIG. 60 (A), the result of Sample 2 is shown in FIG. 60 (B), and the result of Sample 3 is shown in FIG. 60 (C). It was found that the amount of degassing with a mass-to-charge ratio of 18 decreased as Sample 1, Sample 2, and Sample 3 were heated. In addition, it was found that the amount of degassing with a mass-to-charge ratio of 18 was smaller in Sample 1 that was not heat-treated than Sample 2 that was heat-treated. Further, it was found that the amount of degassing with a mass-to-charge ratio of 18 was smaller in the sample 3 not subjected to the heat treatment than in the sample 1 subjected to the heat treatment.

次に、試料1および試料2の水素濃度を測定した。水素濃度の測定はSIMSで行った。SIMSは、CAMECA社製IMS 7fRを用いた。試料1の結果を図61(A)および図68(A)に、試料2の結果を図61(B)および図68(B)に示す。ここで、図68(A)および図68(B)には、横軸に膜表面からの深さを、縦軸に水素濃度を示す。また、図61(A)および図61(B)には、深さ10nmから60nmまでの水素濃度の平均値を示す。また、図68(A)および図68(B)において、深さ80nm近傍で急激に水素濃度が変化する領域より後では、In−Ga−Zn酸化物膜が残存せずに石英基板を測定している可能性がある。また、10nm未満の領域では表面状態の影響を受ける可能性がある。よって、In−Ga−Zn酸化物膜の水素濃度は、例えば深さ10nmから60nmまでの平均値で表すことが好ましい。試料1および試料2は加熱処理の温度が高いほど、水素濃度が低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、水素濃度が低くなることがわかった。 Next, the hydrogen concentration of Sample 1 and Sample 2 was measured. The hydrogen concentration was measured by SIMS. For SIMS, IMS 7fR manufactured by CAMECA was used. The results of Sample 1 are shown in FIGS. 61 (A) and 68 (A), and the results of Sample 2 are shown in FIGS. 61 (B) and 68 (B). Here, in FIGS. 68A and 68B, the horizontal axis indicates the depth from the film surface, and the vertical axis indicates the hydrogen concentration. FIGS. 61A and 61B show average values of hydrogen concentration from a depth of 10 nm to 60 nm. In FIGS. 68A and 68B, the quartz substrate was measured without the In—Ga—Zn oxide film remaining after the region where the hydrogen concentration suddenly changed near a depth of 80 nm. There is a possibility. Further, in the region of less than 10 nm, there is a possibility of being affected by the surface state. Therefore, the hydrogen concentration of the In—Ga—Zn oxide film is preferably expressed by, for example, an average value from a depth of 10 nm to 60 nm. Sample 1 and Sample 2 were found to have a lower hydrogen concentration as the temperature of the heat treatment was higher. Moreover, it turned out that the hydrogen concentration of the sample 1 which is not heat-processed becomes lower than the sample 2 which heat-processed.

次に、試料1、試料2および試料3の加熱処理による結晶サイズの変化をTEMで測定した。なお、結晶サイズは、20点から45点の平均値で示す。TEMは、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。試料1の結果を図62(A)に、試料2の結果を図62(B)、試料3の結果を図62(C)に示す。試料1は、加熱処理の温度によらず結晶サイズが1.4nm程度であることがわかった。試料2は、加熱処理を行っていないとき(図67参照。)は結晶サイズが1.2nm程度であったものが、250℃の加熱処理によって1.3nm程度まで成長し、さらに300℃の加熱処理によって1.6nm程度まで成長した。また、300℃から450℃の範囲では結晶サイズに変化は見られなかった。また、試料3においても、結晶サイズは加熱処理の温度によらず1.5乃至1.6nmであった。 Next, changes in crystal size due to heat treatment of Sample 1, Sample 2 and Sample 3 were measured by TEM. The crystal size is shown as an average value from 20 points to 45 points. As the TEM, Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used. FIG. 62 (A) shows the result of Sample 1, FIG. 62 (B) shows the result of Sample 2, and FIG. 62 (C) shows the result of Sample 3. Sample 1 was found to have a crystal size of about 1.4 nm regardless of the temperature of the heat treatment. Sample 2 had a crystal size of about 1.2 nm when heat treatment was not performed (see FIG. 67), but grew to about 1.3 nm by heat treatment at 250 ° C., and further heated at 300 ° C. It grew to about 1.6 nm by the process. Further, no change in crystal size was observed in the range of 300 ° C to 450 ° C. In sample 3, the crystal size was 1.5 to 1.6 nm regardless of the temperature of the heat treatment.

次に、試料1、試料2および試料3の電子線照射による結晶サイズの変化をTEMで測定した。試料1の結果を図63(A)に、試料2の結果を図63(B)、試料3の結果を図63(C)に示す。試料1および試料3は、加熱処理の温度によらず、また電子線照射によっても結晶サイズの変化はほとんど見られなかった。試料2は、電子線照射によって結晶サイズの増大が見られた。また、この傾向は加熱処理の温度が低いほど顕著であった。 Next, changes in crystal size of sample 1, sample 2 and sample 3 due to electron beam irradiation were measured by TEM. The result of Sample 1 is shown in FIG. 63 (A), the result of Sample 2 is shown in FIG. 63 (B), and the result of Sample 3 is shown in FIG. 63 (C). Samples 1 and 3 showed almost no change in crystal size regardless of the temperature of the heat treatment and also by electron beam irradiation. Sample 2 showed an increase in crystal size due to electron beam irradiation. Moreover, this tendency was more remarkable as the temperature of the heat treatment was lower.

加熱処理による結晶サイズの変化、および電子線照射による結晶サイズの変化を見ると、試料1および試料3は試料2よりも高い安定性を有することがわかる。試料1、試料2および試料3を上述した構造の分類に照らし合わせると、試料1はnc−OS膜となり、試料2はa−like OS膜となり、試料3はCAAC−OSとなる。 From the change in crystal size due to heat treatment and the change in crystal size due to electron beam irradiation, it can be seen that Sample 1 and Sample 3 have higher stability than Sample 2. When the sample 1, the sample 2, and the sample 3 are collated with the above-described structure classification, the sample 1 is an nc-OS film, the sample 2 is an a-like OS film, and the sample 3 is a CAAC-OS.

このように、nc−OS膜は、a−like OS膜よりも膜密度が高く、エッチングレートが低く、水の脱ガスが少なく、かつ水素濃度が低い。また、その差は、成膜後の加熱処理では埋めることはできない。即ち、トランジスタには、成膜時にnc−OS膜である酸化物半導体膜を用いることが重要である。 Thus, the nc-OS film has a higher film density, a lower etching rate, less degassing of water, and a lower hydrogen concentration than the a-like OS film. In addition, the difference cannot be filled by heat treatment after film formation. In other words, it is important to use an oxide semiconductor film which is an nc-OS film for the transistor when forming the transistor.

本実施例では、nc−OS膜の局在準位を評価した。局在準位の評価は、CPM(Constant photocurrent method)測定で行った。 In this example, the localized level of the nc-OS film was evaluated. The localization level was evaluated by CPM (Constant photocurrent method) measurement.

CPM測定には、ガラス基板上のゲート電極(タングステン)と、ゲート電極上のnc−OS膜と、ゲート電極とnc−OS膜との間のゲート絶縁体(酸化窒化シリコン)と、nc−OS膜と接する一対の電極(タングステン、アルミニウムおよびチタンの順に形成された積層体)と、nc−OS膜上および一対の電極上の絶縁体(酸化窒化シリコンおよび窒化シリコンの順に形成された積層体)と、を有する試料を準備した。なお、nc−OS膜の成膜は、ACスパッタリング法により、厚さ35nmで行った。ターゲットは、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1.2[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを10体積%およびアルゴンガスを90体積%とした。また、電力は2.5kWとした。また、成膜時の基板温度は室温とした。また、成膜圧力は0.6Paとした。 For the CPM measurement, a gate electrode (tungsten) on a glass substrate, an nc-OS film on the gate electrode, a gate insulator (silicon oxynitride) between the gate electrode and the nc-OS film, and nc-OS A pair of electrodes in contact with the film (a stacked body formed in the order of tungsten, aluminum, and titanium) and an insulator on the nc-OS film and the pair of electrodes (a stacked body formed in the order of silicon oxynitride and silicon nitride) Were prepared. Note that the nc-OS film was formed at a thickness of 35 nm by an AC sputtering method. As a target, an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1.2 [atomic ratio]) was used. The deposition gas was 10% by volume of oxygen gas and 90% by volume of argon gas. The power was 2.5 kW. The substrate temperature during film formation was room temperature. The film forming pressure was 0.6 Pa.

次に、作製した試料に対して加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気下で1時間行った後、さらに酸素および窒素を含む雰囲気下で1時間行った。 Next, heat treatment was performed on the manufactured sample. The heat treatment was performed for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then for 1 hour in an atmosphere containing oxygen and nitrogen.

CPM測定は、nc−OS膜に接して設けられた一対の電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸収係数を導出する。ここでは、吸収係数の導出を各波長にて行った。CPM測定では、局在準位密度に応じたエネルギー(波長より換算)における吸収係数が増加する。この吸収係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の局在準位密度を導出することができる。 In the CPM measurement, the amount of light applied to the sample surface between the terminals is adjusted so that the photocurrent value is constant while a voltage is applied between a pair of electrodes provided in contact with the nc-OS film. The absorption coefficient is derived. Here, the absorption coefficient was derived at each wavelength. In CPM measurement, the absorption coefficient in energy (converted from wavelength) corresponding to the localized level density increases. By multiplying the increase in the absorption coefficient by a constant, the local level density of the sample can be derived.

また、光吸収スペクトルのカーブからバンドテイルに起因する光吸収(アーバックテイル)を取り除くことにより、局在準位による吸収係数αを以下の式から算出することができる。 Further, by removing light absorption (Earback tail) due to the band tail from the curve of the light absorption spectrum, the absorption coefficient α due to the localized level can be calculated from the following equation.

α=∫[(α(E)−α)/E]dE α = ∫ [(α (E) −α u ) / E] dE

ここで、Eはエネルギー、α(E)は各エネルギーにおける吸収係数を表し、αはアーバックテイルによる吸収係数を表す。 Here, E represents energy, α (E) represents an absorption coefficient at each energy, and α u represents an absorption coefficient due to the Arbach tail.

なお、アーバックテイルの傾きをアーバックエネルギーという。アーバックエネルギーが低いほど、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテイル(裾)の傾きが急峻である秩序性の高い半導体膜であるといえる。 The tilt of the back tail is called the back energy. It can be said that the lower the Arbach energy, the fewer the defects and the higher the orderly semiconductor film having the steep slope of the level tail at the band edge of the valence band.

図64に、分光光度計によって測定した吸収係数(点線)と、CPMによって測定した吸収係数(実線)とを酸化物半導体膜のエネルギーギャップ以上のエネルギー範囲において、フィッティングした結果を示す。図64(A)は成膜後に300℃で加熱処理をした試料の結果を、図64(B)は成膜後に400℃で加熱処理をした試料の結果を、図64(C)は成膜後に450℃で加熱処理をした試料の結果をそれぞれ示す。CPMによって測定した吸収係数より得られたアーバックエネルギーは、それぞれ72.65meV、69.45meVおよび70.32meVであった。 FIG. 64 shows a result of fitting an absorption coefficient (dotted line) measured by a spectrophotometer and an absorption coefficient (solid line) measured by CPM in an energy range equal to or larger than the energy gap of the oxide semiconductor film. 64A shows the result of the sample heat-treated at 300 ° C. after film formation, FIG. 64B shows the result of the sample heat-treated at 400 ° C. after film formation, and FIG. 64C shows the result of film formation. The result of the sample heat-processed at 450 degreeC later is each shown. The Arbach energy obtained from the absorption coefficient measured by CPM was 72.65 meV, 69.45 meV and 70.32 meV, respectively.

また、図64においてCPM測定で導出した吸収係数からバックグラウンド(細点線)を差し引き、吸収係数の積分値を導出した。結果を図65に示す。局在準位による吸収係数は、それぞれ6.27×10−1cm−1、4.19×10−1cm−1および2.29×10−1cm−1であった。加熱処理の温度と吸収係数の関係を図66に示す。図66より、加熱処理の温度が高いほど吸収係数が小さくなるため、局在準位密度も小さくなることがわかる。 In FIG. 64, the background (thin dotted line) was subtracted from the absorption coefficient derived by CPM measurement, and the integrated value of the absorption coefficient was derived. The results are shown in FIG. The absorption coefficients due to the localized levels were 6.27 × 10 −1 cm −1 , 4.19 × 10 −1 cm −1 and 2.29 × 10 −1 cm −1 , respectively. FIG. 66 shows the relationship between the heat treatment temperature and the absorption coefficient. FIG. 66 shows that the higher the heat treatment temperature is, the smaller the absorption coefficient is, so that the localized level density is also reduced.

11 領域
12 領域
13 領域
14 領域
15 領域
16 領域
21 垂線
22 垂線
23 垂線
50 基板
51 絶縁膜
100 トランジスタ
101 半導体層
101a 絶縁体層
101b 半導体層
101c 絶縁体層
102 ゲート絶縁膜
103 ゲート電極
104a 導電層
104b 導電層
105 導電層
111 バリア膜
112 絶縁膜
113 絶縁膜
114 絶縁膜
116 絶縁膜
123 プラグ
124 配線
130 トランジスタ
131 半導体基板
132 半導体層
133a 低抵抗層
133b 低抵抗層
134 ゲート絶縁膜
135 ゲート電極
136 絶縁膜
137 絶縁膜
138 絶縁膜
139 プラグ
140 プラグ
143 導電層
150 容量素子
151 導電層
152a 導電層
152b 導電層
160 トランジスタ
164 プラグ
165 プラグ
166 配線
171a 低抵抗層
171b 低抵抗層
176a 領域
176b 領域
181 素子分離層
190 トランジスタ
191 トランジスタ
201 半導体層
201a 半導体層
201b 半導体層
202 ゲート絶縁膜
202a ゲート絶縁膜
202b ゲート絶縁膜
203a ゲート電極
203b 電極
204a 導電層
204b 導電層
214 絶縁膜
215 絶縁膜
216 絶縁膜
218 絶縁膜
251 導電層
281 ハードマスク
321 プラグ
322 プラグ
324 領域
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
610 電子銃室
612 光学系
614 試料室
616 光学系
618 カメラ
620 観察室
622 フィルム室
624 電子
632 蛍光板
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
730 絶縁膜
732 封止膜
734 絶縁膜
736 着色膜
738 遮光膜
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
764 絶縁膜
766 絶縁膜
768 絶縁膜
770 平坦化絶縁膜
772 導電層
774 導電層
775 液晶素子
776 液晶層
778 構造体
780 異方性導電層
782 発光素子
784 導電層
786 EL層
788 導電層
790 容量素子
790a 容量素子
790b 容量素子
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
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
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
4000 RFタグ
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5120 基板
5130 ターゲット
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライト
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリ
11 region 12 region 13 region 14 region 15 region 16 region 21 perpendicular line 22 perpendicular line 23 perpendicular line 50 substrate 51 insulating film 100 transistor 101 semiconductor layer 101a insulating layer 101b semiconductor layer 101c insulating layer 102 gate insulating film 103 gate electrode 104a conductive layer 104b Conductive layer 105 Conductive layer 111 Barrier film 112 Insulating film 113 Insulating film 114 Insulating film 116 Insulating film 123 Plug 124 Wiring 130 Transistor 131 Semiconductor substrate 132 Semiconductor layer 133a Low resistance layer 133b Low resistance layer 134 Gate insulating film 135 Gate electrode 136 Insulating film 137 Insulating film 138 Insulating film 139 Plug 140 Plug 143 Conductive layer 150 Capacitance element 151 Conductive layer 152a Conductive layer 152b Conductive layer 160 Transistor 164 Plug 165 Plug 166 Wiring 171a Low resistance Layer 171b low resistance layer 176a region 176b region 181 element isolation layer 190 transistor 191 transistor 201 semiconductor layer 201a semiconductor layer 201b semiconductor layer 202 gate insulating film 202a gate insulating film 202b gate insulating film 203a gate electrode 203b electrode 204a conductive layer 204b conductive layer 214 Insulating film 215 Insulating film 216 Insulating film 218 Insulating film 251 Conductive layer 281 Hard mask 321 Plug 322 Plug 324 Region 501 Pixel circuit 502 Pixel unit 504 Driver circuit unit 504a Gate driver 504b Source driver 506 Protection circuit 507 Terminal unit 550 Transistor 552 Transistor 554 Transistor 560 Capacitance element 562 Capacitance element 570 Liquid crystal element 572 Light emitting element 610 Electron gun chamber 612 Optical system 614 Sample chamber 616 Light System 618 camera 620 viewing chamber 622 film chamber 624 e-632 fluorescent plate 700 display device 701 substrate 702 a pixel portion 704 source driver circuit portion 705 substrate 706 gate driver circuit unit 708 FPC terminal portion 710 signal line 711 wiring portion 712 sealing material 716 FPC
730 Insulating film 732 Sealing film 734 Insulating film 736 Colored film 738 Light shielding film 750 Transistor 752 Transistor 760 Connection electrode 764 Insulating film 766 Insulating film 768 Insulating film 770 Planarized insulating film 772 Conductive layer 774 Conductive layer 775 Liquid crystal element 776 Liquid crystal layer 778 Structure 780 Anisotropic conductive layer 782 Light emitting element 784 Conductive layer 786 EL layer 788 Conductive layer 790 Capacitance element 790a Capacitance element 790b Capacitance element 800 RF tag 801 Communication device 802 Antenna 803 Radio signal 804 Antenna 805 Rectifier circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulation circuit 808 Modulation circuit 809 Logic circuit 810 Memory circuit 811 ROM
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 unit 923 Keyboard 924 Pointing device 931 Enclosure 932 Refrigeration room door 933 Freezer compartment door 941 Enclosure 942 Enclosure 943 Display unit 944 Operation key 945 Lens 946 Connection unit 951 Car body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 2100 Transistor 2200 Transistor 4000 RF tag 5100 Pellet 5100a Pellet 5100b Pellet 5101 Ion 5120 Substrate 5130 Target 8000 Display module 8001 Upper cover 8002 Lower cover 8003 FPC
8004 Touch panel 8005 FPC
8006 Display panel 8007 Back light 8008 Light source 8009 Frame 8010 Printed circuit board 8011 Battery

Claims (19)

インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、
前記元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの少なくとも一つ選ばれた元素であり、
前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の原子数の比は、前記インジウム:前記元素M
:前記亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zは前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、
第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、
第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、
第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、
第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、
第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、
第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、
第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、
第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、
前記第1の座標とを順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、
前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標を含まず、
プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用いて、
前記酸化物半導体膜の被形成面に対して、前記酸化物半導体膜の位置と前記電子線の位置とを相対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合において、
前記複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パターンを有し、
前記50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、
前記第1の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、
前記第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有することを特徴とする酸化物半導体膜。
An oxide semiconductor film containing indium, element M, and zinc,
The element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin,
The ratio of the number of atoms of the indium, the element M and the zinc is the indium: the element M
: Zinc = x: y: z is satisfied,
The x, y, and z are in an equilibrium diagram with the three elements of the indium, the element M, and the zinc as vertices,
The first coordinates (x: y: z = 8: 14: 7);
A second coordinate (x: y: z = 2: 4: 3);
Third coordinates (x: y: z = 2: 5: 7);
A fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300);
The fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833);
Sixth coordinates (x: y: z = 0: 2: 11),
The seventh coordinate (x: y: z = 0: 0: 1);
The eighth coordinate (x: y: z = 1: 0: 0);
Having a ratio of the number of atoms in a range connecting the first coordinates with a line segment in order;
The range includes the first coordinate to the sixth coordinate, does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate,
Using an electron beam with a half width of the probe diameter of 1 nm,
A plurality of electron diffraction patterns were observed by irradiating the electron beam while moving the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam relative to the formation surface of the oxide semiconductor film. In case
The plurality of electron diffraction patterns have 50 or more electron diffraction patterns observed at different locations,
Of the 50 or more electron diffraction patterns, the sum of the ratio having the first electron diffraction pattern and the ratio having the second electron diffraction pattern is 100%,
The first electron diffraction pattern has observation points that do not have symmetry, or a plurality of observation points arranged so as to draw a circle,
The oxide semiconductor film, wherein the second electron diffraction pattern has an observation point located at a vertex of a hexagon.
プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用いて、
前記酸化物半導体膜の被形成面に対して、前記酸化物半導体膜の位置と前記電子線の位置とを相対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合において、
前記複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パターンを有し、
前記50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、
前記第1の電子回折パターンを有する割合は50%以上であり、
前記第1の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、
前記第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有することを特徴とする酸化物半導体膜。
Using an electron beam with a half width of the probe diameter of 1 nm,
A plurality of electron diffraction patterns were observed by irradiating the electron beam while moving the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam relative to the formation surface of the oxide semiconductor film. In case
The plurality of electron diffraction patterns have 50 or more electron diffraction patterns observed at different locations,
Of the 50 or more electron diffraction patterns, the sum of the ratio having the first electron diffraction pattern and the ratio having the second electron diffraction pattern is 100%,
The proportion having the first electron diffraction pattern is 50% or more,
The first electron diffraction pattern has observation points that do not have symmetry, or a plurality of observation points arranged so as to draw a circle,
The oxide semiconductor film, wherein the second electron diffraction pattern has an observation point located at a vertex of a hexagon.
請求項2において、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、
前記元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、
前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zは前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、
第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、
第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、
第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、
第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、
第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、
第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、
第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、
第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、
前記第1の座標とを、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、
前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標は含まないことを特徴とする酸化物半導体膜。
In claim 2,
The oxide semiconductor film has indium, an element M, and zinc,
The element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin,
The ratio of the number of atoms of the indium, the element M and the zinc satisfies indium: element M: zinc = x: y: z,
The x, y, and z are in an equilibrium diagram with the three elements of the indium, the element M, and the zinc as vertices,
The first coordinates (x: y: z = 8: 14: 7);
A second coordinate (x: y: z = 2: 4: 3);
Third coordinates (x: y: z = 2: 5: 7);
A fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300);
The fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833);
Sixth coordinates (x: y: z = 0: 2: 11),
The seventh coordinate (x: y: z = 0: 0: 1);
The eighth coordinate (x: y: z = 1: 0: 0);
Having a ratio of the number of atoms in a range in which the first coordinates are connected in order by line segments;
The range includes the first coordinate to the sixth coordinate, and does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate.
インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、
前記複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下であることを特徴とする酸化物半導体膜。
An oxide semiconductor film containing indium, element M, and zinc,
The oxide semiconductor film has a plurality of crystal parts arranged randomly,
The average diameter of the plurality of crystal parts in the longitudinal direction is 1 nm or more and 3 nm or less.
インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、
元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、
前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zは前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、
第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、
第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、
第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、
第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、
第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、
第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、
第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、
第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、
前記第1の座標とを、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、
前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標は含まず、
前記酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の90%以上であることを特徴とする酸化物半導体膜。
An oxide semiconductor film containing indium, element M, and zinc,
The element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin.
The ratio of the number of atoms of the indium, the element M and the zinc satisfies indium: element M: zinc = x: y: z,
The x, y, and z are in an equilibrium diagram with the three elements of the indium, the element M, and the zinc as vertices,
The first coordinates (x: y: z = 8: 14: 7);
A second coordinate (x: y: z = 2: 4: 3);
Third coordinates (x: y: z = 2: 5: 7);
A fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300);
The fifth coordinate (x: y: z = 46: 288: 833);
Sixth coordinates (x: y: z = 0: 2: 11),
The seventh coordinate (x: y: z = 0: 0: 1);
The eighth coordinate (x: y: z = 1: 0: 0);
Having a ratio of the number of atoms in a range in which the first coordinates are connected in order by line segments;
The range includes the first coordinate to the sixth coordinate, does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate,
The oxide semiconductor film is characterized in that the density of the oxide semiconductor film is 90% or more of the density of single crystals having the same atomic ratio.
インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、
前記元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、
前記酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、
前記複数の結晶部は、配向性を有さず、
前記複数の結晶部の長手方向の径の1nm以上3nm以下の結晶を有し、
前記酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の90%以上であることを特徴とする酸化物半導体膜。
An oxide semiconductor film containing indium, element M, and zinc,
The element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin,
The oxide semiconductor film has a plurality of crystal parts arranged randomly,
The plurality of crystal parts have no orientation,
A crystal having a diameter in the longitudinal direction of the plurality of crystal parts of 1 nm to 3 nm;
The oxide semiconductor film is characterized in that the density of the oxide semiconductor film is 90% or more of the density of single crystals having the same atomic ratio.
インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、
前記複数の結晶部は、配向性を有さず、
前記複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下であり、
前記酸化物半導体膜の密度は、5.7g/cm以上6.49g/cm以下であることを特徴とする酸化物半導体膜。
An oxide semiconductor film having indium, gallium, and zinc,
The oxide semiconductor film has a plurality of crystal parts,
The plurality of crystal parts have no orientation,
The average diameter in the longitudinal direction of the plurality of crystal parts is 1 nm or more and 3 nm or less,
The density of the oxide semiconductor film, an oxide semiconductor film, wherein the 5.7 g / cm 3 or more 6.49 g / cm 3 or less.
請求項1乃至請求項3において、
前記酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の90%以上であることを特徴とする酸化物半導体膜。
In claims 1 to 3,
The oxide semiconductor film is characterized in that the density of the oxide semiconductor film is 90% or more of the density of single crystals having the same atomic ratio.
インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であって、
前記酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、
前記複数の結晶部は、配向性を有さず、
前記複数の結晶部の長手方向の径の平均A[nm]は、1nm以上3nm以下であり、
電子ビームエネルギーが1×10[e/nm]以上4×10[e/nm]未満に照射された後の、前記結晶部の長手方向の径の平均B[nm]は、A×0.7より大きく、A×1.3より小さいことを特徴とする酸化物半導体膜。
An oxide semiconductor film having indium, gallium, and zinc,
The oxide semiconductor film has a plurality of crystal parts arranged randomly,
The plurality of crystal parts have no orientation,
The average diameter A [nm] in the longitudinal direction of the plurality of crystal parts is 1 nm or more and 3 nm or less,
After the electron beam energy is irradiated to 1 × 10 7 [e / nm 2 ] or more and less than 4 × 10 8 [e / nm 2 ], the average B [nm] of the diameter in the longitudinal direction of the crystal part is An oxide semiconductor film that is larger than A × 0.7 and smaller than A × 1.3.
請求項1乃至請求項9のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、スパッタリング法により形成され、
前記スパッタリング法に用いられるターゲットはインジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、
前記ターゲットが有する前記インジウム、前記元素M、及び前記亜鉛の原子数比は、インジウム:元素M:亜鉛=a:b:cを満たし、
前記a、前記b、及び前記cは、前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、
第1の座標(a:b:c=8:14:7)と、
第2の座標(a:b:c=2:4:3)と、
第3の座標(a:b:c=1:2:5.1)と、
第4の座標(a:b:c=1:0:1.7)と、
第5の座標(a:b:c=8:0:1)と、
第6の座標(a:b:c=6:2:1)と、
前記第1の座標とを、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、
前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含むことを特徴とする酸化物半導体膜。
In any one of Claims 1 thru | or 9,
The oxide semiconductor film is formed by a sputtering method,
The target used for the sputtering method has indium, element M, and zinc,
The atomic ratio of the indium, the element M, and the zinc of the target satisfies indium: element M: zinc = a: b: c,
The a, the b, and the c are in an equilibrium diagram with the three elements of the indium, the element M, and the zinc as vertices,
The first coordinates (a: b: c = 8: 14: 7);
The second coordinates (a: b: c = 2: 4: 3);
Third coordinates (a: b: c = 1: 2: 5.1);
Fourth coordinates (a: b: c = 1: 0: 1.7);
A fifth coordinate (a: b: c = 8: 0: 1);
Sixth coordinates (a: b: c = 6: 2: 1),
Having a ratio of the number of atoms in a range in which the first coordinates are connected in order by line segments;
The range includes the first coordinate to the sixth coordinate, and the oxide semiconductor film is characterized in that:
請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の酸化物半導体膜を有する半導体装置。   A semiconductor device comprising the oxide semiconductor film according to claim 1. 請求項11において、
第1の導電層と、
前記第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜の上面に接する一対の電極と、
を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記第1の絶縁膜の上面に接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 11,
A first conductive layer;
A first insulating film in contact with an upper surface and a side surface of the first conductive layer;
A pair of electrodes in contact with the top surface of the oxide semiconductor film;
Have
The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor film has a region in contact with an upper surface of the first insulating film.
請求項11において、
第1の導電層と、
前記第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜の上面に接する第2の絶縁膜と、
前記酸化物半導体膜の上面及び前記第2の絶縁膜の上面及び側面に接する一対の電極と
を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記第1の絶縁膜の上面に接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 11,
A first conductive layer;
A first insulating film in contact with an upper surface and a side surface of the first conductive layer;
A second insulating film in contact with the upper surface of the oxide semiconductor film;
A pair of electrodes in contact with the top surface of the oxide semiconductor film and the top surface and side surfaces of the second insulating film;
The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor film has a region in contact with an upper surface of the first insulating film.
請求項11において、
前記酸化物半導体膜の上面と接する第2の酸化物膜を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 11,
A semiconductor device comprising a second oxide film in contact with an upper surface of the oxide semiconductor film.
請求項14において、
前記酸化物半導体膜が有する酸化物の電子親和力は、前記第2の酸化物膜が有する酸化物の電子親和力よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
In claim 14,
The semiconductor device is characterized in that the oxide affinity of the oxide of the oxide semiconductor film is larger than the electron affinity of the oxide of the second oxide film.
請求項15において、
前記第2の酸化物膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、
前記元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた元素であり、
前記第2の酸化物膜が有する前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zで表され、
前記(x:y:z)は、前記インジウム、前記元素M及び前記亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、
第1の座標(8:14:7)と、
第2の座標(2:4:3)と、
第3の座標(2:5:7)と、
第4の座標(51:149:300)と、
第5の座標(1:4:10)と、
第6の座標(1:1:4)と、
第7の座標(2:2:1)と、
前記第1の座標とを、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、
前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第7の座標を含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 15,
The second oxide film includes indium, an element M, and zinc;
The element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin,
The ratio of the number of atoms of the indium, the element M, and the zinc of the second oxide film is represented by indium: element M: zinc = x 2 : y 2 : z 2
The (x 2 : y 2 : z 2 ) is an equilibrium diagram with the three elements of the indium, the element M and the zinc as vertices,
The first coordinates (8: 14: 7);
A second coordinate (2: 4: 3);
A third coordinate (2: 5: 7);
The fourth coordinate (51: 149: 300);
The fifth coordinate (1: 4: 10);
A sixth coordinate (1: 1: 4);
The seventh coordinate (2: 2: 1);
Having a ratio of the number of atoms in a range in which the first coordinates are connected in order by line segments;
The range includes the first coordinate to the seventh coordinate.
請求項11乃至請求項16のいずれか一に記載の半導体装置と、
表示素子と、
を有することを特徴とする表示装置。
A semiconductor device according to any one of claims 11 to 16,
A display element;
A display device comprising:
請求項11乃至請求項16のいずれか一に記載の半導体装置、または、請求項17に記載の表示装置と、
FPCと、
を有することを特徴とするモジュール。
A semiconductor device according to any one of claims 11 to 16, or a display device according to claim 17,
FPC,
A module comprising:
請求項11乃至請求項16のいずれか一に記載の半導体装置、請求項17に記載の表示装置、または、請求項18に記載のモジュールと、
マイクロフォン、スピーカー、または、操作キーと、
を有することを特徴とする電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 11 to 16, a display device according to claim 17, or a module according to claim 18.
Microphone, speaker, or operation keys,
An electronic device comprising:
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