JP2016092084A - Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, module and electronic apparatus - Google Patents

Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, module and electronic apparatus Download PDF

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大吾 島田
Daigo Shimada
大吾 島田
努 村川
Tsutomu Murakawa
努 村川
英智 小林
Hidetomo Kobayashi
英智 小林
将志 津吹
Masashi Tsubuki
将志 津吹
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having favorable electric characteristics; or provide a semiconductor device having stable electric characteristics.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method comprises the steps of: forming a first transistor having a single crystal semiconductor in a channel formation region; forming an insulation film on the first transistor; forming an opening in the insulation film, which reaches the first transistor; forming a conductive film electrically connected with the first transistor via the opening; forming on the insulation film, a second transistor which is electrically connected with the conductive film and has an oxide semiconductor in a channel formation region; forming a capacitive element for electrically connecting the first transistor and the second transistor; and applying a voltage to a gate electrode of the second transistor while performing a heating treatment at a temperature of not less than 120°C and not more than 180°C.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、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)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。   Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Therefore, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically includes a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, A driving method or a manufacturing method thereof can be given as an example.

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、記憶装置、表示装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。   Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. Further, the memory device, the display device, and the electronic device may include a semiconductor device.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜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。当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薄膜として、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。   A technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to an electronic device such as an integrated circuit (IC) or an image display device (also simply referred to as a display device). As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a silicon-based semiconductor material is widely known, 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および特許文献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

本発明の一態様は、電気特性の良好な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定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、該半導体装置の新規な作製方法を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with favorable electrical characteristics. Another object is to provide a semiconductor device with stable electrical characteristics. Another object is to provide a novel method for manufacturing the semiconductor device. Another object is to provide a module including the semiconductor device. Another object is to provide an electronic device including the semiconductor device or the module.

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、単結晶半導体をチャネル形成領域に有する第1のトランジスタを形成し、第1のトランジスタ上に絶縁膜を形成し、絶縁膜に第1のトランジスタに達する開口を形成し、開口を介して第1のトランジスタと電気的に接続する導電膜を形成し、絶縁膜上に導電膜と電気的に接続する、酸化物半導体をチャネル形成領域に有する第2のトランジスタを形成し、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタと電気的に接続する容量素子を形成し、120℃以上180℃以下の温度で加熱処理を行いつつ、第2のトランジスタのゲート電極に電圧を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法である。   According to one embodiment of the present invention, a first transistor including a single crystal semiconductor in a channel formation region is formed, an insulating film is formed over the first transistor, an opening reaching the first transistor is formed in the insulating film, Forming a conductive film electrically connected to the first transistor through the opening, and forming a second transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region and electrically connected to the conductive film over the insulating film; A capacitor element electrically connected to the first transistor and the second transistor is formed, and a voltage is applied to the gate electrode of the second transistor while performing heat treatment at a temperature of 120 ° C. to 180 ° C. This is a feature of a method for manufacturing a semiconductor device.

また、上記作製方法において、第2のトランジスタは、第1のゲート電極を形成し、第1のゲート電極上に下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、酸化物半導体膜上にソース電極およびドレイン電極を形成し、酸化物半導体膜上、ソース電極上およびドレイン電極上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に第2のゲート電極を形成し、第1のゲート電極に電圧を印加する。   In the above manufacturing method, the second transistor includes a first gate electrode, a base insulating film formed over the first gate electrode, an oxide semiconductor film formed over the base insulating film, Forming a source electrode and a drain electrode over the oxide semiconductor film, forming a gate insulating film over the oxide semiconductor film, over the source electrode and the drain electrode, forming a second gate electrode over the gate insulating film, A voltage is applied to one gate electrode.

また、上記作製方法において、電圧は、−10V以上−1V以下であることが好ましい。   In the above manufacturing method, the voltage is preferably −10 V to −1 V.

また、上記作製方法において、加熱処理は、50時間以上150時間以下行うと好ましい。   In the above manufacturing method, the heat treatment is preferably performed for 50 hours to 150 hours.

また、本発明の他の一態様は、第1の層と、第1の層上の第2の層と、第2の層上の第3の層と、容量素子と、を有し、第1の層は、第1のトランジスタを有し、第3の層は、第2のトランジスタを有し、第1のトランジスタのチャネル形成領域は、単結晶半導体を有し、第2のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を有し、第2の層は、絶縁膜と、導電膜と、を有し、導電膜は、第1のトランジスタと第2のトランジスタとを電気的に接続する機能を有し、容量素子は、第1のトランジスタのゲート電極と第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続し、第1のトランジスタのゲート電極と第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と容量素子の一方の電極との間のノードにおいて、150℃でノードに50時間保持した電位の読み出し不良率は、150℃でノードに10時間保持した電位の読み出し不良率の5倍未満であることを特徴とする半導体装置である。   Another embodiment of the present invention includes a first layer, a second layer over the first layer, a third layer over the second layer, and a capacitor. The first layer includes the first transistor, the third layer includes the second transistor, the channel formation region of the first transistor includes a single crystal semiconductor, and the channel of the second transistor The formation region includes an oxide semiconductor, the second layer includes an insulating film and a conductive film, and the conductive film electrically connects the first transistor and the second transistor. And the capacitor is electrically connected to the gate electrode of the first transistor and one of the source electrode or the drain electrode of the second transistor, and the gate electrode of the first transistor and the source electrode of the second transistor Or a node between one of the drain electrodes and one electrode of the capacitor. Te, the read failure rate of potential was maintained for 50 hours in the node at 0.99 ° C., which is a semiconductor device which is characterized in that less than 5 times the read failure rate of potential was maintained for 10 hours in the node at 0.99 ° C..

また、本発明の他の一態様は、第1の層と、第1の層上の第2の層と、第2の層上の第3の層と、容量素子と、を有し、第1の層は、第1のトランジスタを有し、第3の層は、第2のトランジスタを有し、第1のトランジスタのチャネル形成領域は、単結晶半導体を有し、第2のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を有し、第2の層は、絶縁膜と、導電膜と、を有し、導電膜は、第1のトランジスタと第2のトランジスタとを電気的に接続する機能を有し、容量素子は、第1のトランジスタのゲート電極と第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続し、第1のトランジスタのゲート電極と第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と容量素子の一方の電極との間のノードにおいて、150℃で250時間加熱処理を行いつつ、保持した電位の読み出し不良率が8%未満であることを特徴とする半導体装置である。   Another embodiment of the present invention includes a first layer, a second layer over the first layer, a third layer over the second layer, and a capacitor. The first layer includes the first transistor, the third layer includes the second transistor, the channel formation region of the first transistor includes a single crystal semiconductor, and the channel of the second transistor The formation region includes an oxide semiconductor, the second layer includes an insulating film and a conductive film, and the conductive film electrically connects the first transistor and the second transistor. And the capacitor is electrically connected to the gate electrode of the first transistor and one of the source electrode or the drain electrode of the second transistor, and the gate electrode of the first transistor and the source electrode of the second transistor Or a node between one of the drain electrodes and one electrode of the capacitor. Te, while performing 250 hours of heat treatment at 0.99 ° C., which is a semiconductor device, wherein the read failure rate of the held potential is less than 8%.

また、上記構成において、第1のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方に供給される電圧は、1.2V以上1.7V以下であると好ましい。   In the above structure, the voltage supplied to one of the source electrode and the drain electrode of the first transistor is preferably 1.2 V to 1.7 V.

また、本発明の他の一態様は、上述したいずれか一に記載の半導体装置を有することを特徴とするモジュールである。   Another embodiment of the present invention is a module including any one of the semiconductor devices described above.

また、本発明の他の一態様は、上述したいずれか一に記載の半導体装置、または上述したモジュールと、スピーカー、操作キー、または、バッテリーと、を有することを特徴とする電子機器である。   Another embodiment of the present invention is an electronic device including any one of the above semiconductor devices or the above module and a speaker, an operation key, or a battery.

電気特性の良好な半導体装置を提供することができる。または、電気特性の安定した半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置の新規な作製方法を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。   A semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a semiconductor device with stable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a novel method for manufacturing the semiconductor device can be provided. Alternatively, a module including the semiconductor device can be provided. Alternatively, an electronic device including the semiconductor device or the module can be provided.

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

半導体装置の作成方法の一例を示すフローチャート。10 is a flowchart illustrating an example of a method for creating a semiconductor device. 測定系の一例を示す回路図。The circuit diagram which shows an example of a measurement system. 半導体装置の評価方法の一例を示すフローチャート。6 is a flowchart illustrating an example of a semiconductor device evaluation method. 測定系の一例を示す回路図。The circuit diagram which shows an example of a measurement system. 測定系の一例を示す回路図。The circuit diagram which shows an example of a measurement system. 測定系の一例を説明する図。The figure explaining an example of a measurement system. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。10A and 10B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図およびエネルギーバンド図。10A and 10B are a cross-sectional view and an energy band diagram illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの作製方法を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. FIG. トランジスタの作製方法を示す断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a transistor. FIG. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。10A and 10B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a transistor. 記憶装置の一例を示す回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an example of a memory device. CPUの一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of CPU. 電子機器の一例を示す図。FIG. 14 illustrates an example of an electronic device. RFデバイスの一例を示す図。The figure which shows an example of RF device. CAAC−OSの断面におけるCs補正高分解能TEM像、およびCAAC−OSの断面模式図。FIG. 6 is a Cs-corrected high-resolution TEM image in a cross section of a CAAC-OS and a schematic cross-sectional view of the CAAC-OS. CAAC−OSの平面におけるCs補正高分解能TEM像。The Cs correction | amendment high-resolution TEM image in the plane of CAAC-OS. CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図。6A and 6B illustrate structural analysis by XRD of a CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor. CAAC−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of CAAC-OS. In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。FIG. 6 shows changes in crystal parts of an In—Ga—Zn oxide due to electron irradiation. デバイス構造の断面図。Sectional drawing of a device structure. データ保持率とVRMの対応関係を説明する図。The figure explaining the correspondence of a data retention rate and VRM. 1保持不良率とVRMの対応関係を説明する図。1 is a diagram for explaining a correspondence relationship between a retention failure rate and a VRM. FIG. 0保持不良率とVRMの対応関係を説明する図。The figure explaining the correspondence of 0 holding failure rate and VRM. 不良率と保持時間の対応関係を説明する図。The figure explaining the correspondence of a defect rate and holding time. デバイス構造の断面図。Sectional drawing of a device structure. 寿命時間のアレニウスプロットを説明する図。The figure explaining the Arrhenius plot of lifetime. 寿命時間のアレニウスプロットを説明する図。The figure explaining the Arrhenius plot of lifetime.

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、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態およ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。したがって、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。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分また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ことがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。   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. Note that in the 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. Note that hatching of the same elements constituting the drawings may be appropriately omitted or changed between different drawings.

また、本明細書にて用いる第1、第2、第3などの用語は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。   Further, the terms such as first, second, and third used in this specification are given for avoiding confusion between components, and are not limited numerically. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”.

また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。   Further, the functions of “source” and “drain” may be interchanged when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

また、電圧とは2点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差のことを単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。   Further, the voltage refers to a potential difference between two points, and the potential refers to electrostatic energy (electric potential energy) possessed by a unit charge in an electrostatic field at a certain point. However, in general, a potential difference between a potential at a certain point and a reference potential (for example, ground potential) is simply referred to as a potential or a voltage, and a potential and a voltage are often used as synonyms. Therefore, in this specification, unless otherwise specified, the potential may be read as a voltage, or the voltage may be read as a potential.

また、酸化物半導体膜を有するトランジスタはnチャネル型トランジスタであるため、本明細書において、ゲート電圧が0Vの場合、ドレイン電流が流れていないとみなすことができるトランジスタを、ノーマリーオフ特性を有するトランジスタと定義する。また、ゲート電圧が0Vの場合、ドレイン電流が流れているとみなすことができるトランジスタを、ノーマリーオン特性を有するトランジスタと定義する。   In addition, since a transistor including an oxide semiconductor film is an n-channel transistor, in this specification, a transistor that can be regarded as having no drain current flowing when the gate voltage is 0 V has normally-off characteristics. It is defined as a transistor. A transistor that can be regarded as having a drain current flowing when the gate voltage is 0 V is defined as a transistor having normally-on characteristics.

なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。また、「絶縁体」という表記と、「絶縁膜(または絶縁層)」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。また、「導電体」という表記と、「導電膜(または導電層)」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。また、「半導体」という表記は、「半導体膜(または半導体層)」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。   Note that in this specification, the expression “film” and the expression “layer” can be interchanged with each other. Further, the expression “insulator” and the expression “insulating film (or insulating layer)” can be interchanged with each other. In addition, the expression “conductor” and the expression “conductive film (or conductive layer)” can be interchanged with each other. In addition, the expression “semiconductor” can be interchanged with the expression “semiconductor film (or semiconductor layer)”.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置およびその作製方法、半導体装置の評価方法の一例について図1乃至図3を参照して説明する。以下に示す測定系の構成は、特性評価用回路の構成として採用することが可能である。なお、以下に示す測定系は一例に過ぎない。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device evaluation method according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The following configuration of the measurement system can be adopted as the configuration of the characteristic evaluation circuit. Note that the measurement system shown below is merely an example.

<測定系>
図2に示す回路図は、トランジスタM0と、トランジスタM1と、容量素子Csと、端子WWLと、端子WBLと、端子RBLと、端子SLと、端子VBGと、を有する。
<Measurement system>
The circuit diagram illustrated in FIG. 2 includes a transistor M0, a transistor M1, a capacitor Cs, a terminal WWL, a terminal WBL, a terminal RBL, a terminal SL, and a terminal VBG.

図2に示す回路は、被試験用(DUT:Device Under Test)トランジスタであるトランジスタM0のオフ電流(ノードFNの電荷の保持)を評価するための特性評価用回路である。   The circuit shown in FIG. 2 is a characteristic evaluation circuit for evaluating the off-current (holding the charge of the node FN) of the transistor M0 that is a device under test (DUT) device.

図2において、トランジスタM0のゲート電極は、端子WWLに電気的に接続され、トランジスタM0のソース電極またはドレイン電極の一方は、端子WBLに電気的に接続され、トランジスタM0のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子Csの第1の端子に電気的に接続され、トランジスタM0のバックゲート電極は、端子VBGに電気的に接続される。   In FIG. 2, the gate electrode of the transistor M0 is electrically connected to the terminal WWL, and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor M0 is electrically connected to the terminal WBL, and the source electrode or the drain electrode of the transistor M0 is connected. The other is electrically connected to the first terminal of the capacitor Cs, and the back gate electrode of the transistor M0 is electrically connected to the terminal VBG.

図2において、トランジスタM1のゲート電極は、容量素子Csの第1の端子に電気的に接続され、トランジスタM1のソース電極またはドレイン電極の一方は、端子RBLに電気的に接続され、トランジスタM1のソース電極またはドレイン電極の他方は、端子SLに電気的に接続される。   In FIG. 2, the gate electrode of the transistor M1 is electrically connected to the first terminal of the capacitor Cs, and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor M1 is electrically connected to the terminal RBL. The other of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to the terminal SL.

図2において、容量素子Csの第2の端子は、低電位が与えられる。例えば、低電位として、接地電位が与えられてもよい。   In FIG. 2, a low potential is applied to the second terminal of the capacitor Cs. For example, a ground potential may be given as a low potential.

図2において、ノードFNは電気的に浮遊状態になる。   In FIG. 2, the node FN is in an electrically floating state.

ここで、トランジスタM0と、トランジスタM1と、容量素子Csとで構成される本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について図1を用いて説明する。   Here, a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention including the transistor M0, the transistor M1, and the capacitor Cs is described with reference to FIGS.

<ステップA1>
まず、トランジスタM1を形成し、トランジスタM1上にトランジスタM0および容量素子Csを形成し、半導体装置を形成する。なお、トランジスタM1は、単結晶半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタであり、トランジスタM0は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタである。また、トランジスタM0は、2つのゲート電極を有する。トランジスタM1、トランジスタM0および容量素子Csの詳細は実施の形態2で説明する。
<Step A1>
First, the transistor M1 is formed, the transistor M0 and the capacitor Cs are formed over the transistor M1, and a semiconductor device is formed. Note that the transistor M1 is a transistor having a single crystal semiconductor in a channel formation region, and the transistor M0 is a transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region. The transistor M0 has two gate electrodes. Details of the transistor M1, the transistor M0, and the capacitor Cs will be described in Embodiment 2.

なお、トランジスタM1のゲート電極とトランジスタM0のソース電極またはドレイン電極の一方と容量素子Csの一方の電極との間のノードFNにおいて、電荷(データ)を保持する。
<ステップA2>
Note that charge (data) is held in a node FN between the gate electrode of the transistor M1, the source electrode or the drain electrode of the transistor M0, and the one electrode of the capacitor Cs.
<Step A2>

次に、120℃以上180℃以下の温度で加熱処理を行う。
<ステップA3>
Next, heat treatment is performed at a temperature of 120 ° C. to 180 ° C.
<Step A3>

次に、加熱処理を行ったまま、端子WWLに電圧を与えてトランジスタM0をオンにして、端子WBLに与えられた電圧をノードFNに書き込む。また、ノードFNに電荷を書き込むのと同時に端子VBGに電圧を与える。端子VBGに与えられる電圧は−10V以上−1V以下であると好ましい。
<ステップA4>
Next, with the heat treatment performed, a voltage is applied to the terminal WWL to turn on the transistor M0, and the voltage applied to the terminal WBL is written to the node FN. In addition, a voltage is applied to the terminal VBG at the same time as charge is written to the node FN. The voltage applied to the terminal VBG is preferably -10V or more and -1V or less.
<Step A4>

次に、端子VBGに電圧を与えたまま、端子WWLに電圧を与えてトランジスタM0をオフにして、ノードFNを電気的に浮遊状態にする。なお、加熱処理もステップA3から継続して行われている。また、加熱処理は、50時間以上150時間以下行うことが好ましく、100時間以上150時間以下行うことがさらに好ましい。   Next, with the voltage applied to the terminal VBG, a voltage is applied to the terminal WWL to turn off the transistor M0, so that the node FN is electrically floated. Note that the heat treatment is also continued from step A3. The heat treatment is preferably performed for 50 hours to 150 hours, more preferably 100 hours to 150 hours.

上記のように端子VBGに電圧を印加しながら加熱処理を行うことで、トランジスタM0のチャネル形成領域を含む酸化物半導体膜の欠陥、該酸化物半導体膜とゲート絶縁膜との界面の欠陥、バックゲート電極と下地絶縁膜との界面の欠陥が自由電子によって埋められて、これらの欠陥が消失または低減する可能性がある。よって、トランジスタM0のリーク電流が低減し、データ保持時間をより長くすることができる。   By performing heat treatment while applying voltage to the terminal VBG as described above, defects in the oxide semiconductor film including the channel formation region of the transistor M0, defects in the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film, back surface, There is a possibility that defects at the interface between the gate electrode and the base insulating film are filled with free electrons, and these defects disappear or are reduced. Therefore, the leakage current of the transistor M0 can be reduced and the data retention time can be extended.

以下、ノードFNの電荷の保持の評価方法について説明を行う。なお、以下では、トランジスタM0をnチャネル型トランジスタ、トランジスタM1をpチャネル型トランジスタとして説明を行うが、これに限られず、トランジスタM0がpチャネル型トランジスタまたは\およびトランジスタM1が、nチャネル型トランジスタの場合でも適用可能である。   Hereinafter, a method for evaluating charge retention of the node FN will be described. In the following description, the transistor M0 is an n-channel transistor and the transistor M1 is a p-channel transistor. However, the present invention is not limited to this, and the transistor M0 is a p-channel transistor or \ and the transistor M1 is an n-channel transistor. Even if applicable.

<評価方法>
図3は、ノードFNの電荷の保持特性を評価する方法を説明したフローチャートである。
<Evaluation method>
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for evaluating the charge retention characteristics of the node FN.

<ステップB1>
まず、端子SLに与える電圧を少しずつ変更する。こうすることで容量素子Csとの相対的な電圧の差を変更することができる。ここでは、端子SLに与える電圧を1.00Vから2.40Vまで0.02V刻みで変更する。変更毎にノードFNに保持されたデータを読み出して確認する。
<Step B1>
First, the voltage applied to the terminal SL is changed little by little. By doing so, the voltage difference relative to the capacitive element Cs can be changed. Here, the voltage applied to the terminal SL is changed from 1.00 V to 2.40 V in increments of 0.02 V. For each change, the data held in the node FN is read and confirmed.

なお、トランジスタM1はpチャネル型トランジスタであり、トランジスタM1がオンになると、データとしてはデータ0となる。端子SLに与える電圧が高い方がトランジスタM1はオンになりやすい、つまりデータ0になりやすい。また、端子SLに与える電圧が低い方がトランジスタM1はオフになりやすい、つまりデータ1になりやすい。ここで、ノードFNに保持されるデータは「1」または「0」による二値のデータであり、データ「1」をHレベルの電位、データ「0」をLレベルの電位として保持する。   Note that the transistor M1 is a p-channel transistor, and when the transistor M1 is turned on, the data is data 0. When the voltage applied to the terminal SL is higher, the transistor M1 is more likely to be turned on, that is, data 0 is more likely to occur. Further, the transistor M1 is more likely to be turned off, that is, the data 1 is easier when the voltage applied to the terminal SL is lower. Here, the data held in the node FN is binary data of “1” or “0”, and the data “1” is held as an H level potential and the data “0” is held as an L level potential.

<ステップB2>
次に、ステップ1で得られた、端子SLに与える電圧と読み出されたデータの対応関係を調べる。保持しているデータと読み出したデータが同じであるかを確認する。なお、ノードFNに保持されたデータ1の電荷がリークしていくとノードFNの電位は低くなっていき、データ0となってしまう。このデータ1がデータ0になることをここでは「データ1保持不良」という。また、データ1保持不良の確率を「データ1保持不良率」という。また、データ0がデータ1になることをここでは「データ0保持不良」という。また、データ0保持不良の確率を「データ0保持不良率」という。
<Step B2>
Next, the correspondence between the voltage applied to the terminal SL obtained in step 1 and the read data is examined. Check whether the stored data is the same as the read data. Note that when the charge of the data 1 held in the node FN leaks, the potential of the node FN is lowered and becomes data 0. Here, the fact that the data 1 becomes the data 0 is referred to as “data 1 retention failure”. The probability of data 1 retention failure is referred to as “data 1 retention failure rate”. In addition, the fact that data 0 becomes data 1 is herein referred to as “data 0 retention failure”. The probability of data 0 retention failure is referred to as “data 0 retention failure rate”.

<ステップB3>
次に、データ1保持不良率と端子SLに与える電圧の対応関係のステップA2の加熱処理の依存性について評価する。
<Step B3>
Next, the dependency of the heat treatment in step A2 on the correspondence between the data 1 retention failure rate and the voltage applied to the terminal SL is evaluated.

上記ステップより、加熱処理の効果を確認することができる、また、好ましい加熱処理時間の範囲を設定することができる。評価結果の詳細は実施例で説明する。   From the above steps, the effect of the heat treatment can be confirmed, and a preferable heat treatment time range can be set. Details of the evaluation results will be described in Examples.

以上、半導体装置の作製方法に従うことで半導体装置のデータの保持特性を向上させることができる。また、半導体装置の評価方法に従うことで半導体装置のデータの保持特性の評価を行うことができる。   As described above, data retention characteristics of a semiconductor device can be improved by following the method for manufacturing a semiconductor device. Further, data retention characteristics of the semiconductor device can be evaluated by following the semiconductor device evaluation method.

また、図2に示す特性評価用回路は、図4に示すようにトランジスタM2を追加してもよい。トランジスタM2は、端子RWLに接続されている。端子RWLはトランジスタM2のオン・オフを制御する信号を供給する機能を有する。また、図5に示すように、図4に示す特性評価用回路の端子WBLと端子RBLを共通化した端子BLを設ける構成としてもよい。   Further, the characteristic evaluation circuit shown in FIG. 2 may include a transistor M2 as shown in FIG. The transistor M2 is connected to the terminal RWL. The terminal RWL has a function of supplying a signal for controlling on / off of the transistor M2. Further, as shown in FIG. 5, a terminal BL in which the terminal WBL and the terminal RBL of the circuit for characteristic evaluation shown in FIG. 4 are shared may be provided.

<測定環境>
なお、図6に示すように、特性評価用回路を含む測定サンプルを、温度が一定に保たれたイナートオーブンに投入してもよい。また、測定器を取り巻く雰囲気の温度が一定になるように、恒温空気発生装置を用いてもよい。上述のように測定環境を整備することで、温度変化によるノイズの影響を低減することができる。
<Measurement environment>
As shown in FIG. 6, a measurement sample including a characteristic evaluation circuit may be put into an inert oven maintained at a constant temperature. Moreover, you may use a constant temperature air generator so that the temperature of the atmosphere surrounding a measuring device may become constant. By preparing the measurement environment as described above, it is possible to reduce the influence of noise due to temperature changes.

具体的には、例えば、測定サンプルをイナートオーブンに入れ、測定サンプルを恒温状態にする。このとき、イナートオーブンにドライエアを供給すると、イナートオーブン内の湿度を低減することができ、低湿度の環境で測定することができる。また、サンプルは中継部とフラットケーブルで接続されており、中継部は第1の測定器および第2の測定器と同軸ケーブルで接続されている。第1の測定器は、サンプルの情報を中継部に送るための信号を発信する。第2の測定器は、サンプルの情報を中継部から得る。なお、測定系(サンプルおよび測定器を含む)は恒温状態であることが好ましい。例えば、測定系は、断熱材やプラスチックダンボールなどで覆われ、恒温空気発生装置およびダクトケーブルを用いて恒温空気を供給し、恒温状態にすることができる。なお、測定系は、断熱材やプラスチックダンボールなどで完全に覆わず、少量の恒温空気が外部に流れるようにしておくと好ましい。   Specifically, for example, the measurement sample is put in an inert oven, and the measurement sample is brought to a constant temperature state. At this time, if dry air is supplied to the inert oven, the humidity in the inert oven can be reduced, and measurement can be performed in a low humidity environment. Further, the sample is connected to the relay unit by a flat cable, and the relay unit is connected to the first measuring device and the second measuring device by a coaxial cable. The first measuring device transmits a signal for sending sample information to the relay unit. The second measuring device obtains sample information from the relay unit. Note that the measurement system (including the sample and the measuring device) is preferably in a constant temperature state. For example, the measurement system is covered with a heat insulating material, plastic cardboard, or the like, and can be brought into a constant temperature state by supplying constant temperature air using a constant temperature air generator and a duct cable. Note that it is preferable that the measurement system is not completely covered with a heat insulating material or plastic corrugated cardboard, and a small amount of constant temperature air is allowed to flow to the outside.

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

(実施の形態2)
本実施の形態では、図2で示した測定系に適用可能な半導体装置の一例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a semiconductor device applicable to the measurement system illustrated in FIG. 2 will be described.

<半導体装置の断面図>
図7(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図7(A)に示す半導体装置は、基板701と、トランジスタM0と、トランジスタM1と、容量素子Csと、素子分離層702と、絶縁膜703と、導電膜704と、導電膜705と、導電膜706と、プラグ707と、プラグ708と、プラグ709と、を有している。また、トランジスタM1は、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域721と、ゲート電極723と、ゲート絶縁膜724と、側壁絶縁層725と、を有している。
<Cross-sectional view of semiconductor device>
FIG. 7A is a cross-sectional view of the semiconductor device of one embodiment of the present invention. A semiconductor device illustrated in FIG. 7A includes a substrate 701, a transistor M0, a transistor M1, a capacitor Cs, an element isolation layer 702, an insulating film 703, a conductive film 704, a conductive film 705, and a conductive film. A film 706, a plug 707, a plug 708, and a plug 709 are provided. In addition, the transistor M1 includes an impurity region 721 functioning as a source region or a drain region, a gate electrode 723, a gate insulating film 724, and a sidewall insulating layer 725.

図7(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタM1を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタM0を有している。図7(A)では、トランジスタM0およびトランジスタM1のチャネル長方向の断面図を示している。   The semiconductor device illustrated in FIG. 7A includes a transistor M1 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor M0 using a second semiconductor material in an upper portion. FIG. 7A illustrates a cross-sectional view of the transistor M0 and the transistor M1 in the channel length direction.

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

トランジスタM0の詳細は、後述する実施の形態3で説明を行う。   Details of the transistor M0 will be described in Embodiment 3 to be described later.

トランジスタM1は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いる他は、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。   The transistor M1 may be either an n-channel transistor or a p-channel transistor, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit. In addition to the use of the transistor of one embodiment of the present invention using an oxide semiconductor, the specific structure of the semiconductor device, such as a material and a structure used, is not necessarily limited to that described here.

また、トランジスタM1は、側壁絶縁層725の下に、LDD(Lightly Doped Drain)領域やエクステンション領域として機能する不純物領域を設けてもよい。特に、トランジスタM1をnチャネル型とする場合は、ホットキャリアによる劣化を抑制するため、LDD領域やエクステンション領域を設けることが好ましい。   In the transistor M1, an impurity region functioning as an LDD (Lightly Doped Drain) region or an extension region may be provided under the sidewall insulating layer 725. In particular, when the transistor M1 is an n-channel type, it is preferable to provide an LDD region and an extension region in order to suppress deterioration due to hot carriers.

また、トランジスタM1としてシリサイド(サリサイド)を有するトランジスタや、側壁絶縁層725を有さないトランジスタを用いてもよい。シリサイド(サリサイド)を有する構造であると、ソース領域およびドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能である。   Alternatively, a transistor having silicide (salicide) or a transistor having no sidewall insulating layer 725 may be used as the transistor M1. When the structure has silicide (salicide), the resistance of the source region and the drain region can be further reduced, and the speed of the semiconductor device can be increased. In addition, since the semiconductor device can operate at a low voltage, power consumption of the semiconductor device can be reduced.

このように、2種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、より高密度に複数の回路を配置することができる。   Thus, by stacking two types of transistors, the area occupied by the circuit is reduced, and a plurality of circuits can be arranged at a higher density.

容量素子Csは、トランジスタM0と同じ製造工程を用いて作製することができる。なお、図7(A)では、容量素子CsがトランジスタM0と同じ階層に設けられているが、容量素子CsはトランジスタM1と同じ階層に設けてもよい。また、容量素子CsはトランジスタM1とトランジスタM0の間の階層に設けてもよい。また、容量素子CsはトランジスタM1およびトランジスタM0の上の階層に設けてもよい。   The capacitor Cs can be manufactured using the same manufacturing process as the transistor M0. Note that in FIG. 7A, the capacitor Cs is provided in the same layer as the transistor M0; however, the capacitor Cs may be provided in the same layer as the transistor M1. The capacitor Cs may be provided in a hierarchy between the transistor M1 and the transistor M0. Further, the capacitor Cs may be provided in a hierarchy above the transistor M1 and the transistor M0.

基板701としては、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板や、SOI(Silicon on Insulator)基板などを用いることができる。半導体基板を用いて形成されたトランジスタは、高速動作が容易である。なお、基板701としてp型の単結晶シリコン基板を用いた場合、基板701の一部にn型を付与する不純物元素を添加してn型のウェルを形成し、n型のウェルが形成された領域にp型のトランジスタを形成することも可能である。n型を付与する不純物元素としては、リン(P)、砒素(As)等を用いることができる。p型を付与する不純物元素としては、ボロン(B)等を用いることができる。   As the substrate 701, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, or the like can be used. A transistor formed using a semiconductor substrate can easily operate at high speed. Note that in the case where a p-type single crystal silicon substrate is used as the substrate 701, an n-type well is formed by adding an impurity element imparting n-type to part of the substrate 701, whereby the n-type well is formed. It is also possible to form a p-type transistor in the region. As the impurity element imparting n-type conductivity, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the impurity element imparting p-type conductivity, boron (B) or the like can be used.

また、基板701は絶縁基板上に半導体膜を設けたものでもよい。該絶縁基板として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどが挙げられる。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチック、またはアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、またはポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。   The substrate 701 may be a substrate in which a semiconductor film is provided over an insulating substrate. Examples of the insulating substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, a substrate having a stainless steel foil, a tungsten substrate, a substrate having a tungsten foil, a flexible substrate, and a bonded substrate. Examples thereof include a film, paper containing a fibrous material, and a base film. Examples of the glass substrate include barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and soda lime glass. As an example of the flexible substrate, there are a plastic typified by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), or a synthetic resin having flexibility such as acrylic. Examples of the laminated film include polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, and polyvinyl chloride. Examples of the base film include polyester, polyamide, polyimide, aramid, epoxy, inorganic vapor deposition film, and papers.

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

トランジスタM1は、素子分離層702により、基板701に形成される他のトランジスタと分離されている。素子分離層702は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。   The transistor M1 is separated from other transistors formed on the substrate 701 by an element isolation layer 702. The element isolation layer 702 includes aluminum oxide, aluminum oxynitride, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and hafnium oxide. An insulator containing one or more selected from tantalum oxide and the like can be used.

ここで、下層に設けられるトランジスタM1にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタM1の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタM1の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタM0に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタM0の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタM0の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタM1の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタM0を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁膜703を設けることは特に効果的である。絶縁膜703により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタM1の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタM0の信頼性も同時に向上させることができる。   Here, when a silicon-based semiconductor material is used for the transistor M1 provided in the lower layer, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the semiconductor layer of the transistor M1 terminates a dangling bond of silicon, and the reliability of the transistor M1 is increased. There is an effect to improve. On the other hand, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor M0 provided in the upper layer, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the semiconductor layer of the transistor M0 is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor. In some cases, the reliability of the transistor M0 may be reduced. Therefore, in the case where the transistor M0 using an oxide semiconductor is stacked over the transistor M1 using a silicon-based semiconductor material, it is particularly preferable to provide the insulating film 703 having a function of preventing hydrogen diffusion therebetween. It is effective. In addition to improving the reliability of the transistor M1 by confining hydrogen in the lower layer with the insulating film 703, it is possible to simultaneously improve the reliability of the transistor M0 by suppressing the diffusion of hydrogen from the lower layer to the upper layer. it can.

絶縁膜703としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。   As the insulating film 703, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.

導電膜704乃至導電膜706は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。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い。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。   The conductive films 704 to 706 are formed of copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel (Ni), chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), a simple substance made of a low-resistance material such as cobalt (Co), an alloy, or a conductive material containing a compound containing these as a main component A single layer or a stacked layer of films is preferable. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.

プラグ707乃至プラグ709は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。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い。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。   The plugs 707 to 709 are copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel (Ni ), Chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), a simple substance or an alloy made of a low resistance material, or a conductive film containing a compound containing these as a main component A single layer or a stacked layer is preferable. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.

なお、図7(A)において、符号およびハッチングパターンが与えられていない領域は絶縁体で構成された領域を表している。これらの領域には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上の材料を含む絶縁体を用いることができる。また、当該領域には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。   Note that in FIG. 7A, a region to which no reference sign and hatching pattern are given represents a region formed of an insulator. These regions include aluminum oxide, aluminum nitride oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide An insulator containing one or more materials selected from tantalum oxide and the like can be used. In the region, an organic resin such as a polyimide resin, a polyamide resin, an acrylic resin, a siloxane resin, an epoxy resin, or a phenol resin can be used.

トランジスタM1として、図7(B)および図7(C)に示すトランジスタ750を用いてもよい。図7(C)には、一点鎖線E−Fによる図7(B)の断面を示す。半導体基板730上に形成されたトランジスタ750は、チャネルが形成される半導体層756と、不純物領域751と、不純物領域755と、ゲート絶縁膜753と、ゲート電極752と、側壁絶縁層754と、素子分離層731を有している。半導体層756は凸形状を有し、その側面および上面に沿ってゲート絶縁膜753およびゲート電極752が設けられている。このようなトランジスタ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730の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI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。   As the transistor M1, the transistor 750 illustrated in FIGS. 7B and 7C may be used. FIG. 7C illustrates a cross section of FIG. 7B taken along one-dot chain line EF. The transistor 750 formed over the semiconductor substrate 730 includes a semiconductor layer 756 in which a channel is formed, an impurity region 751, an impurity region 755, a gate insulating film 753, a gate electrode 752, a sidewall insulating layer 754, an element A separation layer 731 is included. The semiconductor layer 756 has a convex shape, and a gate insulating film 753 and a gate electrode 752 are provided along a side surface and an upper surface thereof. Such a transistor is also called 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 a case where a part of the semiconductor substrate 730 is processed to form a convex portion is shown here, an SOI substrate may be processed to form a semiconductor layer having a convex shape.

図7において、トランジスタM0とトランジスタM1のチャネル領域は、異なる半導体材料で構成されているが、トランジスタM0とトランジスタM1のチャネル領域は、同じ半導体材料で構成されていてもよい。例えば、トランジスタM0とトランジスタM1の両方のチャネル領域に、酸化物半導体を用いてもよい。   In FIG. 7, the channel regions of the transistors M0 and M1 are made of different semiconductor materials, but the channel regions of the transistors M0 and M1 may be made of the same semiconductor material. For example, an oxide semiconductor may be used for the channel regions of both the transistor M0 and the transistor M1.

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

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1および実施の形態2で示した、トランジスタM0に適用可能な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 that can be used as the transistor M0 described in Embodiments 1 and 2 will be described.

<トランジスタの構成例1>
図8(A)乃至図8(D)は、トランジスタ600の上面図および断面図である。図8(A)は上面図であり、図8(A)に示す一点鎖線Y1−Y2方向の断面が図8(B)に相当し、図8(A)に示す一点鎖線X1−X2方向の断面が図8(C)に相当し、図8(A)に示す一点鎖線X3−X4方向の断面が図8(D)に相当する。なお、図8(A)乃至図8(D)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル長方向、一点鎖線X1−X2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
<Configuration Example 1 of Transistor>
8A to 8D are a top view and a cross-sectional view of the transistor 600. FIG. 8A is a top view, and a cross section in the direction of dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG. 8A corresponds to FIG. 8B, and is in the direction of dashed-dotted line X1-X2 in FIG. The cross section corresponds to FIG. 8C, and the cross section in the direction of dashed-dotted line X3-X4 in FIG. 8A corresponds to FIG. Note that in FIGS. 8A to 8D, some elements are illustrated in an enlarged, reduced, or omitted manner for clarity. The direction of the alternate long and short dash line Y1-Y2 may be referred to as a channel length direction, and the direction of the alternate long and short dash line X1-X2 may be referred to as a channel width direction.

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、ソースまたはドレインの幅をいう。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 refers to, for example, the width of a source or drain 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. . 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600は、基板640と、基板640上の絶縁膜651と、絶縁膜651上に形成された導電膜674と、絶縁膜651および導電膜674上に形成された絶縁膜656と、絶縁膜656上に形成された絶縁膜652と、絶縁膜652上に、半導体661、半導体662の順で形成された積層と、半導体662の上面と接する導電膜671および導電膜672と、半導体661、半導体662、導電膜671および導電膜672と接する半導体663と、半導体663上の絶縁膜653および導電膜673と、導電膜673および絶縁膜653上の絶縁膜654と、絶縁膜654上の絶縁膜655を有する。なお、半導体661、半導体662および半導体663をまとめて、半導体660と呼称する。   The transistor 600 includes a substrate 640, an insulating film 651 over the substrate 640, a conductive film 674 formed over the insulating film 651, an insulating film 656 formed over the insulating film 651 and the conductive film 674, and an insulating film 656. The insulating film 652 formed thereover, a stack of the semiconductor 661 and the semiconductor 662 formed in that order over the insulating film 652, the conductive film 671 and the conductive film 672 in contact with the top surface of the semiconductor 662, the semiconductor 661 and the semiconductor 662 The conductive film 671 and the semiconductor 663 in contact with the conductive film 672, the insulating film 653 and the conductive film 673 over the semiconductor 663, the insulating film 654 over the conductive film 673 and the insulating film 653, and the insulating film 655 over the insulating film 654 are formed. Have. Note that the semiconductor 661, the semiconductor 662, and the semiconductor 663 are collectively referred to as a semiconductor 660.

導電膜671は、トランジスタ600のソース電極としての機能を有する。導電膜672は、トランジスタ600のドレイン電極としての機能を有する。   The conductive film 671 functions as a source electrode of the transistor 600. The conductive film 672 functions as a drain electrode of the transistor 600.

導電膜673は、トランジスタ600の第1のゲート電極としての機能を有する。   The conductive film 673 functions as the first gate electrode of the transistor 600.

絶縁膜653は、トランジスタ600の第1のゲート絶縁膜としての機能を有する。   The insulating film 653 functions as a first gate insulating film of the transistor 600.

導電膜674は、トランジスタ600の第2のゲート電極としての機能を有する。   The conductive film 674 functions as the second gate electrode of the transistor 600.

絶縁膜656および絶縁膜652は、トランジスタ600の第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。   The insulating film 656 and the insulating film 652 function as a second gate insulating film of the transistor 600.

導電膜673と導電膜674は同じ電位が与えられてもよいし、異なる電位が与えられてもよい。また、導電膜674は、場合によっては省略することもできる。   The conductive film 673 and the conductive film 674 may be supplied with the same potential or different potentials. Further, the conductive film 674 can be omitted depending on circumstances.

図8(C)に示すように、半導体662の側面は、導電膜673に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜673の電界によって、半導体662を電気的に取り囲むことができる(導電膜(ゲート電極)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。)。そのため、半導体662の全体(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。また、s−channel構造は、高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。   As illustrated in FIG. 8C, the side surface of the semiconductor 662 is surrounded by a conductive film 673. With the above structure, the semiconductor 662 can be electrically surrounded by the electric field of the conductive film 673 (the structure of the transistor that electrically surrounds the semiconductor by the electric field of the conductive film (gate electrode) is increased to the surrounded channel (s). -Channel) structure). Therefore, a channel may be formed in the entire semiconductor 662 (bulk). In the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and a current during conduction (on-current) can be increased. Further, the s-channel structure can provide a transistor that can operate at high frequency.

s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、LSI(Large Scale Integration)など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置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10nm以上、1μm未満、さらに好ましくは10nm以上、100nm未満、さらに好ましくは10nm以上、70nm未満、さらに好ましくは10nm以上、60nm未満、さらに好ましくは10nm以上、30nm未満の領域を有する。例えば、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは10nm以上、1μm未満、さらに好ましくは10nm以上、100nm未満、さらに好ましくは10nm以上、70nm未満、さらに好ましくは10nm以上、60nm未満、さらに好ましくは10nm以上、30nm未満の領域を有する。   The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a semiconductor device that requires a miniaturized transistor such as an LSI (Large Scale Integration) because a high on-state current can be obtained. 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 channel length of preferably 10 nm or more and less than 1 μm, more preferably 10 nm or more and less than 100 nm, more preferably 10 nm or more and less than 70 nm, more preferably 10 nm or more and less than 60 nm, more preferably 10 nm or more and 30 nm. With less than. For example, the transistor preferably has a channel width of 10 nm or more and less than 1 μm, more preferably 10 nm or more and less than 100 nm, more preferably 10 nm or more and less than 70 nm, more preferably 10 nm or more and less than 60 nm, more preferably 10 nm or more and 30 nm. With less than.

s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求されるトランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動作可能な半導体装置とすることが可能となる。   The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a transistor that requires high-frequency operation because a high on-state current can be obtained. The semiconductor device including the transistor can be a semiconductor device that can operate at high frequency.

また、s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、電力制御用のトランジスタに適した構造といえる。s−channel構造を電力制御用のトランジスタに用いる場合は、高耐圧、高電流が要求されるため、チャネル長およびチャネル幅が長い方が好ましい。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは1μm以上、さらに好ましくは10μm以上、さらに好ましくは100μm以上の領域を有することが好ましい。また、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは1μm以上、さらに好ましくは10μm以上、さらに好ましくは100μm以上の領域を有することが好ましい。この場合、トランジスタは、チャネル長が1cm未満の領域、およびチャネル幅が1cm未満の領域を有していればよい。   The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a power control transistor because a high on-state current can be obtained. When the s-channel structure is used for a power control transistor, a high breakdown voltage and a high current are required, so that the channel length and the channel width are preferably long. For example, the transistor preferably has a region with a channel length of preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 100 μm or more. The transistor preferably has a region with a channel width of preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 100 μm or more. In this case, the transistor only needs to have a region with a channel length of less than 1 cm and a region with a channel width of less than 1 cm.

絶縁膜651は、基板640と導電膜674を電気的に分離させる機能を有する。   The insulating film 651 has a function of electrically separating the substrate 640 and the conductive film 674.

絶縁膜652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652から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体660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 652 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 652 is supplied to the semiconductor 660 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、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、膜の表面温度が100℃以上700℃以下、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 is converted into oxygen atoms at a surface temperature of 100 ° C. or more and 700 ° C. or less by, for example, TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. The oxide film has an oxygen desorption amount 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 the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

絶縁膜656は、絶縁膜652に含まれる酸素が、導電膜674に含まれる金属と結びつき、絶縁膜652に含まれる酸素が減少することを防ぐ機能を有する。   The insulating film 656 has a function of preventing oxygen contained in the insulating film 652 from being combined with a metal contained in the conductive film 674 and reducing oxygen contained in the insulating film 652.

絶縁膜654は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜654を設けることで、半導体660からの酸素の外部への拡散と、外部から半導体660への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。   The insulating film 654 has a function of blocking oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, and the like. By providing the insulating film 654, diffusion of oxygen from the semiconductor 660 to the outside and entry of hydrogen, water, and the like into the semiconductor 660 from the outside can be prevented.

<半導体の説明>
次に、半導体661、半導体662、半導体663などに適用可能な半導体について説明する。
<Description of semiconductor>
Next, semiconductors applicable to the semiconductor 661, the semiconductor 662, the semiconductor 663, and the like are described.

トランジスタ600は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流(オフ電流)が低いことが好適である。ここでは、オフ電流が低いとは、室温において、ソースとドレインとの間の電圧を10Vとし、チャネル幅1μmあたりの規格化されたオフ電流が10×10−21A以下であることをいう。このようにオフ電流が低いトランジスタとしては、半導体に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。 The transistor 600 preferably has a low current (off-state current) flowing between the source and the drain in the non-conduction state. Here, the low off-state current means that at room temperature, the voltage between the source and the drain is 10 V, and the standardized off-current per channel width of 1 μm is 10 × 10 −21 A or less. As such a transistor with low off-state current, a transistor including an oxide semiconductor as a semiconductor can be given.

半導体662は、例えば、インジウム(In)を含む酸化物半導体である。半導体662は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体662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(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)またはスズ(Sn)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(B)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)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、半導体662は、亜鉛(Zn)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。   The semiconductor 662 is an oxide semiconductor containing indium (In), for example. For example, when the semiconductor 662 contains indium, the carrier mobility (electron mobility) increases. The semiconductor 662 preferably contains the element M. The element M is preferably aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y), tin (Sn), or the like. Other elements applicable to the element M include boron (B), silicon (Si), titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr ), Molybdenum (Mo), lanthanum (La), cerium (Ce), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), and the like. 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 semiconductor 662 preferably contains zinc (Zn). An oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc.

ただし、半導体662は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体662は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。   Note that the semiconductor 662 is not limited to the oxide semiconductor containing indium. The semiconductor 662 may be, for example, an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing tin, or the like that does not contain indium, such as zinc tin oxide and gallium tin oxide.

半導体662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662のエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。   For the semiconductor 662, for example, an oxide with a wide energy gap is used. The energy gap of the semiconductor 662 is, for example, not less than 2.5 eV and not more than 4.2 eV, preferably not less than 2.8 eV and not more than 3.8 eV, more preferably not less than 3 eV and not more than 3.5 eV.

半導体662は、後述するCAAC−OS膜であることが好ましい。   The semiconductor 662 is preferably a CAAC-OS film described later.

例えば、半導体661および半導体663は、半導体662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半導体である。半導体662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半導体661および半導体663が構成されるため、半導体661と半導体662との界面、および半導体662と半導体663との界面において、界面準位が形成されにくい。   For example, the semiconductor 661 and the semiconductor 663 are oxide semiconductors including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor 662 or two or more elements. Since the semiconductor 661 and the semiconductor 663 are composed of one or more elements other than oxygen constituting the semiconductor 662 or two or more elements, an interface state at the interface between the semiconductor 661 and the semiconductor 662 and the interface between the semiconductor 662 and the semiconductor 663 is used. The position is difficult to form.

なお、半導体661がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高いとする。半導体661をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:3:2が好ましい。   Note that when the semiconductor 661 is an In-M-Zn oxide and the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, and more preferably In is less than 25 atomic%. , M is higher than 75 atomic%. In the case where the semiconductor 661 is formed by a sputtering method, a sputtering target that satisfies the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 3: 2 is preferable.

また、半導体662がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。半導体662をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1が好ましい。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=4:2:4.1を用いる場合、成膜される半導体662の原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。   In the case where the semiconductor 662 is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably higher than 25 atomic%, M is lower than 75 atomic%, and more preferably In is higher than 34 atomic%. High, and M is less than 66 atomic%. In the case where the semiconductor 662 is formed by a sputtering method, a sputtering target that satisfies the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 2: 1: 3, In: M: Zn = 3: 1: 2, In: M: Zn = 4: 2: 4.1 is preferable. In particular, when an atomic ratio of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 is used as a sputtering target, the atomic ratio of the semiconductor 662 to be formed is In: Ga: Zn = 4: 2: 3. May be near.

また、半導体663がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高くする。なお、半導体663は、半導体661と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体661または/および半導体663がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体661または/および半導体663が酸化ガリウムであっても構わない。   In the case where the semiconductor 663 is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, and more preferably, In is less than 25 atomic%. , M is higher than 75 atomic%. Note that the semiconductor 663 may be formed using the same type of oxide as the semiconductor 661. Note that the semiconductor 661 and / or the semiconductor 663 may not contain indium in some cases. For example, the semiconductor 661 and / or the semiconductor 663 may be gallium oxide.

次に、半導体661、半導体662、および半導体663の積層により構成される半導体660の機能およびその効果について、図9(B)に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図9(A)は、図8(B)に示すトランジスタ600のチャネル部分を拡大した図で、図9(B)は、図9(A)にA1−A2の鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。また、図9(B)は、トランジスタ600のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。   Next, functions and effects of the semiconductor 660 including the stack of the semiconductor 661, the semiconductor 662, and the semiconductor 663 will be described with reference to an energy band structure diagram in FIG. 9A is an enlarged view of the channel portion of the transistor 600 illustrated in FIG. 8B, and FIG. 9B is an energy band of a portion indicated by a chain line A1-A2 in FIG. 9A. The structure is shown. FIG. 9B illustrates an energy band structure of a channel formation region of the transistor 600.

図9(B)中、Ec652、Ec661、Ec662、Ec663、Ec653は、それぞれ、絶縁膜652、半導体661、半導体662、半導体663、絶縁膜653の伝導帯下端のエネルギーを示している。   In FIG. 9B, Ec652, Ec661, Ec662, Ec663, and Ec653 indicate the energy at the lower end of the conduction band of the insulating film 652, the semiconductor 661, the semiconductor 662, the semiconductor 663, and the insulating film 653, respectively.

ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差(「電子親和力」ともいう。)は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差(イオン化ポテンシャルともいう。)からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定できる。   Here, the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band (also referred to as “electron affinity”) is defined as the energy gap based on the difference between the vacuum level and the energy at the top of the valence band (also referred to as ionization potential). Subtracted value. The energy gap can be measured using a spectroscopic ellipsometer. The energy difference between the vacuum level and the upper end of the valence band can be measured using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) apparatus.

絶縁膜652と絶縁膜653は絶縁体であるため、Ec653とEc652は、Ec661、Ec662、およびEc663よりも真空準位に近い(電子親和力が小さい)。   Since the insulating film 652 and the insulating film 653 are insulators, Ec653 and Ec652 are closer to the vacuum level (having a lower electron affinity) than Ec661, Ec662, and Ec663.

半導体662は、半導体661および半導体663よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体662として、半導体661および半導体663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。   As the semiconductor 662, an oxide having an electron affinity higher than those of the semiconductor 661 and the semiconductor 663 is used. For example, as the semiconductor 662, an oxide having an electron affinity greater than or equal to 0.07 eV and less than or equal to 1.3 eV, preferably greater than or equal to 0.1 eV and less than or equal to 0.7 eV, more preferably greater than or equal to 0.15 eV and less than or equal to 0.4 eV, compared with the semiconductors 661 and 663 Is used. Note that the electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.

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、半導体663がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。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, the semiconductor 663 preferably includes 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.

このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体661、半導体662、半導体663のうち、電子親和力の大きい半導体662にチャネルが形成される。   At this time, when a gate voltage is applied, a channel is formed in the semiconductor 662 having high electron affinity among the semiconductors 661, 662, and 663.

ここで、半導体661と半導体662との間には、半導体661と半導体662との混合領域を有する場合がある。また、半導体662と半導体663との間には、半導体662と半導体663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、半導体661、半導体662および半導体663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 semiconductor 661 and the semiconductor 662 between the semiconductor 661 and the semiconductor 662. Further, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor 662 and the semiconductor 663 between the semiconductor 662 and the semiconductor 663. In the mixed region, the interface state density is low. Therefore, the stack of the semiconductor 661, the semiconductor 662, and the semiconductor 663 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、半導体661中および半導体663中ではなく、半導体662中を主として移動する。上述したように、半導体661および半導体662の界面における界面準位密度、半導体662と半導体663との界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体662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 662, not in the semiconductor 661 and the semiconductor 663. As described above, when the interface state density at the interface between the semiconductor 661 and the semiconductor 662 and the interface state density at the interface between the semiconductor 662 and the semiconductor 663 are lowered, movement of electrons in the semiconductor 662 is hindered. Therefore, the on-state current of the transistor can be increased.

トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。   The on-state current of the transistor can be increased as the factor that hinders the movement of electrons is reduced. For example, when there is no factor that hinders the movement of electrons, it is estimated that electrons move efficiently. Electron movement is inhibited, for example, even when the physical unevenness of the channel formation region is large.

トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体662の上面または下面(被形成面、ここでは半導体661)の、1μm×1μmの範囲における二乗平均平方根(RMS:Root Mean Square)粗さが1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における平均面粗さ(Raともいう。)が1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における最大高低差(P−Vともいう。)が10nm未満、好ましくは9nm未満、さらに好ましくは8nm未満、より好ましくは7nm未満とすればよい。RMS粗さ、RaおよびP−Vは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムSPA−500などを用いて測定することができる。   In order to increase the on-state current of the transistor, for example, the root mean square (RMS) roughness of the upper surface or the lower surface of the semiconductor 662 (formation surface, here, the semiconductor 661) in a range of 1 μm × 1 μm is set. The thickness may be less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and more preferably less than 0.4 nm. The average surface roughness (also referred to as Ra) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and more preferably less than 0.4 nm. The maximum height difference (also referred to as PV) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 10 nm, preferably less than 9 nm, more preferably less than 8 nm, and more preferably less than 7 nm. The RMS roughness, Ra, and PV can be measured using a scanning probe microscope system SPA-500 manufactured by SII Nano Technology.

または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。   Alternatively, for example, even when the density of defect states in a region where a channel is formed is high, the movement of electrons is inhibited.

例えば、半導体662が酸素欠損(Vとも表記。)を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をVHと表記する場合がある。VHは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体662中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。 For example, in the case where the semiconductor 662 has oxygen vacancies (also referred to as V 2 O ), donor levels may be formed when hydrogen enters oxygen vacancy sites. The following may be referred to a state that has entered the hydrogen to oxygen vacancies in the site as V O H. Since V O H scatters electrons, it causes a reduction in the on-state current of the transistor. Note that oxygen deficient sites are more stable when oxygen enters than when hydrogen enters. Therefore, the on-state current of the transistor can be increased by reducing oxygen vacancies in the semiconductor 662 in some cases.

例えば、半導体662のある深さにおいて、または、半導体662のある領域において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定される水素濃度は、1×1016atoms/cm以上2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下とする。 For example, the hydrogen concentration measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at a certain depth of the semiconductor 662 or in a certain region of the semiconductor 662 is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more. 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

半導体662の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜652に含まれる過剰酸素を、半導体661を介して半導体662まで移動させる方法などがある。この場合、半導体661は、酸素透過性を有する層(酸素を通過または透過させる層)であることが好ましい。   In order to reduce oxygen vacancies in the semiconductor 662, for example, there is a method in which excess oxygen contained in the insulating film 652 is moved to the semiconductor 662 through the semiconductor 661. In this case, the semiconductor 661 is preferably a layer having oxygen permeability (a layer through which oxygen passes or permeates).

なお、トランジスタがs−channel構造を有する場合、半導体662の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体662が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体662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。   Note that in the case where the transistor has an s-channel structure, a channel is formed in the entire semiconductor 662. Accordingly, the thicker the semiconductor 662, the larger the channel region. That is, the thicker the semiconductor 662, the higher the on-state current of the transistor.

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体663の厚さは小さいほど好ましい。半導体663は、例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有していればよい。一方、半導体663は、チャネルの形成される半導体662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、半導体663は、ある程度の厚さを有することが好ましい。半導体663は、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していればよい。また、半導体663は、絶縁膜652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 semiconductor 663 is preferably as small as possible. The semiconductor 663 may have a region of, for example, less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. On the other hand, the semiconductor 663 has a function of blocking entry of elements other than oxygen (such as hydrogen and silicon) included in the adjacent insulator into the semiconductor 662 where a channel is formed. Therefore, the semiconductor 663 preferably has a certain thickness. The semiconductor 663 may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, for example. The semiconductor 663 preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the insulating film 652 and the like.

また、信頼性を高くするためには、半導体661は厚く、半導体663は薄いことが好ましい。半導体661は、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していればよい。半導体661の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体661との界面からチャネルの形成される半導体662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、半導体661は、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していればよい。   In order to increase reliability, the semiconductor 661 is preferably thick and the semiconductor 663 is preferably thin. The semiconductor 661 may have a region with a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 40 nm or more, and more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the semiconductor 661, the distance from the interface between the adjacent insulator and the semiconductor 661 to the semiconductor 662 where a channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the semiconductor 661 may have a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, more preferably 80 nm or less, for example.

例えば、半導体662と半導体661との間に、例えば、SIMS分析において、1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上2×1018atoms/cm未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体662と半導体663との間に、SIMSにおいて、1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上2×1018atoms/cm未満のシリコン濃度となる領域を有する。 For example, between the semiconductor 662 and the semiconductor 661, for example, in SIMS analysis, 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × It has a region having a silicon concentration of less than 10 18 atoms / cm 3 , more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . Further, between SIMS 662 and 663, in SIMS, 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms. It has a region having a silicon concentration of less than / cm 3 , more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 .

また、半導体662の水素濃度を低減するために、半導体661および半導体663の水素濃度を低減すると好ましい。半導体661および半導体663は、SIMSにおいて、1×1016atoms/cm以上2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体662の窒素濃度を低減するために、半導体661および半導体663の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体661および半導体663は、SIMSにおいて、1×1016atoms/cm以上5×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1017atoms/cm以下の窒素濃度となる領域を有する。 In addition, in order to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor 662, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor 661 and the semiconductor 663. The semiconductor 661 and the semiconductor 663 have a SIMS structure of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. More preferably, a region having a hydrogen concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 1 × 10 19 atoms / cm 3 is more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 5 × 10 18 atoms / cm 3. Have. In order to reduce the nitrogen concentration of the semiconductor 662, it is preferable to reduce the nitrogen concentrations of the semiconductor 661 and the semiconductor 663. The semiconductor 661 and the semiconductor 663 have a SIMS of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. More preferably, a region having a nitrogen concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 is more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 5 × 10 17 atoms / cm 3. Have.

上述の3層構造は一例である。例えば、半導体661または半導体663のない2層構造としても構わない。または、半導体661の上もしくは下、または半導体663上もしくは下に、半導体661、半導体662および半導体663として例示した半導体のいずれか一を有する4層構造としても構わない。または、半導体661の上、半導体661の下、半導体663の上、半導体663の下のいずれか二箇所以上に、半導体661、半導体662および半導体663として例示した半導体のいずれか一を有するn層構造(nは5以上の整数)としても構わない。   The above three-layer structure is an example. For example, a two-layer structure without the semiconductor 661 or the semiconductor 663 may be used. Alternatively, a four-layer structure including any one of the semiconductors 661, 662, and 663 as the semiconductor 663 may be provided above or below the semiconductor 661 or above or below the semiconductor 663. Alternatively, the n-layer structure includes any one of the semiconductors 661, the semiconductor 662, and the semiconductor exemplified as the semiconductor 663 in any two or more positions over the semiconductor 661, the semiconductor 661, the semiconductor 663, and the semiconductor 663. (N is an integer of 5 or more).

<トランジスタの作製方法>
以下では、図8で示したトランジスタ600の作製方法について、図10および図11で説明を行う。なお、図10および図11の左側には、トランジスタのチャネル長方向の断面図(図8(A)における、一点鎖線Y1−Y2方向の断面図)を示し、図10および図11の右側には、トランジスタのチャネル幅方向の断面図(図8(A)における、一点鎖線X1−X2方向の断面図)を示している。
<Method for Manufacturing Transistor>
Hereinafter, a method for manufacturing the transistor 600 illustrated in FIGS. 8A to 8C will be described with reference to FIGS. Note that a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor (a cross-sectional view in the direction of dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG. 8A) is shown on the left side of FIGS. 10 and 11, and on the right side of FIGS. FIG. 9A is a cross-sectional view of a transistor in a channel width direction (a cross-sectional view in the direction of dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 8A).

まず、基板640上に、絶縁膜651aを成膜し、導電膜674を形成した後、絶縁膜651bを成膜する(図10(A)参照)。   First, the insulating film 651a is formed over the substrate 640, the conductive film 674 is formed, and then the insulating film 651b is formed (see FIG. 10A).

基板640としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。   As the substrate 640, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a single semiconductor substrate such as silicon or germanium, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Furthermore, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there are a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, and the like. Further, there are a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided on a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided on a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate in which an element is provided may be used. Examples of the element provided on the substrate include a capacitor element, a resistor element, a switch element, a light emitting element, and a memory element.

また、基板640として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板640に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板640として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板640が伸縮性を有してもよい。また、基板640は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板640の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板640を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板640を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板640上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。   Further, a flexible substrate may be used as the substrate 640. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is a method in which after a transistor is formed over a non-flexible substrate, the transistor is peeled off and transferred to a substrate 640 which is a flexible substrate. In that case, a separation layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that a sheet, a film, a foil, or the like in which fibers are knitted may be used as the substrate 640. Further, the substrate 640 may have elasticity. Further, the substrate 640 may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Or you may have a property which does not return to an original shape. The thickness of the substrate 640 is, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate 640 is thinned, the semiconductor device can be reduced in weight. Further, by making the substrate 640 thin, it may have elasticity even when glass or the like is used, or may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact applied to the semiconductor device over the substrate 640 due to dropping or the like can be reduced. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可とう性基板である基板640としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板640は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板640としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板640として好適である。 As the substrate 640 which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fiber thereof can be used. The substrate 640 which is a flexible substrate is preferable because the deformation due to the environment is suppressed as the linear expansion coefficient is lower. As the substrate 640 which is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less is used. Good. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, acrylic, and polytetrafluoroethylene (PTFE). In particular, since aramid has a low coefficient of linear expansion, it is suitable for the substrate 640 that is a flexible substrate.

絶縁膜651aおよび絶縁膜651bに用いる材料として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、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の金属酸化物を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化物とは、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、窒化酸化物とは、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。   As a material used for the insulating film 651a and the insulating film 651b, a material containing silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or silicon nitride oxide is preferably used. Alternatively, a metal oxide such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, or hafnium oxynitride can be used. Note that in this specification, an oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and a nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

また、絶縁膜651aおよび絶縁膜651bとして、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てもよい。   Alternatively, the insulating film 651a and the insulating film 651b may be formed using silicon oxide with good step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) or silane with oxygen or nitrous oxide. Good.

絶縁膜651aおよび絶縁膜651b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)法等で成膜してもよい。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 651a and the insulating film 651b include 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, and the like), an MBE (Molecular Beam). Alternatively, a film may be formed by a method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) 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.

また、基板640に半導体基板を用いた場合、熱酸化膜で絶縁膜651aを形成してもよい。   In the case where a semiconductor substrate is used as the substrate 640, the insulating film 651a may be formed using a thermal oxide film.

導電膜674は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。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い。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。   The conductive film 674 includes copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel (Ni), Made of low resistance material such as chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) It is preferable to form a single layer or a stacked layer of a conductive film containing a single substance, an alloy, or a compound containing these as a main component. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.

導電膜674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。   The conductive film 674 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.

次に、絶縁膜651bの表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で平坦化する(図10(B)参照)。   Next, the surface of the insulating film 651b is planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method (see FIG. 10B).

また、絶縁膜651b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。   Further, a planarization film may be used as the insulating film 651b. 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.

なお、以降では、絶縁膜651aおよび絶縁膜651bをまとめて絶縁膜651と記載することにする。   Hereinafter, the insulating film 651a and the insulating film 651b are collectively referred to as an insulating film 651.

次に、絶縁膜656、絶縁膜652、半導体661および半導体662を成膜する(図10(C)参照)。   Next, an insulating film 656, an insulating film 652, a semiconductor 661, and a semiconductor 662 are formed (see FIG. 10C).

絶縁膜656および絶縁膜652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法等で成膜してもよい。   The insulating film 656 and the insulating film 652 may 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.

絶縁膜656は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有することが好ましい。絶縁膜656としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、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等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、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がある。   The insulating film 656 preferably has a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, or the like. As the insulating film 656, for example, a nitride insulating film can be used. Examples of the nitride insulating film include silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide. Note that an oxide insulating film may be provided instead of the nitride insulating film. Examples of the oxide insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, and the like include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and hafnium oxynitride.

絶縁膜652は、半導体660に酸素を供給することができる酸化物を含むことが好ましい。例えば、絶縁膜652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、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の金属酸化物を用いることもできる。   The insulating film 652 preferably contains an oxide that can supply oxygen to the semiconductor 660. For example, the insulating film 652 is preferably formed using a material containing silicon oxide or silicon oxynitride. Alternatively, a metal oxide such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, or hafnium oxynitride can be used.

絶縁膜652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652の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜652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 652 contain excessive oxygen, for example, the insulating film 652 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen may be introduced into the insulating film 652 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652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 652 that 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、水素およ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652を成膜した後、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。   Alternatively, after the insulating film 652 is formed, planarization treatment using a CMP method or the like may be performed in order to improve planarity of the upper surface.

半導体661と半導体662とは、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。半導体661および半導体662は、スパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。   The semiconductor 661 and the semiconductor 662 are preferably formed successively without being exposed to the air. The semiconductor 661 and the semiconductor 662 may 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, a PLD method, an ALD method, or the like.

半導体661および半導体662に用いることができる材料は、図8の半導体661および半導体662の記載を参照すればよい。   For the materials that can be used for the semiconductor 661 and the semiconductor 662, the description of the semiconductor 661 and the semiconductor 662 in FIGS.

なお、半導体661および半導体662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およ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 the semiconductor 661 and the semiconductor 662, trimethylindium, trimethylgallium, dimethylzinc, or the like may be used as a source gas. 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、半導体661を形成した後に、半導体661に酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の半導体661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 semiconductor 661 after the semiconductor 661 is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the semiconductor 661 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、水素およ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.

半導体661および半導体662を成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。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半導体661および半導体662を形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜652や酸化物膜から半導体に酸素が供給され、半導体中の酸素欠損を低減することができる。   Heat treatment is preferably performed after the semiconductor 661 and the semiconductor 662 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 semiconductor 661 and the semiconductor 662. By the heat treatment, oxygen is supplied from the insulating film 652 and the oxide film to the semiconductor, so that oxygen vacancies in the semiconductor can be reduced.

その後、レジストマスクを形成し、不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体661および島状の半導体662の積層構造を形成することができる(図10(D)参照)。なお、半導体膜のエッチングの際に、絶縁膜652の一部がエッチングされ、半導体661および半導体662に覆われていない領域における絶縁膜652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652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。   Thereafter, a resist mask is formed, and unnecessary portions are removed by etching. After that, by removing the resist mask, a stacked structure of the island-shaped semiconductor 661 and the island-shaped semiconductor 662 can be formed (see FIG. 10D). Note that when the semiconductor film is etched, part of the insulating film 652 is etched, and the insulating film 652 in a region not covered with the semiconductor 661 and the semiconductor 662 may be thinned. Therefore, it is preferable to form the insulating film 652 thick in advance so that the insulating film 652 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時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678として、導電膜を用いる例を示す。ハードマスク678を用いて半導体膜を加工し、半導体661および半導体662を形成する例を示す。(図10(E)参照)。   Note that, depending on the etching conditions of the semiconductor film, the resist may disappear during the etching, so a material having high etching resistance, for example, a so-called hard mask made of an inorganic film or a metal film may be used. Here, an example in which a conductive film is used as the hard mask 678 is described. An example in which a semiconductor film is processed using the hard mask 678 to form the semiconductor 661 and the semiconductor 662 is described. (See FIG. 10E).

ハードマスク678として、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。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い。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。   As the hard mask 678, copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel (Ni), Made of low resistance material such as chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) It is preferable to form a single layer or a stacked layer of a conductive film containing a single substance, an alloy, or a compound containing these as a main component. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.

また、ハードマスク678には、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、ストロンチウムルテナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好ましい。これらの導電性酸化物は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うことが少なく、酸化物半導体の酸素欠損を作りにくい。   The hard mask 678 is preferably formed using a conductive oxide containing a noble metal such as iridium oxide, ruthenium oxide, or strontium ruthenite. These conductive oxides hardly take oxygen from the oxide semiconductor even when in contact with the oxide semiconductor, and do not easily form oxygen vacancies in the oxide semiconductor.

ハードマスク678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。   The hard mask 678 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.

次に、レジストマスクを形成し、エッチングにより、ハードマスク678を、導電膜671および導電膜672に加工する(図11(A)参照)。ここで、ハードマスク678のエッチングの際に、半導体662や絶縁膜652の上部の一部がエッチングされ、導電膜671および導電膜672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662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, a resist mask is formed, and the hard mask 678 is processed into a conductive film 671 and a conductive film 672 by etching (see FIG. 11A). Here, when the hard mask 678 is etched, a part of the upper portion of the semiconductor 662 or the insulating film 652 is etched, and a portion that does not overlap with the conductive film 671 and the conductive film 672 may be thinned. Therefore, it is preferable that the thickness of the semiconductor 662 be formed in advance in consideration of the depth to be etched.

次に、半導体663および絶縁膜653を成膜する。その後、レジストマスクを形成し、エッチングにより加工し、その後レジストマスクを除去する(図11(B)参照)。   Next, a semiconductor 663 and an insulating film 653 are formed. After that, a resist mask is formed and processed by etching, and then the resist mask is removed (see FIG. 11B).

次に、導電膜673を成膜し、レジストマスクを形成し、エッチングにより該導電膜673を加工し、その後、レジストマスクを除去してゲート電極を形成する(図11(C)参照)。   Next, a conductive film 673 is formed, a resist mask is formed, the conductive film 673 is processed by etching, and then the resist mask is removed to form a gate electrode (see FIG. 11C).

半導体663、絶縁膜653および導電膜673は、スパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。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 semiconductor 663, the insulating film 653, and the conductive film 673 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, a MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, a PLD method, an ALD 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.

半導体663および絶縁膜653は、導電膜673形成後にエッチングしてもよい。エッチングは、例えばレジストマスクを用いて行えばよい。または、形成した導電膜673をマスクとして絶縁膜653および半導体663をエッチングしてもよい。   The semiconductor 663 and the insulating film 653 may be etched after the conductive film 673 is formed. Etching may be performed using a resist mask, for example. Alternatively, the insulating film 653 and the semiconductor 663 may be etched using the formed conductive film 673 as a mask.

また、半導体663を形成した後に、半導体663に酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の半導体663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 semiconductor 663 after the semiconductor 663 is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the semiconductor 663 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、水素およ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.

半導体663に用いることができる材料は、図8の半導体663の記載を参照すればよい。   For the material that can be used for the semiconductor 663, the description of the semiconductor 663 in FIGS.

絶縁膜653には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜653は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁膜653に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。   The insulating film 653 is formed using aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. One or more insulating films can be used. The insulating film 653 may be a stack of the above materials. Note that the insulating film 653 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as an impurity.

また、絶縁膜653の積層構造の一例について説明する。絶縁膜653は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。   An example of a stacked structure of the insulating film 653 will be described. The insulating film 653 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.

酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、等価酸化膜厚に対して物理的な膜厚を大きくできるため、等価酸化膜厚を10nm以下または5nm以下とした場合でも、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。   Hafnium oxide has a higher dielectric constant than silicon oxide or silicon oxynitride. Therefore, since the physical film thickness can be increased with respect to the equivalent oxide film thickness, the leakage current due to the tunnel current can be reduced even when the equivalent oxide film thickness is 10 nm or less or 5 nm or less. That is, a transistor with a small off-state current can be realized.

次に、絶縁膜654を形成する。絶縁膜654は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜654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 654 is formed. The insulating film 654 has a function of blocking oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, and the like. The insulating film 654 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 damage caused by plasma, the thermal CVD method, the MOCVD method, or the ALD method is preferable.

絶縁膜654は酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有することが好ましい。絶縁膜654としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、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等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、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がある。   The insulating film 654 preferably has a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, or the like. As the insulating film 654, for example, a nitride insulating film can be used. Examples of the nitride insulating film include silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide. Note that an oxide insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, or the like may be provided instead of the nitride insulating film. Examples of the oxide insulating film include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and hafnium oxynitride.

酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁膜654に適用するのに好ましい。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を半導体660に拡散させることもできる。   The aluminum oxide film is preferable for application to the insulating film 654 because the aluminum oxide film has a high blocking effect of preventing both the hydrogen and moisture impurities and oxygen from permeating through the film. In addition, oxygen contained in the aluminum oxide film can be diffused into the semiconductor 660.

絶縁膜654の成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。この加熱処理により、絶縁膜652等から半導体660に対して酸素を供給し、半導体660中の酸素欠損を低減することができる。また、このとき、絶縁膜652から脱離した酸素は、絶縁膜656および絶縁膜654によってブロックされるため、当該酸素を効果的に閉じ込めることができる。そのため半導体660に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体660中の酸素欠損を効果的に低減することができる。   Heat treatment is preferably performed after the insulating film 654 is formed. Through this heat treatment, oxygen can be supplied from the insulating film 652 and the like to the semiconductor 660, so that oxygen vacancies in the semiconductor 660 can be reduced. At this time, oxygen released from the insulating film 652 is blocked by the insulating film 656 and the insulating film 654, so that the oxygen can be effectively confined. Therefore, the amount of oxygen that can be supplied to the semiconductor 660 can be increased, and oxygen vacancies in the semiconductor 660 can be effectively reduced.

続いて、絶縁膜655を形成する。絶縁膜655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。また絶縁膜655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655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。   Subsequently, an insulating film 655 is formed. The insulating film 655 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. In the case where an organic insulating material such as an organic resin is used for the insulating film 655, a coating method such as a spin coating method may be used. Further, after the insulating film 655 is formed, planarization treatment is preferably performed on the top surface thereof.

絶縁膜655には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、絶縁膜655には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜655は上記材料の積層であってもよい。   The insulating film 655 includes aluminum oxide, aluminum nitride oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and hafnium oxide. An insulator containing one or more selected from tantalum oxide and the like can be used. The insulating film 655 can be formed using an organic resin such as a polyimide resin, a polyamide resin, an acrylic resin, a siloxane resin, an epoxy resin, or a phenol resin. The insulating film 655 may be a stack of the above materials.

<トランジスタの構成例2>
図8で示したトランジスタ600は、導電膜673をエッチングで形成する際に、半導体663および絶縁膜653を、同時にエッチングしてもよい。一例を図12に示す。
<Configuration Example 2 of Transistor>
In the transistor 600 illustrated in FIGS. 8A and 8B, the semiconductor 663 and the insulating film 653 may be etched at the same time when the conductive film 673 is formed by etching. An example is shown in FIG.

図12は、図8(B)において、導電膜673の下のみに、半導体663および絶縁膜653が存在する場合である。   FIG. 12 illustrates the case where the semiconductor 663 and the insulating film 653 exist only under the conductive film 673 in FIG.

<トランジスタの構成例3>
図8で示したトランジスタ600は、導電膜671および導電膜672が、半導体661の側面および半導体662の側面と接していてもよい。一例を図13に示す。
<Configuration Example 3 of Transistor>
In the transistor 600 illustrated in FIG. 8, the conductive film 671 and the conductive film 672 may be in contact with the side surface of the semiconductor 661 and the side surface of the semiconductor 662. An example is shown in FIG.

図13は、図8(B)において、導電膜671および導電膜672が、半導体661の側面および半導体662の側面と接している場合である。   FIG. 13 illustrates the case where the conductive film 671 and the conductive film 672 are in contact with the side surface of the semiconductor 661 and the side surface of the semiconductor 662 in FIG.

<トランジスタの構成例4>
図8で示したトランジスタ600は、導電膜671が、導電膜671aおよび導電膜671bの積層構造としてもよい。また、導電膜672が、導電膜672aおよび導電膜672bの積層構造としてもよい。一例として、図14に示す。
<Configuration Example 4 of Transistor>
In the transistor 600 illustrated in FIGS. 8A and 8B, the conductive film 671 may have a stacked structure of a conductive film 671a and a conductive film 671b. Alternatively, the conductive film 672 may have a stacked structure of a conductive film 672a and a conductive film 672b. An example is shown in FIG.

図14は、図8(B)において、導電膜671が、導電膜671aおよび導電膜671bの積層構造とし、導電膜672が、導電膜672aおよび導電膜672bの積層構造とした場合である。   FIG. 14 illustrates the case where the conductive film 671 has a stacked structure of conductive films 671a and 671b and the conductive film 672 has a stacked structure of conductive films 672a and 672b in FIG. 8B.

導電膜671bおよび導電膜672bとしては、例えば、透明導電体、酸化物半導体、窒化物半導体または酸化窒化物半導体を用いればよい。導電膜671bおよび導電膜672bとしては、例えば、インジウム、スズおよび酸素を含む膜、インジウムおよび亜鉛を含む膜、インジウム、タングステンおよび亜鉛を含む膜、スズおよび亜鉛を含む膜、亜鉛およびガリウムを含む膜、亜鉛およびアルミニウムを含む膜、亜鉛およびフッ素を含む膜、亜鉛およびホウ素を含む膜、スズおよびアンチモンを含む膜、スズおよびフッ素を含む膜またはチタンおよびニオブを含む膜などを用いればよい。または、これらの膜が水素、炭素、窒素、シリコン、ゲルマニウムまたはアルゴンを含んでも構わない。   As the conductive film 671b and the conductive film 672b, for example, a transparent conductor, an oxide semiconductor, a nitride semiconductor, or an oxynitride semiconductor may be used. Examples of the conductive film 671b and the conductive film 672b include a film containing indium, tin and oxygen, a film containing indium and zinc, a film containing indium, tungsten and zinc, a film containing tin and zinc, and a film containing zinc and gallium. A film containing zinc and aluminum, a film containing zinc and fluorine, a film containing zinc and boron, a film containing tin and antimony, a film containing tin and fluorine, or a film containing titanium and niobium may be used. Alternatively, these films may contain hydrogen, carbon, nitrogen, silicon, germanium, or argon.

導電膜671bおよび導電膜672bは、可視光線を透過する性質を有しても構わない。または、導電膜671bおよび導電膜672bは、可視光線、紫外線、赤外線もしくはX線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有しても構わない。このような性質を有することで、迷光によるトランジスタの電気特性の変動を抑制できる場合がある。   The conductive films 671b and 672b may have a property of transmitting visible light. Alternatively, the conductive film 671b and the conductive film 672b may have a property of not transmitting visible light, ultraviolet light, infrared light, or X-rays by reflection or absorption. By having such a property, a change in electrical characteristics of the transistor due to stray light may be suppressed in some cases.

また、導電膜671bおよび導電膜672bは、半導体662などとの間にショットキー障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタのオン特性を向上させることができる。   The conductive films 671b and 672b may preferably be formed using a layer that does not form a Schottky barrier with the semiconductor 662 or the like. Thus, the on-state characteristics of the transistor can be improved.

導電膜671aおよび導電膜672aとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。   As the conductive film 671a and the conductive film 672a, for example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, A conductor including one or more of silver, indium, tin, tantalum, and tungsten may be used in a single layer or a stacked layer. For example, it may be an alloy film or a compound film, and includes a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, titanium and nitrogen. A conductor or the like may be used.

なお、導電膜671bおよび導電膜672bは、導電膜671aおよび導電膜672aよりも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電膜671bおよび導電膜672bは、トランジスタのチャネルよりも低抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。例えば、導電膜671bおよび導電膜672bの抵抗率を、0.1Ωcm以上100Ωcm以下、0.5Ωcm以上50Ωcm以下、または1Ωcm以上10Ωcm以下とすればよい。導電膜671bおよび導電膜672bの抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、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。また、ドレインから生じる電界に起因したパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタにおいても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わらない回路構成であれば、導電膜671bおよび導電膜672bのいずれか一方のみ(例えば、ドレイン側)を配置するほうが好ましい場合がある。   Note that there may be a case where it is preferable that the conductive films 671b and 672b be higher resistance than the conductive films 671a and 672a. In some cases, the conductive film 671b and the conductive film 672b each preferably have a lower resistance than the channel of the transistor. For example, the resistivity of the conductive films 671b and 672b may be 0.1 Ωcm to 100 Ωcm, 0.5 Ωcm to 50 Ωcm, or 1 Ωcm to 10 Ωcm. By setting the resistivity of the conductive films 671b and 672b in the above range, electric field concentration at the boundary between the channel and the drain can be reduced. Therefore, variation in electrical characteristics of the transistor can be reduced. In addition, the punch-through current due to the electric field generated from the drain can be reduced. Therefore, saturation characteristics can be improved even in a transistor with a short channel length. Note that in a circuit configuration in which the source and the drain are not interchanged, it may be preferable to dispose only one of the conductive films 671b and 672b (for example, the drain side).

<トランジスタの構成例5>
図15(A)および図15(B)は、トランジスタ300の上面図および断面図である。図15(A)は上面図であり、図15(A)に示す一点鎖線A−B方向の断面が図15(B)に相当する。なお、図15(A)および図15(B)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線A−B方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
<Structure Example 5 of Transistor>
15A and 15B are a top view and a cross-sectional view of the transistor 300. FIG. FIG. 15A is a top view, and a cross section in the direction of dashed-dotted line AB in FIG. 15A corresponds to FIG. Note that in FIGS. 15A and 15B, some elements are illustrated in an enlarged, reduced, or omitted form for clarity. In addition, the direction of the alternate long and short dash line AB may be referred to as a channel length direction.

図15(B)に示すトランジスタ300は、第1のゲートとして機能する導電膜380と、第2のゲートとして機能する導電膜388と、半導体382と、ソースおよびドレインとして機能する導電膜383および導電膜384と、絶縁膜381と、絶縁膜385と、絶縁膜386と、絶縁膜387と、を有する。   A transistor 300 illustrated in FIG. 15B includes a conductive film 380 functioning as a first gate, a conductive film 388 functioning as a second gate, a semiconductor 382, a conductive film 383 functioning as a source and a drain, and a conductive film. A film 384, an insulating film 381, an insulating film 385, an insulating film 386, and an insulating film 387 are included.

導電膜380は、絶縁表面上に設けられる。導電膜380と、半導体382とは、絶縁膜381を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜388と、半導体382とは、絶縁膜385、絶縁膜386および絶縁膜387を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜383および導電膜384は、半導体382に、接続されている。   The conductive film 380 is provided over the insulating surface. The conductive film 380 and the semiconductor 382 overlap with each other with the insulating film 381 interposed therebetween. The conductive film 388 and the semiconductor 382 overlap with each other with the insulating film 385, the insulating film 386, and the insulating film 387 interposed therebetween. The conductive films 383 and 384 are connected to the semiconductor 382.

導電膜380および導電膜388の詳細は、図8に示す導電膜673および導電膜674の記載を参照すればよい。   For the details of the conductive films 380 and 388, the description of the conductive films 673 and 674 illustrated in FIGS.

導電膜380と導電膜388は、異なる電位が与えられてもよいし、同時に同じ電位が与えられてもよい。トランジスタ300は、第2のゲート電極として機能する導電膜388を設けることでしきい値を安定化させることが可能になる。なお、導電膜388は、場合によっては省略してもよい。   The conductive film 380 and the conductive film 388 may be supplied with different potentials or may be supplied with the same potential at the same time. In the transistor 300, the threshold value can be stabilized by providing the conductive film 388 functioning as the second gate electrode. Note that the conductive film 388 may be omitted depending on circumstances.

半導体382の詳細は、図8に示す半導体662の記載を参照すればよい。また、半導体382は、一層でも良いし、複数の半導体層の積層でも良い。   For the details of the semiconductor 382, the description of the semiconductor 662 illustrated in FIG. Further, the semiconductor 382 may be a single layer or a stacked layer of a plurality of semiconductor layers.

導電膜383および導電膜384の詳細は、図8に示す導電膜671および導電膜672の記載を参照すればよい。   For the details of the conductive films 383 and 384, the description of the conductive films 671 and 672 illustrated in FIGS.

絶縁膜381の詳細は、図8に示す絶縁膜653の記載を参照すればよい。   For the details of the insulating film 381, the description of the insulating film 653 illustrated in FIGS.

なお、図15(B)では、半導体382、導電膜383および導電膜384上に、順に積層された絶縁膜385乃至絶縁膜387が設けられている場合を例示しているが、半導体382、導電膜383および導電膜384上に設けられる絶縁膜は、一層でも良いし、複数の絶縁膜の積層でも良い。   Note that FIG. 15B illustrates the case where the insulating films 385 to 387 stacked in this order are provided over the semiconductor 382, the conductive film 383, and the conductive film 384; The insulating film provided over the film 383 and the conductive film 384 may be a single layer or a stack of a plurality of insulating films.

半導体382に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜386は、化学量論的組成以上の酸素が含まれており、加熱により上記酸素の一部を半導体382に供給する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、絶縁膜386を半導体382上に直接設けると、絶縁膜386の形成時に半導体382にダメージが与えられる場合、図15(B)に示すように、絶縁膜385を半導体382と絶縁膜386の間に設けると良い。絶縁膜385は、その形成時に半導体382に与えるダメージが絶縁膜386の場合よりも小さく、なおかつ、酸素を透過する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、半導体382に与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体382上に絶縁膜386を直接形成することができるのであれば、絶縁膜385は必ずしも設けなくとも良い。   In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor 382, the insulating film 386 is an insulating film that contains oxygen in a stoichiometric composition or more and has a function of supplying part of the oxygen to the semiconductor 382 by heating. It is desirable. However, in the case where the insulating film 386 is directly provided over the semiconductor 382 and the semiconductor 382 is damaged when the insulating film 386 is formed, the insulating film 385 is formed of the semiconductor 382 and the insulating film 386 as illustrated in FIG. It is good to provide in between. The insulating film 385 is desirably an insulating film that has less damage to the semiconductor 382 at the time of formation than the insulating film 386 and has a function of transmitting oxygen. Note that the insulating film 385 is not necessarily provided as long as the insulating film 386 can be formed directly over the semiconductor 382 while suppressing damage to the semiconductor 382.

例えば、絶縁膜386および絶縁膜385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、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の金属酸化物を用いることもできる。   For example, the insulating film 386 and the insulating film 385 are preferably formed using a material containing silicon oxide or silicon oxynitride. Alternatively, a metal oxide such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, or hafnium oxynitride can be used.

絶縁膜387は、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが望ましい。或いは、絶縁膜387は、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが望ましい。   The insulating film 387 desirably has a blocking effect that prevents diffusion of oxygen, hydrogen, and water. Alternatively, the insulating film 387 desirably has a blocking effect that prevents diffusion of hydrogen and water.

絶縁膜は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定であるほどより高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いて、形成することができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。   The insulating film exhibits a higher blocking effect as it is denser and denser, and as it is chemically stable with fewer dangling bonds. Examples of the insulating film that exhibits a blocking effect to prevent diffusion of oxygen, hydrogen, and water include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and hafnium oxynitride. Can be formed. For example, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like can be used as the insulating film exhibiting a blocking effect for preventing diffusion of hydrogen and water.

絶縁膜387が水、水素などの拡散を防ぐブロッキング効果を有する場合、パネル内の樹脂や、パネルの外部に存在する水、水素などの不純物が、半導体382に侵入するのを防ぐことができる。半導体382に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体に侵入した水または水素の一部は電子供与体(ドナー)となるため、上記ブロッキング効果を有する絶縁膜387を用いることで、トランジスタ300の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。   In the case where the insulating film 387 has a blocking effect for preventing diffusion of water, hydrogen, and the like, it is possible to prevent the resin in the panel and impurities such as water and hydrogen existing outside the panel from entering the semiconductor 382. In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor 382, part of water or hydrogen that has entered the oxide semiconductor becomes an electron donor (donor); therefore, the insulating film 387 having the above blocking effect is used, whereby the threshold value of the transistor 300 is obtained. The voltage can be prevented from shifting due to the generation of donors.

また、半導体382に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜387が酸素の拡散を防ぐブロッキング効果を有することで、酸化物半導体からの酸素が外部に拡散するのを防ぐことができる。よって、酸化物半導体中において、ドナーとなる酸素欠損が低減されるので、トランジスタ300の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。   In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor 382, the insulating film 387 has a blocking effect of preventing oxygen diffusion, so that oxygen from the oxide semiconductor can be prevented from diffusing to the outside. Thus, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor are reduced, so that the threshold voltage of the transistor 300 can be prevented from being shifted due to generation of donors.

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1および実施の形態2で示した、トランジスタM0が適用可能な記憶装置の一例について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a memory device to which the transistor M0 described in Embodiments 1 and 2 can be applied will be described.

図16(A)に示す半導体装置は、トランジスタM1と、トランジスタM0と、容量素子3400と、を有している。   The semiconductor device illustrated in FIG. 16A includes a transistor M1, a transistor M0, and a capacitor 3400.

トランジスタM0は、チャネル領域に酸化物半導体を有するトランジスタであることが好ましい。トランジスタM0は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。   The transistor M0 is preferably a transistor including an oxide semiconductor in a channel region. Since the transistor M0 has a small off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor M0. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.

図16(A)において、第1の配線3001はトランジスタM1のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタM1のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタM0のソース電極およびドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタM0のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタM1のゲート電極、およびトランジスタM0のソース電極およびドレイン電極の他方は、容量素子3400の第1の端子に電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の第2の端子に電気的に接続されている。   In FIG. 16A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor M1, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor M1. The third wiring 3003 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor M0, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to the gate electrode of the transistor M0. The other of the gate electrode of the transistor M1 and the source and drain electrodes of the transistor M0 is electrically connected to the first terminal of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is a second terminal of the capacitor 3400. Is electrically connected.

図16(A)に示す半導体装置では、トランジスタM1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、データの書き込み、保持、読み出しが可能である。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 16A, data can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor M1 can be held.

データの書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタM0がオン状態となる電位にして、トランジスタM0をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタM1のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタM1のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタM0がオフ状態となる電位にして、トランジスタM0をオフ状態とすることにより、トランジスタM1のゲートに与えられた電荷が保持される(保持)。   Data writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor M0 is turned on, so that the transistor M0 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the gate electrode of the transistor M1 and the capacitor 3400. That is, a predetermined charge is given to the gate of the transistor M1 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor M0 is turned off and the transistor M0 is turned off, so that the charge given to the gate of the transistor M1 is held (held).

トランジスタM0のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタM1のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。   Since the off-state current of the transistor M0 is extremely small, the charge of the gate of the transistor M1 is held for a long time.

次に、データの読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタM1のゲートに保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、トランジスタM1をnチャネル型とすると、トランジスタM1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M1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M1を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、トランジスタM1のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタM1は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタM1は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されているデータを読み出すことができる。 Next, data reading will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, according to the amount of charge held at the gate of the transistor M1, The second wiring 3002 has different potentials. In general, when the transistor M1 is an n-channel type, the apparent threshold value Vth_H when a high level charge is applied to the gate electrode of the transistor M1 is a low level charge applied to the gate electrode of the transistor M1. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of the case. Here, the apparent threshold voltage means a potential of the fifth wiring 3005 necessary for turning on the transistor M1. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to a potential V 0 between V th_H and V th_L , the charge given to the gate of the transistor M1 can be determined. For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor M1 is turned “on” when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (> V th_H ). When the low-level charge is applied, the transistor M1 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, the stored data can be read by determining the potential of the second wiring 3002.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルのデータのみを読み出せることが必要になる。このようにデータを読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタM1が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタM1が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only data of desired memory cells. In the case where data is not read out in this manner, the fifth wiring 3005 may be supplied with a potential at which the transistor M1 is turned off regardless of the state of the gate, that is, a potential lower than Vth_H . Alternatively , the fifth wiring 3005 may be supplied with a potential at which the transistor M1 is turned on regardless of the gate state, that is, a potential higher than V th_L .

図16(B)に示す半導体装置は、トランジスタM1を設けていない点で図16(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作によりデータの書き込みおよび保持動作が可能である。   The semiconductor device illustrated in FIG. 16B is different from FIG. 16A in that the transistor M1 is not provided. In this case, data can be written and held by the same operation as described above.

次に、図16(B)に示す半導体装置のデータの読み出しについて説明する。トランジスタM0がオン状態となると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の第1の端子の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。   Next, reading of data from the semiconductor device illustrated in FIG. When the transistor M0 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 3400 are brought into conduction, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400. As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in potential of the third wiring 3003 varies depending on the potential of the first terminal of the capacitor 3400 (or charge accumulated in the capacitor 3400).

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

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

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

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

本実施の形態に示す記憶装置は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF(Radio Frequency)デバイスにも応用可能である。   The storage device described in this embodiment can be applied to, for example, a CPU (Central Processing Unit), a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, a PLD (Programmable Logic Device), or an RF (Radio Frequency) device. is there.

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

(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態4で説明した記憶装置を含むCPU(中央演算処理装置)について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a CPU (central processing unit) including the storage device described in Embodiment 4 will be described.

図17は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。   FIG. 17 is a block diagram illustrating a configuration example of a CPU using at least part of the transistor described in the above embodiment.

図17に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図17に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図17に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。   17 includes an ALU 1191 (arithmetic logic unit (ALU)), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, and a bus interface 1198. (Bus I / F), a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189 (ROM I / F). As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 17 is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application. For example, the configuration including the CPU or the arithmetic circuit illustrated in FIG. 17 may be a single core, and a plurality of the cores may be included so that each core operates in parallel. Further, the number of bits that the CPU can handle with the internal arithmetic circuit or the data bus can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, or the like.

バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。   Instructions input to the CPU via the bus interface 1198 are input to the instruction decoder 1193, decoded, and then input to the ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195.

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行う。   The ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. The interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The register controller 1197 generates an address of the register 1196, and reads and writes the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。   In addition, the timing controller 1195 generates a signal for controlling the operation timing of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the internal clock signal CLK2 to the various circuits.

図17に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、実施の形態1に示したトランジスタ、または、実施の形態2に示した記憶装置を用いることができる。   In the CPU illustrated in FIG. 17, a memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in Embodiment 1 or the memory device described in Embodiment 2 can be used.

図17に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うか、を選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。   In the CPU shown in FIG. 17, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, whether to hold data by a flip-flop or hold data by a capacitor in a memory cell included in the register 1196 is selected. When data retention by the flip-flop is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When holding of data in the capacitor is selected, data is rewritten to the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.

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

(実施の形態6)
本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18に示す。
(Embodiment 6)
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18(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908等を有する。なお、図18(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。   FIG. 18A illustrates a portable game machine, which includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, speakers 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 18A includes the two display portions 903 and 904, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図18(B)は、携帯電話機であり、筐体911、表示部916、操作ボタン914、外部接続ポート913、スピーカー917、マイク912などを備えている。図18(B)に示す携帯電話機は、指などで表示部916に触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指などで表示部916に触れることにより行うことができる。また、操作ボタン914の操作により、電源のON、OFF動作や、表示部916に表示される画像の種類を切り替えることができる。例えば、メール作成画面から、メインメニュー画面に切り替えることができる。   FIG. 18B illustrates a mobile phone, which includes a housing 911, a display portion 916, operation buttons 914, an external connection port 913, a speaker 917, a microphone 912, and the like. Information can be input to the cellular phone illustrated in FIG. 18B by touching the display portion 916 with a finger or the like. Any operation such as making a call or inputting a character can be performed by touching the display portion 916 with a finger or the like. Further, the operation of the operation button 914 can switch the power ON / OFF operation and the type of image displayed on the display unit 916. For example, the mail creation screen can be switched to the main menu screen.

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

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

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

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

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態または実施例と適宜組み合わせることができる。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments or examples in this specification as appropriate.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を備えることができるRFデバイスの使用例について図19を用いながら説明する。RFデバイスの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図19(A)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図19(B)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図19(C)参照)、乗り物類(自転車等、図19(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図19(E)、図19(F)参照)等に設けて使用することができる。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of use of an RF device that can include the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Applications of RF devices are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident's card, etc., see FIG. 19A), recording media (DVD, video tape, etc.) 19B), packaging containers (wrapping paper, bottles, etc., see FIG. 19C), vehicles (bicycles etc., see FIG. 19D), 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. 19E and 19F) or the like.

本発明の一態様に係るRFデバイス4000は、プリント基板に表面に貼る、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デバイス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デバイス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デバイス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デバイス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 device 4000 according to one embodiment of the present invention is fixed to an article by being attached to a surface of a printed board or embedded therein. 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. Since the RF device 4000 according to one embodiment of the present invention achieves small size, thinness, and light weight, design properties of the article itself are not impaired even after the RF device 4000 is fixed to the article. In addition, by providing the RF device 4000 according to one embodiment of the present invention to bills, coins, securities, bearer bonds, or certificates, etc., an authentication function can be provided, and if this authentication function is utilized, Counterfeiting can be prevented. In addition, by attaching the RF device according to one embodiment of the present invention to packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, or electronic devices, the efficiency of inspection systems and the like 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 device 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デバイス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 device 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 that the maximum communication distance is 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.

次に、本発明の一態様の半導体装置を備えることができる表示装置の使用例について説明する。一例としては、表示装置は、画素を有する。画素は、例えば、トランジスタや表示素子を有する。または、表示装置は、画素を駆動する駆動回路を有する。駆動回路は、例えば、トランジスタを有する。例えば、これらのトランジスタとして、他の実施の形態で述べたトランジスタを採用することができる。   Next, an example of using a display device that can include the semiconductor device of one embodiment of the present invention is described. As an example, the display device includes a pixel. A pixel has a transistor and a display element, for example. Alternatively, the display device includes a driver circuit that drives pixels. The drive circuit includes, for example, a transistor. For example, the transistors described in other embodiments can be used as these transistors.

例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置の一例としては、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)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、など、電気磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有するものがある。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)または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、電子粉流体、また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。   For example, in this specification and the like, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. I can do it. As an example of a display element, a display device, a light emitting element, or a light emitting device, an EL (electroluminescence) element (an EL element including an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, red LED, green LED) , Blue LED, etc.), transistor (transistor that emits light in response to current), electron-emitting device, liquid crystal device, electronic ink, electrophoretic device, grating light valve (GLV), plasma display (PDP), MEMS (micro electro Display device using mechanical system), digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) device, shutter-type MEMS display device, MEMS display element of the interference type, electrowetting element, a piezoelectric ceramic display, or a carbon nanotube, etc., by an electric magnetic action, contrast, brightness, reflectance, etc. transmittance those having a display medium changes. An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using electronic ink, electronic powder fluid, 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、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。   Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples in this specification as appropriate.

(実施の形態8)
本実施の形態では、上記実施の形態で示した酸化物半導体を用いたトランジスタに適用可能な、酸化物半導体の結晶構造について説明を行う。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a crystal structure of an oxide semiconductor that can be applied to the transistor including the oxide semiconductor described in the above embodiment will be described.

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

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

<酸化物半導体の構造>
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
<Structure of oxide semiconductor>
Hereinafter, the structure of the oxide semiconductor is described.

酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体とに分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous like Oxide Semiconductor)、非晶質酸化物半導体などがある。   An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (Nanocrystalline Oxide Semiconductor), a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-liquid oxide OS) like Oxide Semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、nc−OSなどがある。   From another viewpoint, oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. Examples of a crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and an nc-OS.

非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。   As the definition of the amorphous structure, it is generally known that it is not fixed in a metastable state, isotropic and does not have a heterogeneous structure, and the like. Moreover, it can be paraphrased as a structure having a flexible bond angle and short-range order, but not long-range order.

逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、a−like OSは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。   In other words, an intrinsically stable oxide semiconductor cannot be referred to as a complete amorphous oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (eg, has a periodic structure in a minute region) cannot be referred to as a completely amorphous oxide semiconductor. However, the a-like OS has a periodic structure in a minute region, but has a void and an unstable structure. Therefore, it can be said that it is close to an amorphous oxide semiconductor in terms of physical properties.

<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
<CAAC-OS>
First, the CAAC-OS will be described.

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一つである。   The CAAC-OS is one of oxide semiconductors having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).

透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない。そのため、CAAC−OS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。   A plurality of pellets can be confirmed by observing a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a bright-field image and a diffraction pattern of a CAAC-OS with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). . On the other hand, in the high-resolution TEM image, the boundary between pellets, that is, the crystal grain boundary (also referred to as grain boundary) cannot be clearly confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS does not easily lower the electron mobility due to the crystal grain boundary.

以下では、TEMによって観察したCAAC−OSについて説明する。図20(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。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。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。   Hereinafter, a CAAC-OS observed with a TEM will be described. FIG. 20A shows a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS observed from a direction substantially parallel to the sample surface. For observation of the high-resolution TEM image, a spherical aberration correction function was used. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly referred to as a Cs-corrected high-resolution TEM image. Acquisition of a Cs-corrected high-resolution TEM image can be performed by, for example, an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

図20(A)の領域(1)を拡大したCs補正高分解能TEM像を図20(B)に示す。図20(B)より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、CAAC−OS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ており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。   FIG. 20B shows a Cs-corrected high-resolution TEM image obtained by enlarging the region (1) in FIG. FIG. 20B shows that metal atoms are arranged in layers in the pellet. The arrangement of each layer of metal atoms reflects unevenness on a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface where a CAAC-OS film is formed, and is parallel to the formation surface or upper surface of the CAAC-OS.

図20(B)に示すように、CAAC−OSは特徴的な原子配列を有する。図20(C)は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図20(B)および図20(C)より、ペレット一つの大きさは1nm以上3nm以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは0.8nm程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。   As shown in FIG. 20B, the CAAC-OS has a characteristic atomic arrangement. FIG. 20C shows a characteristic atomic arrangement with auxiliary lines. 20B and 20C, it can be seen that the size of one pellet is about 1 nm to 3 nm, and the size of the gap generated by the inclination between the pellet and the pellet is about 0.8 nm. Therefore, the pellet can also be referred to as a nanocrystal (nc). In addition, the CAAC-OS can be referred to as an oxide semiconductor including CANC (C-Axis aligned nanocrystals).

ここで、Cs補正高分解能TEM像をもとに、基板5120上のCAAC−OSのペレット5100の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる(図20(D)参照。)。図20(C)で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図20(D)に示す領域5161に相当する。   Here, based on the Cs-corrected high-resolution TEM image, the arrangement of the CAAC-OS pellets 5100 on the substrate 5120 is schematically shown to be a structure in which bricks or blocks are stacked (FIG. 20D). reference.). A portion where an inclination is generated between the pellets observed in FIG. 20C corresponds to a region 5161 illustrated in FIG.

また、図21(A)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図21(A)の領域(1)、領域(2)および領域(3)を拡大したCs補正高分解能TEM像を、それぞれ図21(B)、図21(C)および図21(D)に示す。図21(B)、図21(C)および図21(D)より、ペレットは、金属原子が三角形状、四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、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。   FIG. 21A shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of the plane of the CAAC-OS observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface. The Cs-corrected high-resolution TEM images obtained by enlarging the region (1), the region (2), and the region (3) in FIG. 21A are shown in FIGS. Show. From FIG. 21B, FIG. 21C, and FIG. 21D, it can be confirmed that the metal atoms are arranged in a triangular shape, a quadrangular shape, or a hexagonal shape in the pellet. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different pellets.

次に、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図22(A)に示すように回折角(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。 Next, the CAAC-OS analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) will be described. For example, when structural analysis by an out-of-plane method is performed on a CAAC-OS including an InGaZnO 4 crystal, a peak appears when the diffraction angle (2θ) is around 31 ° as illustrated in FIG. There is. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS crystal has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. It can be confirmed.

なお、CAAC−OSのout−of−plane法による構造解析では、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。より好ましいCAAC−OSは、out−of−plane法による構造解析では、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。   Note that in structural analysis of the CAAC-OS by an out-of-plane method, in addition to a peak where 2θ is around 31 °, a peak may also appear when 2θ is around 36 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS. In a more preferable CAAC-OS, in the structural analysis by the out-of-plane method, 2θ has a peak in the vicinity of 31 °, and 2θ has no peak in the vicinity of 36 °.

一方、CAAC−OSに対し、c軸に略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OSの場合は、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)を行っても、図22(B)に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、InGaZnOの単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図22(C)に示すように(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。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。 On the other hand, when structural analysis is performed on the CAAC-OS by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak appears at 2θ of around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of CAAC-OS, even if 2θ is fixed at around 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), FIG. A clear peak does not appear as shown. On the other hand, in the case of a single crystal oxide semiconductor of InGaZnO 4 , when 2φ is fixed at around 56 ° and φ scan is performed, it belongs to a crystal plane equivalent to the (110) plane as shown in FIG. 6 peaks are observed. Therefore, structural analysis using XRD can confirm that the CAAC-OS has irregular orientations in the a-axis and the b-axis.

次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図23(A)に示すような回折パターン(制限視野透過電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットが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わかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図23(B)に示す。図23(B)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図23(B)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図23(B)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。 Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal in parallel with the sample surface, a diffraction pattern (a limited-field transmission electron diffraction pattern as shown in FIG. 23A) is obtained. Say) may appear. This diffraction pattern includes spots caused by the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, electron diffraction shows that the pellets included in the CAAC-OS have c-axis alignment, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 23B shows a diffraction pattern obtained when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample in a direction perpendicular to the sample surface. A ring-shaped diffraction pattern is confirmed from FIG. Therefore, electron diffraction shows that the a-axis and the b-axis of the pellet included in the CAAC-OS have no orientation. Note that the first ring in FIG. 23B is considered to originate from the (010) plane and the (100) plane of InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 23B is considered to be due to the (110) plane or the like.

上述したように、CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をするとCAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。   As described above, the CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated by entry of impurities, generation of defects, or the like, in reverse, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies).

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体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、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、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、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。   Note that the impurity means an element other than the main components of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. For example, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element included in an oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen, thereby reducing crystallinity. It becomes a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and decreases crystallinity.

酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。   In the case where an oxide semiconductor has impurities or defects, characteristics may fluctuate due to light, heat, or the like. For example, an impurity contained in the oxide semiconductor might serve as a carrier trap or a carrier generation source. In addition, oxygen vacancies in the oxide semiconductor may serve as carrier traps or may serve as carrier generation sources by capturing hydrogen.

不純物および酸素欠損の少ないCAAC−OSは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、キャリア密度を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以上とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。 A CAAC-OS with few impurities and oxygen vacancies is an oxide semiconductor with low carrier density. Specifically, the carrier density 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 1 × 10 −9 / cm 3. This can be done. Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. The CAAC-OS has a low impurity concentration and a low density of defect states. That is, it can be said that the oxide semiconductor has stable characteristics.

<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
<Nc-OS>
Next, the nc-OS will be described.

nc−OS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。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。nc−OS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。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。   The nc-OS has 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 many cases, a crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm. Note that an oxide semiconductor in which the size of a crystal part is greater than 10 nm and less than or equal to 100 nm is sometimes referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. For example, the nc-OS may not be able to clearly confirm a crystal grain boundary in a high-resolution TEM image. Note that the nanocrystal may have the same origin as the pellet in the CAAC-OS. Therefore, the crystal part of nc-OS is sometimes referred to as a pellet below.

nc−OS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は、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OSに対し、ペレットよりも大きい径のX線を用いた場合、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、nc−OSに対し、ペレット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に対し、ペレットの大きさと近いかペレット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。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。   The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method. For example, when an X-ray having a diameter larger than that of the pellet is used for nc-OS, a peak indicating a crystal plane is not detected in the analysis by the out-of-plane method. Further, when electron diffraction using an electron beam having a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the pellet is performed on the nc-OS, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. On the other hand, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS using an electron beam having a probe diameter that is close to the pellet size or smaller than the pellet size, spots are observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a region with high luminance may be observed like a circle (in a ring shape). Furthermore, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.

このように、ペレット(ナノ結晶)間では結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。   Thus, since the crystal orientation does not have regularity between pellets (nanocrystals), nc-OS has an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned Nanocrystals) or NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called an oxide semiconductor.

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

<a−like OS>
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
<A-like OS>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.

a−like OS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。   In the a-like OS, 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.

鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。   Since it has a void, the a-like OS has an unstable structure. Hereinafter, in order to show that the a-like OS has an unstable structure as compared with the CAAC-OS and the nc-OS, changes in the structure due to electron irradiation are shown.

電子照射を行う試料として、a−like OS(試料Aと表記する。)、nc−OS(試料Bと表記する。)およびCAAC−OS(試料Cと表記する。)を準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。   As samples for electron irradiation, a-like OS (referred to as sample A), nc-OS (referred to as sample B), and CAAC-OS (referred to as sample C) are prepared. Each sample is an In—Ga—Zn oxide.

まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。   First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. It can be seen from the high-resolution cross-sectional TEM image that each sample has a crystal part.

なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、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ことが知られている。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。したがって、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnOの結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、InGaZnOの結晶のa−b面に対応する。 The determination of which part is regarded as one crystal part may be performed as follows. For example, the unit cell of an InGaZnO 4 crystal has a structure in which three In—O layers and six Ga—Zn—O layers have a total of nine layers stacked in the c-axis direction. Are known. The spacing between these adjacent layers is about 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, a portion where the interval between lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less can be regarded as a crystal part of InGaZnO 4 . Note that the lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.

図24は、各試料の結晶部(22箇所から45箇所)の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図24より、a−like OSは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図24中に(1)で示すように、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、累積照射量が4.2×10/nmにおいては2.6nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10/nmまでの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図24中の(2)および(3)で示すように、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.4nm程度および2.1nm程度であることがわかる。 FIG. 24 is an example in which the average size of the crystal parts (from 22 to 45) of each sample was examined. However, the length of the lattice fringes described above is the size of the crystal part. From FIG. 24, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger according to the cumulative dose of electrons. Specifically, as shown by (1) in FIG. 24, the crystal portion (also referred to as initial nucleus) which was about 1.2 nm in the initial stage of observation by TEM has a cumulative irradiation dose of 4.2. It can be seen that the film grows to a size of about 2.6 nm at × 10 8 e / nm 2 . On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, there is no change in the size of the crystal part in the range of the cumulative electron dose from the start of electron irradiation to 4.2 × 10 8 e / nm 2. I understand. Specifically, as indicated by (2) and (3) in FIG. 24, the crystal part sizes of the nc-OS and the CAAC-OS are about 1.4 nm, respectively, regardless of the cumulative electron dose. And about 2.1 nm.

このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。   As described above, in the a-like OS, a crystal part may be grown by electron irradiation. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, the crystal part is hardly grown by electron irradiation. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure compared to the nc-OS and the CAAC-OS.

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。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満となる。単結晶の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。   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. Further, the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS are 92.3% or more and less than 100% of the density of the single crystal having the same composition. An oxide semiconductor that is less than 78% of the density of a single crystal is difficult to form.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの密度は6.357g/cmとなる。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、a−like OSの密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満となる。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm以上6.3g/cm未満となる。 For example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Thus, for example, in an oxide semiconductor that satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of a-like OS is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3. . For example, in the oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS is 5.9 g / cm 3 or more and 6.3 g / less than cm 3 .

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成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.

以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。   As described above, oxide semiconductors have various structures and various properties. Note that the oxide semiconductor may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS, for example.

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

本実施例では、単結晶シリコンを半導体膜に用いた第1のトランジスタ、酸化物半導体を半導体膜に用いた第2のトランジスタ、容量素子を有する半導体装置のデータ保持特性について評価した。   In this example, data retention characteristics of a first transistor using single crystal silicon as a semiconductor film, a second transistor using an oxide semiconductor as a semiconductor film, and a semiconductor device having a capacitor were evaluated.

まず、半導体装置の評価回路について説明する。   First, an evaluation circuit for a semiconductor device will be described.

<評価回路の構成>
評価回路には、図5に示す構成と同様のものを用いた。第1のトランジスタはトランジスタM1およびトランジスタM2、第2のトランジスタはトランジスタM0、容量素子は容量素子Csに相当する。また、トランジスタM1およびトランジスタM2はpチャネル型のトランジスタである。
<Configuration of evaluation circuit>
An evaluation circuit having the same configuration as that shown in FIG. 5 was used. The first transistor corresponds to the transistor M1 and the transistor M2, the second transistor corresponds to the transistor M0, and the capacitor corresponds to the capacitor Cs. The transistors M1 and M2 are p-channel transistors.

評価回路のトランジスタのチャネル長L、チャネル幅Wの設計値は以下のとおりである。トランジスタM0のL/Wは0.8μm/0.8μm、トランジスタM1のL/Wは0.35μm/2.2μm、トランジスタM2のL/Wは0.35μm/2.2μmである。   Design values of the channel length L and the channel width W of the transistors in the evaluation circuit are as follows. The L / W of the transistor M0 is 0.8 μm / 0.8 μm, the L / W of the transistor M1 is 0.35 μm / 2.2 μm, and the L / W of the transistor M2 is 0.35 μm / 2.2 μm.

<デバイス構造>
図25に評価回路のデバイス構造を示す。図25は、評価回路を特定の線で切った断面図ではなく、評価回路の層構造、接続構造等の理解が容易になるように表した断面図である。
<Device structure>
FIG. 25 shows a device structure of the evaluation circuit. FIG. 25 is not a cross-sectional view of the evaluation circuit cut along a specific line, but a cross-sectional view that facilitates understanding of the layer structure, connection structure, and the like of the evaluation circuit.

トランジスタM1、トランジスタM2は、プラナー型であり、SOI型半導体基板に作製されている。基板500は単結晶シリコンであり、絶縁膜501はシリコン酸化物膜である。1つの単結晶シリコン層520に、トランジスタM1、トランジスタM2のチャネル領域、ソース領域、ドレイン領域が形成されている。   The transistors M1 and M2 are planar types and are manufactured on an SOI type semiconductor substrate. The substrate 500 is single crystal silicon, and the insulating film 501 is a silicon oxide film. In one single crystal silicon layer 520, channel regions, source regions, and drain regions of the transistors M1 and M2 are formed.

トランジスタM0および容量素子Csは、トランジスタM1、トランジスタM2上に積層されている。評価回路は、絶縁膜502乃至絶縁膜511および、7層の配線層を有する。第1の配線層乃至第7の配線層に形成された導電層により、図5のように、トランジスタM0、トランジスタM1、トランジスタM2および容量素子Csが配線される。   The transistor M0 and the capacitor Cs are stacked on the transistor M1 and the transistor M2. The evaluation circuit includes the insulating films 502 to 511 and seven wiring layers. As shown in FIG. 5, the transistor M0, the transistor M1, the transistor M2, and the capacitor Cs are wired by the conductive layers formed in the first to seventh wiring layers.

第1の配線層には、導電層531_1乃至導電層531_2が形成されている。第2の配線層には導電層532_1乃至導電層532_4が形成されている。第3の配線層には導電層533_1乃至導電層533_5が形成されている。第4配線層には導電層534_1乃至導電層534_2が形成されている。第5配線層には導電層535_1乃至導電層535_2が形成されている。第6配線層には導電層536_1乃至導電層536_7が形成されている。第7配線層には導電層537_1乃至導電層537_8が形成されている。導電層(537_1、_3、_4、_5、_7、_8)は、それぞれ、端子(SL、RWL、BL、WWL、容量素子の端子、VBG)となる部分を有する。なお、導電層537_4と導電層537_6は電気的に接続されている。   Conductive layers 531_1 to 531_2 are formed in the first wiring layer. Conductive layers 532_1 to 532_4 are formed in the second wiring layer. Conductive layers 533_1 to 533_5 are formed in the third wiring layer. Conductive layers 534_1 to 534_2 are formed in the fourth wiring layer. Conductive layers 535_1 to 535_2 are formed in the fifth wiring layer. Conductive layers 536_1 to 536_7 are formed in the sixth wiring layer. Conductive layers 537_1 to 537_8 are formed in the seventh wiring layer. The conductive layers (537_1, _3, _4, _5, _7, and _8) each include a portion to be a terminal (SL, RWL, BL, WWL, a capacitor element terminal, VBG). Note that the conductive layer 537_4 and the conductive layer 537_6 are electrically connected.

トランジスタM0は、図8に示すトランジスタ600と同様の構成を有しており、s−channel構造のトランジスタである。トランジスタM0の半導体は酸化物半導体層540_1乃至酸化物半導体層540_3を有する。酸化物半導体層540_1乃至酸化物半導体層540_3は、In−Ga−Zn酸化物でなるスパッタリング法で成膜した、In−Ga−Zn酸化物を有する。スパッタリングターゲットの原子数比(In:Ga:Zn)は、酸化物半導体層540_1が1:3:4であり、酸化物半導体層540_2が1:1:1であり、酸化物半導体層540_3が1:3:2である。   The transistor M0 has a structure similar to that of the transistor 600 illustrated in FIG. 8, and has a s-channel structure. The semiconductor of the transistor M0 includes an oxide semiconductor layer 540_1 to an oxide semiconductor layer 540_3. The oxide semiconductor layers 540_1 to 540_3 each include an In—Ga—Zn oxide formed by a sputtering method including an In—Ga—Zn oxide. The atomic ratio (In: Ga: Zn) of the sputtering target is 1: 3: 4 for the oxide semiconductor layer 540_1, 1: 1: 1 for the oxide semiconductor layer 540_2, and 1 for the oxide semiconductor layer 540_3. : 3: 2.

容量素子CsはMIM型であり、導電層535_2、酸化物半導体層540_3、絶縁膜507、および導電層534_2を有する。導電層535_2はノードFNに含まれる。   The capacitor Cs is an MIM type and includes a conductive layer 535_2, an oxide semiconductor layer 540_3, an insulating film 507, and a conductive layer 534_2. The conductive layer 535_2 is included in the node FN.

導電層534_1、導電層534_2は、膜厚10nmの窒化チタンと厚さ30nmのタングステンとの積層でなる。導電層535_1、導電層535_2は、厚さ30nmのタングステンでなる。導電層535_2は、図示しない第6の配線層の導電体と接している。導電層537_2は当該導電体と接している。このような配線構造によって、容量素子CsがトランジスタM1のゲート電極に電気的に接続されている。   The conductive layers 534_1 and 534_2 are each formed of a stack of titanium nitride with a thickness of 10 nm and tungsten with a thickness of 30 nm. The conductive layers 535_1 and 535_2 are made of tungsten with a thickness of 30 nm. The conductive layer 535_2 is in contact with a conductor of a sixth wiring layer (not shown). The conductive layer 537_2 is in contact with the conductor. With such a wiring structure, the capacitive element Cs is electrically connected to the gate electrode of the transistor M1.

絶縁膜507は、厚さ10nmの酸化窒化シリコンでなる。絶縁膜505、絶縁膜508は、酸素、水素、水等のブロッキング効果を持たせるため、スパッタ法で成膜された酸化アルミニウムでなる。絶縁膜505の厚さは50nmであり、絶縁膜508の厚さは50nmである。   The insulating film 507 is made of silicon oxynitride having a thickness of 10 nm. The insulating films 505 and 508 are made of aluminum oxide formed by a sputtering method so as to have a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, or the like. The thickness of the insulating film 505 is 50 nm, and the thickness of the insulating film 508 is 50 nm.

導電層533_5は、トランジスタM0のチャネルと重なり、バックゲートとして機能させることが可能な位置に配置されている。絶縁膜504は厚さ600nmの酸化シリコンでなり、絶縁膜505は厚さ300nmの酸化窒化シリコンでなる。また、導電層533_5は、第5の配線層および第6の配線層の導電層(図示せず)により導電層537_8に電気的に接続されている。   The conductive layer 533_5 overlaps with the channel of the transistor M0 and is disposed at a position where it can function as a back gate. The insulating film 504 is made of silicon oxide with a thickness of 600 nm, and the insulating film 505 is made of silicon oxynitride with a thickness of 300 nm. In addition, the conductive layer 533_5 is electrically connected to the conductive layer 537_8 through conductive layers (not illustrated) of the fifth wiring layer and the sixth wiring layer.

<データ保持>
上記デバイス構造において、ノードFNにデータを書き込む動作を行う。書き込み動作では、まず、150℃で加熱処理行う。次に、この加熱処理を行ったまま、端子BLに1.8V(データ1に対応)または0V(接地電位、データ0に対応)、端子RWLに1.2V、端子VBGに−5V、端子SLに0V(接地電位)をそれぞれ与えた。次に、端子WWLに3.3Vを与えた。一定期間、端子WWLに3.3Vを与えた後、端子VBG以外の端子を0V(接地電位)としてデータ保持状態とした。また、加熱処理時間は、50時間刻みで0時間から250時間まで行った。加熱処理後、150℃でデータを0時間、1時間、5時間、10時間、50時間保持した。
<Data retention>
In the device structure, data is written to the node FN. In the writing operation, first, heat treatment is performed at 150 ° C. Next, while this heat treatment is performed, the terminal BL is 1.8V (corresponding to data 1) or 0V (ground potential, corresponding to data 0), the terminal RWL is 1.2V, the terminal VBG is -5V, and the terminal SL. 0V (ground potential) was applied to each. Next, 3.3 V was applied to the terminal WWL. After 3.3 V was applied to the terminal WWL for a certain period, terminals other than the terminal VBG were set to 0 V (ground potential) to enter a data holding state. The heat treatment time was from 0 hour to 250 hours in 50 hour increments. After the heat treatment, the data was held at 150 ° C. for 0 hour, 1 hour, 5 hours, 10 hours, and 50 hours.

同様にして、上記回路を合計1040個(65行×16列)配置し、各回路のノードFNにデータを保持した。なお、このとき、データ1を保持するノードFNの隣(前後左右)のノードFNは、データ0を保持するようにした。具体的には、n行目m列(以降n、mと表記する。)がデータ1を保持するとき、(n−1、m)、(n+1、m)、(n、m−1)、(n、m+1)はデータ0を保持する。このようにすることで、後で保持データを評価するとき、行または列で不具合が生じていないかを把握することができる。   Similarly, a total of 1040 circuits (65 rows × 16 columns) are arranged, and data is held in the node FN of each circuit. At this time, the node FN adjacent to the node FN that holds the data 1 (front, back, left, and right) holds the data 0. Specifically, when the n-th row and m-th column (hereinafter referred to as n and m) holds data 1, (n−1, m), (n + 1, m), (n, m−1), (N, m + 1) holds data 0. In this way, when the retained data is evaluated later, it is possible to grasp whether a defect has occurred in the row or the column.

<評価>
次に、ノードFNの電荷の保持特性を評価した。
<Evaluation>
Next, the charge retention characteristics of the node FN were evaluated.

まず、端子SLに与える電圧を少しずつ変更した。ここでは、端子SLに与える電圧(以降、読み出し回路電圧値:VRMともいう)を1.00Vから2.40Vまで0.02V刻みで変更した。変更毎にノードFNに保持されたデータを読み出して確認した。   First, the voltage applied to the terminal SL was changed little by little. Here, the voltage applied to the terminal SL (hereinafter also referred to as a read circuit voltage value: VRM) was changed from 1.00 V to 2.40 V in increments of 0.02 V. The data held in the node FN was read and confirmed for every change.

次に、読み出されたデータが保持されたデータと同じである確率(データ保持率ともいう)とVRMの対応関係の、データ保持のときの加熱時間の依存性について評価した。なお、データ保持率は、全て(1040個)のデータのうち、正常にデータが保持できていた個数の確率を示している。   Next, the dependence of the correspondence between the probability that the read data is the same as the retained data (also referred to as a data retention rate) and the VRM on the heating time during data retention was evaluated. The data retention rate indicates the probability of the number of data that can be normally retained among all (1040) data.

図26に評価結果を示す。また、図27に、データ1保持不良率とVRMの対応関係の、データ保持のときの加熱処理の時間(以降、加熱時間ともいう)の依存性の評価結果を示し、図28に、データ0保持不良率とVRMの対応関係の、データ保持のときの加熱時間の依存性の評価結果を示す。   FIG. 26 shows the evaluation results. FIG. 27 shows an evaluation result of the dependency of the correspondence relationship between the data 1 retention failure rate and the VRM on the time of heat treatment during data retention (hereinafter also referred to as heating time), and FIG. The evaluation result of the dependence of the heating time at the time of data retention of the correspondence relationship between the retention failure rate and VRM is shown.

なお、図26および図27のVRMが1V近傍の急激な変化は、トランジスタM1または/およびトランジスタM2の非動作による不良によって生じた。   26 and FIG. 27 is caused by a failure due to non-operation of the transistor M1 and / or the transistor M2 when the VRM in FIG.

図26および図27より、データ保持のときの加熱時間が長いほどデータの読み取りが可能なVRMが高くなっており、つまり電荷のリークが減っており、データの抜けが抑制されている。また、データ1が全てデータ0となるデータ不良が起こる「データ1保持不良率が100%」となるVRMとデータ保持のときの加熱時間の対応関係に着目すると、加熱処理を50時間以上行うことでVRMが加熱処理をしない(加熱時間が0時間)ものより高くなり、データの保持特性を向上させることができる。なお、加熱時間を150時間より長く行ってもデータの保持特性をより向上させることは確認できなかった。よって、加熱処理は、50時間以上150時間以下行うことが好ましく、100時間以上150時間以下行うことがさらに好ましいことが分かった。   26 and 27, the longer the heating time during data holding, the higher the VRM at which data can be read, that is, the charge leakage is reduced, and data omission is suppressed. In addition, when attention is paid to the correspondence between the VRM in which data failure occurs in which all data 1 becomes data 0 and the “data 1 retention failure rate is 100%” and the heating time at the time of data retention, the heat treatment is performed for 50 hours or more. Thus, the VRM is higher than that in which the heat treatment is not performed (heating time is 0 hour), and the data retention characteristics can be improved. It was not confirmed that the data retention characteristics were improved even when the heating time was longer than 150 hours. Therefore, it was found that the heat treatment is preferably performed for 50 hours or longer and 150 hours or shorter, and more preferably performed for 100 hours or longer and 150 hours or shorter.

また、図28より、データ0保持不良率は、評価を行った全ての加熱時間や保持時間においても小さいことが確認できた。   Further, from FIG. 28, it was confirmed that the data 0 retention failure rate was small in all the heating times and retention times evaluated.

また、VRMを固定したときの、不良率(データ0保持不良またはデータ1保持不良の確率)の経時変化の加熱時間の依存性について評価した。なお、VRMが1.2V、1.7V、1.9Vの3条件で評価した。   In addition, the dependency of the change over time in the failure rate (probability of data 0 retention failure or data 1 retention failure) when the VRM is fixed was evaluated. The VRM was evaluated under three conditions of 1.2V, 1.7V, and 1.9V.

図29より、加熱処理の時間を長くするほど不良率の上昇を抑制していることが分かった。また、VRMが1.2Vでは加熱処理が50時間以上であると保持時間を長くしても不良率はほとんど変化しないことが分かった。また、VRMが1.7Vでは加熱処理が100時間以上であると不良率の急激な上昇を抑えられ、保持時間が50時間のときに不良率が10%未満であることが確認できた。以上より、VRMは、1.2V以上1.7V以下であることが好ましいことが分かった。   From FIG. 29, it was found that the increase in the defect rate was suppressed as the heat treatment time was increased. Further, it was found that when the VRM is 1.2 V, the defective rate hardly changes even if the holding time is increased when the heat treatment is 50 hours or longer. In addition, when the VRM is 1.7 V, when the heat treatment is 100 hours or more, a rapid increase in the defect rate can be suppressed, and it has been confirmed that the defect rate is less than 10% when the holding time is 50 hours. From the above, it was found that VRM is preferably 1.2 V or more and 1.7 V or less.

また、上記のVRMの範囲において、50時間保持したデータの不良率は同条件で10時間保持したデータの不良率の5倍未満であることが分かった。また、加熱処理を250時間行いつつ、保持したデータの不良率は8%未満であることが分かった。   In addition, within the above VRM range, it was found that the defect rate of data held for 50 hours was less than five times the defect rate of data held for 10 hours under the same conditions. Further, it was found that the defective rate of the retained data was less than 8% while performing the heat treatment for 250 hours.

本実施例では、実施例1と同様に単結晶シリコンを半導体膜に用いた第1のトランジスタ、酸化物半導体を半導体膜に用いた第2のトランジスタ、容量素子を有する半導体装置のデータ保持の寿命について評価した。   In this embodiment, as in Embodiment 1, the first transistor using single crystal silicon as a semiconductor film, the second transistor using an oxide semiconductor as a semiconductor film, and the data retention life of a semiconductor device having a capacitor element are used. Was evaluated.

まず、半導体装置の評価回路について説明する。   First, an evaluation circuit for a semiconductor device will be described.

<評価回路の構成>
評価回路には、図4に示す構成と同様のものを用いた。第1のトランジスタはトランジスタM1およびトランジスタM2、第2のトランジスタはトランジスタM0、容量素子は容量素子Csに相当する。また、トランジスタM1およびトランジスタM2はpチャネル型のトランジスタである。
<Configuration of evaluation circuit>
The same evaluation circuit as that shown in FIG. 4 was used. The first transistor corresponds to the transistor M1 and the transistor M2, the second transistor corresponds to the transistor M0, and the capacitor corresponds to the capacitor Cs. The transistors M1 and M2 are p-channel transistors.

評価回路のトランジスタのチャネル長L、チャネル幅Wの設計値は以下のとおりである。トランジスタM0のL/Wは0.8μm/0.8μm、トランジスタM1のL/Wは0.35μm/2.2μm、トランジスタM2のL/Wは0.35μm/2.2μmである。   Design values of the channel length L and the channel width W of the transistors in the evaluation circuit are as follows. The L / W of the transistor M0 is 0.8 μm / 0.8 μm, the L / W of the transistor M1 is 0.35 μm / 2.2 μm, and the L / W of the transistor M2 is 0.35 μm / 2.2 μm.

<デバイス構造>
図30に評価回路のデバイス構造を示す。図30は、図25の導電層537_4と導電層537_6とを電気的に接続せず、導電層537_4は端子RBL、導電層537_6は端子WBLとなる部分を有する。その他の構成は実施例1を援用することができる。
<データ保持>
上記デバイス構造において、ノードFNにデータを書き込む動作を行う。書き込み動作では、まず、150℃で加熱処理行う。次に、この加熱処理を行ったまま、端子WBLに1.8V(データ1に対応)または0V(接地電位、データ0に対応)、端子RWLに1.8V、端子RBLに1.8V、端子VBGに−5V、端子SLに0V(接地電位)をそれぞれ与えた。次に、端子WWLに3.3Vを与えた。一定期間、端子WWLに3.3Vを与えた後、端子VBG以外の端子を0V(接地電位)としてデータ保持状態とした。データ保持状態の温度は125℃、140℃、150℃の3条件で行った。
<評価>
次に、ノードFNの電荷の保持特性を評価した。
<Device structure>
FIG. 30 shows a device structure of the evaluation circuit. In FIG. 30, the conductive layer 537_4 and the conductive layer 537_6 in FIG. 25 are not electrically connected to each other. The conductive layer 537_4 has a portion serving as a terminal RBL and the conductive layer 537_6 serves as a terminal WBL. Example 1 can be used for other configurations.
<Data retention>
In the device structure, data is written to the node FN. In the writing operation, first, heat treatment is performed at 150 ° C. Next, while this heat treatment is performed, the terminal WBL is 1.8V (corresponding to data 1) or 0V (ground potential, corresponding to data 0), the terminal RWL is 1.8V, the terminal RBL is 1.8V, the terminal −5 V was applied to VBG, and 0 V (ground potential) was applied to the terminal SL. Next, 3.3 V was applied to the terminal WWL. After 3.3 V was applied to the terminal WWL for a certain period, terminals other than the terminal VBG were set to 0 V (ground potential) to enter a data holding state. The temperature in the data holding state was three conditions of 125 ° C, 140 ° C, and 150 ° C.
<Evaluation>
Next, the charge retention characteristics of the node FN were evaluated.

まず、VRMを調整して、ノードFNを0.8Vまたは1.2Vにした。   First, the VRM was adjusted to set the node FN to 0.8V or 1.2V.

次に、ノードFNに保持されたデータを読み出して確認した。   Next, the data held in the node FN was read and confirmed.

次に、寿命時間のアレニウスプロットを図31に示す。なお、図31の寿命時間は、データ保持率が80%になる時間を示している。図31(A)はノードFNが0.8Vのときの結果、図31(B)ははノードFNが1.2Vのときの結果をそれぞれ示す。   Next, an Arrhenius plot of the lifetime is shown in FIG. Note that the lifetime in FIG. 31 indicates the time when the data retention rate becomes 80%. FIG. 31A shows the result when the node FN is 0.8V, and FIG. 31B shows the result when the node FN is 1.2V.

図31(A)より、外挿による85℃での寿命時間は、2.3×10時間(262.9年)であった。また、図31(B)より、外挿による85℃での寿命時間は、5.6×10時間(64.4年)であった。 From FIG. 31A, the lifetime at 85 ° C. by extrapolation was 2.3 × 10 6 hours (262.9 years). From FIG. 31B, the lifetime at 85 ° C. by extrapolation was 5.6 × 10 5 hours (64.4 years).

また、寿命時間をデータ保持率が90%になる時間で設定した、寿命時間のアレニウスプロットを図32に示す。図32(A)はノードFNが0.8Vのときの結果、図32(B)ははノードFNが1.2Vのときの結果をそれぞれ示す。   Further, FIG. 32 shows an Arrhenius plot of the life time in which the life time is set at a time when the data retention rate becomes 90%. FIG. 32A shows the result when the node FN is 0.8V, and FIG. 32B shows the result when the node FN is 1.2V.

図32(A)より、外挿による85℃での寿命時間は、1.1×10時間(126.6年)であった。また、図32(B)より、外挿による85℃での寿命時間は、3.0×10時間(34.6年)であった。 From FIG. 32A, the lifetime at 85 ° C. by extrapolation was 1.1 × 10 6 hours (126.6 years). Further, from FIG. 32B, the lifetime at 85 ° C. by extrapolation was 3.0 × 10 5 hours (34.6 years).

300 トランジスタ
380 導電膜
381 絶縁膜
382 半導体
383 導電膜
384 導電膜
385 絶縁膜
386 絶縁膜
387 絶縁膜
388 導電膜
500 基板
501 絶縁膜
502 絶縁膜
503 絶縁膜
504 絶縁膜
505 絶縁膜
506 絶縁膜
507 絶縁膜
508 絶縁膜
509 絶縁膜
510 絶縁膜
511 絶縁膜
520 単結晶シリコン層
531_1 導電層
531_2 導電層
532_1 導電層
532_2 導電層
532_3 導電層
532_4 導電層
533_1 導電層
533_2 導電層
533_3 導電層
533_4 導電層
533_5 導電層
534_1 導電層
534_2 導電層
535_1 導電層
535_2 導電層
536_1 導電層
536_2 導電層
536_3 導電層
536_4 導電層
536_5 導電層
536_6 導電層
536_7 導電層
537_1 導電層
537_2 導電層
537_3 導電層
537_4 導電層
537_5 導電層
537_6 導電層
537_7 導電層
537_8 導電層
540_1 酸化物半導体層
540_2 酸化物半導体層
540_3 酸化物半導体層
600 トランジスタ
640 基板
651 絶縁膜
651a 絶縁膜
651b 絶縁膜
652 絶縁膜
653 絶縁膜
654 絶縁膜
655 絶縁膜
656 絶縁膜
660 半導体
661 半導体
662 半導体
663 半導体
671 導電膜
671a 導電膜
671b 導電膜
672 導電膜
672a 導電膜
672b 導電膜
673 導電膜
674 導電膜
678 ハードマスク
701 基板
702 素子分離層
703 絶縁膜
704 導電膜
705 導電膜
706 導電膜
707 プラグ
708 プラグ
709 プラグ
721 不純物領域
723 ゲート電極
724 ゲート絶縁膜
725 側壁絶縁層
730 半導体基板
731 素子分離層
750 トランジスタ
751 不純物領域
752 ゲート電極
753 ゲート絶縁膜
754 側壁絶縁層
755 不純物領域
756 半導体層
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 マイク
913 外部接続ポート
914 操作ボタン
916 表示部
917 スピーカー
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
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3400 容量素子
4000 RFデバイス
5100 ペレット
5120 基板
5161 領域
300 transistor 380 conductive film 381 insulating film 382 semiconductor 383 conductive film 384 conductive film 385 insulating film 386 insulating film 387 insulating film 388 conductive film 500 substrate 501 insulating film 502 insulating film 503 insulating film 504 insulating film 505 insulating film 506 insulating film 507 insulating Film 508 insulating film 509 insulating film 510 insulating film 511 insulating film 520 single crystal silicon layer 531_1 conductive layer 531_2 conductive layer 532_1 conductive layer 532_2 conductive layer 532_2 conductive layer 532_4 conductive layer 533_1 conductive layer 533_2 conductive layer 533_3 conductive layer 533_4 conductive layer 533_4 Layer 534_1 conductive layer 534_2 conductive layer 535_1 conductive layer 535_2 conductive layer 536_1 conductive layer 536_2 conductive layer 536_3 conductive layer 536_4 conductive layer 536_5 conductive layer 536_6 conductive layer 536_7 Conductive layer 537_1 Conductive layer 537_2 Conductive layer 537_3 Conductive layer 537_4 Conductive layer 537_5 Conductive layer 537_6 Conductive layer 537_7 Conductive layer 537_8 Conductive layer 540_1 Oxide semiconductor layer 540_2 Oxide semiconductor layer 540_3 Oxide semiconductor layer 600 Transistor 640 Insulating film 651 Insulating film 651 Film 651b insulating film 652 insulating film 653 insulating film 654 insulating film 655 insulating film 656 insulating film 660 semiconductor 661 semiconductor 662 semiconductor 663 semiconductor 671 conductive film 671a conductive film 671b conductive film 672 conductive film 672a conductive film 672b conductive film 673 conductive film 674 conductive Film 678 Hard mask 701 Substrate 702 Element isolation layer 703 Insulating film 704 Conductive film 705 Conductive film 706 Conductive film 707 Plug 708 Plug 709 Plug 721 Impurity region 723 Gate electrode 724 Gate insulating film 725 Side wall insulating layer 730 Semiconductor substrate 731 Element isolation layer 750 Transistor 751 Impurity region 752 Gate electrode 753 Gate insulating film 754 Side wall insulating layer 755 Impurity region 756 Semiconductor layer 901 Housing 902 Housing 903 Display portion 904 Display unit 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 911 Case 912 Microphone 913 External connection port 914 Operation button 916 Display unit 917 Speaker 921 Case 922 Display unit 923 Keyboard 924 Pointing device 931 Case 932 Refrigeration room door 933 Freezer compartment Door 941 Case 942 Case 943 Display portion 944 Operation key 945 Lens 946 Connection portion 951 Car body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 1189 ROM interface Esu 1190 substrate 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3400 Capacitance element 4000 RF device 5100 Pellet 5120 Substrate 5161 Region

Claims (9)

単結晶半導体をチャネル形成領域に有する第1のトランジスタを形成し、
第1のトランジスタ上に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜に前記第1のトランジスタに達する開口を形成し、
前記開口を介して前記第1のトランジスタと電気的に接続する導電膜を形成し、
前記絶縁膜上に前記導電膜と電気的に接続する、酸化物半導体をチャネル形成領域に有する第2のトランジスタを形成し、
前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタと電気的に接続する容量素子を形成し、
120℃以上180℃以下の温度で加熱処理を行いつつ、前記第2のトランジスタのゲート電極に電圧を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first transistor having a single crystal semiconductor in a channel formation region;
Forming an insulating film on the first transistor;
Forming an opening in the insulating film to reach the first transistor;
Forming a conductive film electrically connected to the first transistor through the opening;
Forming a second transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region electrically connected to the conductive film over the insulating film;
Forming a capacitor element electrically connected to the first transistor and the second transistor;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein voltage is applied to a gate electrode of the second transistor while heat treatment is performed at a temperature of 120 ° C. to 180 ° C.
請求項1において、
前記第2のトランジスタは、
第1のゲート電極を形成し、
前記第1のゲート電極上に下地絶縁膜を形成し、
前記下地絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
前記酸化物半導体膜上にソース電極およびドレイン電極を形成し、
前記酸化物半導体膜上、前記ソース電極上および前記ドレイン電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に第2のゲート電極を形成し、
前記第1のゲート電極に電圧を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1,
The second transistor is
Forming a first gate electrode;
Forming a base insulating film on the first gate electrode;
Forming an oxide semiconductor film over the base insulating film;
Forming a source electrode and a drain electrode on the oxide semiconductor film;
Forming a gate insulating film on the oxide semiconductor film, on the source electrode and on the drain electrode;
Forming a second gate electrode on the gate insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a voltage is applied to the first gate electrode.
請求項1または請求項2において、
前記電圧は、−10V以上−1V以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 1 or claim 2,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the voltage is −10 V or higher and −1 V or lower.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記加熱処理は、50時間以上150時間以下行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claim 1 thru | or 3,
The method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the heat treatment is performed for 50 hours to 150 hours.
第1の層と、
前記第1の層上の第2の層と、
前記第2の層上の第3の層と、
容量素子と、を有し、
前記第1の層は、第1のトランジスタを有し、
前記第3の層は、第2のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタのチャネル形成領域は、単結晶半導体を有し、
前記第2のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を有し、
前記第2の層は、絶縁膜と、導電膜と、を有し、
前記導電膜は、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとを電気的に接続する機能を有し、
前記容量素子は、前記第1のトランジスタのゲート電極と前記第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続し、
前記第1のトランジスタのゲート電極と前記第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と前記容量素子の一方の電極との間のノードにおいて、150℃で前記ノードに50時間保持した電位の読み出し不良率は、150℃で前記ノードに10時間保持した電位の読み出し不良率の5倍未満であることを特徴とする半導体装置。
A first layer;
A second layer on the first layer;
A third layer on the second layer;
A capacitive element;
The first layer includes a first transistor;
The third layer includes a second transistor;
The channel formation region of the first transistor includes a single crystal semiconductor,
The channel formation region of the second transistor includes an oxide semiconductor,
The second layer has an insulating film and a conductive film,
The conductive film has a function of electrically connecting the first transistor and the second transistor,
The capacitor element is electrically connected to a gate electrode of the first transistor and one of a source electrode or a drain electrode of the second transistor,
Reading of a potential held at the node at 150 ° C. for 50 hours at a node between the gate electrode of the first transistor, one of the source electrode or the drain electrode of the second transistor, and one electrode of the capacitor A semiconductor device characterized in that the defect rate is less than five times the read defect rate of the potential held at 150 ° C. for 10 hours in the node.
第1の層と、
前記第1の層上の第2の層と、
前記第2の層上の第3の層と、
容量素子と、を有し、
前記第1の層は、第1のトランジスタを有し、
前記第3の層は、第2のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタのチャネル形成領域は、単結晶半導体を有し、
前記第2のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を有し、
前記第2の層は、絶縁膜と、導電膜と、を有し、
前記導電膜は、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとを電気的に接続する機能を有し、
前記容量素子は、前記第1のトランジスタのゲート電極と前記第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続し、
前記第1のトランジスタのゲート電極と前記第2のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方と前記容量素子の一方の電極との間のノードにおいて、150℃で250時間加熱処理を行いつつ、前記ノードに保持した電位の読み出し不良率が8%未満であることを特徴とする半導体装置。
A first layer;
A second layer on the first layer;
A third layer on the second layer;
A capacitive element;
The first layer includes a first transistor;
The third layer includes a second transistor;
The channel formation region of the first transistor includes a single crystal semiconductor,
The channel formation region of the second transistor includes an oxide semiconductor,
The second layer has an insulating film and a conductive film,
The conductive film has a function of electrically connecting the first transistor and the second transistor,
The capacitor element is electrically connected to a gate electrode of the first transistor and one of a source electrode or a drain electrode of the second transistor,
While performing heat treatment at 150 ° C. for 250 hours at a node between the gate electrode of the first transistor, one of the source electrode or the drain electrode of the second transistor, and one electrode of the capacitor, the node A semiconductor device characterized in that the read failure rate of the potential held in is less than 8%.
請求項5または請求項6において、
前記第1のトランジスタのソース電極またはドレイン電極の一方に供給される電圧は、1.2V以上1.7V以下であることを特徴とする半導体装置。
In claim 5 or claim 6,
The semiconductor device is characterized in that a voltage supplied to one of a source electrode and a drain electrode of the first transistor is 1.2 V or more and 1.7 V or less.
請求項5乃至請求項7のいずれか一に記載の半導体装置を有することを特徴とするモジュール。   A module comprising the semiconductor device according to claim 5. 請求項5乃至請求項7のいずれか一に記載の半導体装置、または請求項8に記載のモジュールと、
スピーカー、操作キー、または、バッテリーと、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 5 to 7, or a module according to claim 8,
An electronic device including a speaker, operation keys, or a battery.
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