JP2016157938A - 半導体装置、および半導体装置の作成方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】微細な構造であっても、寄生容量が抑制され、高く安定した電気特性を有するトランジスタを提供する。また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化を達成する。
【解決手段】基板上に酸化物半導体と、酸化物半導体と接する第1の電極及び第2の電極と、酸化物半導体、第1の電極、第2の電極上の絶縁体と、絶縁体上の第3の電極と、を有し、酸化物半導体は、第1の電極と重なる第1の領域、第2の電極と重なる第2の領域、及び第3の電極と重なる第3の領域を有し、第1の領域と、第3の領域とは重なる第4の領域を有し、第2の領域と、第3の領域とは重なる第5の領域を有し、第1の電極の上面および第2の電極の上面は、酸化物半導体の上面と同一平面、または同一平面よりも酸化物半導体側に設けられている。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、酸化物、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関する。または、本発明は、例えば、酸化物、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、撮像装置、電子機器に関する。または、酸化物、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、プロセッサ、撮像装置、電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、プロセッサ、撮像装置、電子機器の駆動方法に関する。
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。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
絶縁表面を有する基板上の半導体を用いて、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や表示装置のような半導体装置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としてシリコンが知られている。
トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
近年では、酸化物半導体(代表的にはIn−Ga−Zn酸化物)を用いたトランジスタの開発が活発化している。
酸化物半導体の歴史は古く、1988年には、結晶In−Ga−Zn酸化物を半導体素子へ利用することが開示されている(特許文献1参照。)。また、1995年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性が開示されている(特許文献2参照。)。
また、非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが開示されている(特許文献3参照。)。酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献4参照。)。また、酸化物半導体からなる活性層で井戸型ポテンシャルを構成することにより、高い電界効果移動度を有するトランジスタが得られることが開示されている(特許文献5参照。)。
特開昭63−239117 特表平11−505377 特許5215589号 特開2012−257187号公報 特開2012−59860号公報
酸化物半導体は、シリコンと比べて不純物注入などによって抵抗が下がりにくい。従って、酸化物半導体を活性層として用いるトランジスタとして、ゲート電極とソース電極またはゲート電極とドレイン電極が重なる領域を有さないトランジスタ(本明細書中では「Loff型のトランジスタ」等と記す)では、トランジスタのオン電流が低下してしまう場合がある。そのため、ゲート電極とソース電極およびゲート電極とドレイン電極が一部重なる構造のトランジスタ(本明細書中では「Lov型のトランジスタ」等と記す)が作製されることが多い。
しかしながら、Lov型のトランジスタは、ゲート電極とソース電極およびゲート電極とドレイン電極の間に寄生容量が大きくなる。例えば、チャネル近傍(例えばソース電極とドレイン電極とに挟まれる領域)に寄生容量が大きい場合、トランジスタ動作において、寄生容量の充電に要する時間が必要となり、トランジスタの応答性、ひいては半導体装置の応答性を低下させてしまう。また、寄生容量に充電するための不要な電力を消費する為、複数のトランジスタを用いて構成される回路において、消費電力が大きくなる。特に、トランジスタが微細化されていくにつれ、トランジスタ近傍の寄生容量は無視できない大きな問題となる。
したがって、本発明の一態様は、トランジスタ近傍の寄生容量を低減することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、開示する発明の一態様は、微細化及び高集積化が可能であり、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、開示する発明の一態様は、チャネル長の大きさを制御しやすいトランジスタを提供することを課題の一とする。
また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産性化を達成することを課題の一とする。または、開示する発明の一態様はトランジスタのチャネル層に、酸素を供給しやすい半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。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。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。
半導体装置に設けられるトランジスタは、基板上に酸化物半導体と、酸化物半導体と接する第1の電極及び第2の電極と、酸化物半導体、第1の電極、第2の電極上の絶縁体と、絶縁体上の第3の電極と、を有し、酸化物半導体は、第1の電極と重なる第1の領域、第2の電極と重なる第2の領域、及び第3の電極と重なる第3の領域を有し、第1の領域と、第3の領域とは重なる第4の領域を有し、第2の領域と、第3の領域とは重なる第5の領域を有し、第1の電極の上面および第2の電極の上面は、酸化物半導体の上面と同一平面、または同一平面よりも前記基板側に設けられている。
半導体装置に設けられるトランジスタは酸化物半導体と、第1の電極と、第2の電極と、第3の電極と、絶縁体と、を有し、第3の電極は、絶縁体を介して、酸化物半導体上に設けられ、酸化物半導体は、第1の電極と重なる第1の領域、第2の電極と重なる第2の領域、及び第3の電極と重なる第3の領域を有し、第1の領域と、第3の領域とは重なる第4の領域を有し、第2の領域と、第3の領域とは重なる第5の領域を有し、第1の電極の上面および第2の電極の上面には、酸化物半導体の絶縁体に近い面と同一平面、または同一平面よりも酸化物半導体側に設けられている。
上記構成において、第4の領域及び第5の領域の長さは、0nm以上5nm以下である。
上記構成において、酸化物半導体は、チャネルが形成される領域を有し、絶縁体は、チャネルが形成される領域と重なる領域において段差を有さない。
上記構成において、第1の電極はソース電極及びドレイン電極の一方として機能し、第2の電極はソース電極及びドレイン電極の他方として機能する。
上記構成の半導体装置を有する電子機器である。
本発明のトランジスタを用いることで、寄生容量を小さくすることができる。また、オン電流を高くすることができる。また、高速動作が可能な薄膜トランジスタを作製することができる。
上記したように、オン電流が高くオフ電流が低いため、トランジスタの駆動特性が良好なものとなる。また、微細な構造であっても、高く安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。
また、該トランジスタを含む半導体装置においても、高性能化、高信頼性化、及び高生産性化を達成することができる。または、新規な半導体装置などを提供することが出来る。なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、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。
半導体装置の一形態を示す断面図及び上面図。 半導体装置の一形態を示す断面図及び上面図。 半導体装置の一形態を示す断面図。 本発明の一態様に係る酸化物の原子数比を説明する図。 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。 CAAC−OSの平面におけるCs補正高分解能TEM像。 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。 CAAC−OSの電子回折パターンを示す図。 In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 半導体装置の一態様を示す断面図及び回路図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の一態様を示す断面図。 半導体装置の一態様を示す断面図及び回路図。 本発明の一態様に係るCPUを示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶素子の回路図。 本発明の一態様に係る表示装置の回路図、上面図、および断面図。 本発明の一態様に係る表示装置の回路図および断面図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の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。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、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。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、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。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いのもであって、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
また、本明細書等において、「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。
例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。
XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)との間の経路であり、前記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有しておらず、前記第3の接続経路は、Z2を介した経路である」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有していない」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、前記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、前記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パスである」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図1乃至図3を用いて説明する。
<半導体装置の構成例1>
図1(A)は、トランジスタ100の上面図の一例を示す。なお、簡単のため、図1(A)において一部の膜は省略されている。また、図1(B)は図1(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図1(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
基板101上に形成されたトランジスタ100は、絶縁体110と、ゲート電極として機能する電極175および電極170と、チャネルが形成される領域を有する酸化物130と、ソースまたはドレインの一方として機能する電極140と、ソースまたはドレインの他方として機能する電極150と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体160と、を有する。
また、酸化物130は、絶縁体130aと、絶縁体130a上の半導体130bと、半導体130b上の絶縁体130cと、を有する。なお、トランジスタをオンさせると、主として半導体130bに電流が流れる(チャネルが形成される)。一方、絶縁体130aおよび絶縁体130cは、半導体130bとの界面近傍(混合領域となっている場合もある)は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する。よって、絶縁体130aおよび絶縁体130cは、半導体130bに対して、相対的に絶縁性を有しているため、本明細書中では絶縁体と定義する。また、絶縁体130aおよび絶縁体130cは、他の絶縁体に対しては相対的に半導体の性質を有する場合がある。
図1に示すトランジスタ100の構造において、電極140および電極150は、半導体130bに埋め込まれており、電極140および電極150の間の半導体130bが、チャネルが形成される領域となる。
なお、電極140および電極150において絶縁体130cと接する面は、半導体130bにおいて絶縁体130cと接する面と同一平面、または下方にあることが好ましい。つまり、基板101の上面からの電極140の上面までの高さ、および基板101の上面からの電極150の上面までの高さは、基板101の上面からの酸化物130においてチャネルが形成される領域の上面までの高さと、同じ高さ以下となるように設けるものとする。当該構成を有することで、チャネルが形成される領域と電極170との間には段差が形成されないため、チャネルが形成される領域上の絶縁体130c、及び絶縁体160は段差を乗り越えずに設けることができる。
また、電極170が酸化物130と重なる範囲において、電極170は、電極140および電極150と重なる領域を有することが好ましい。なお、電極170と、電極140または電極150が重畳する長さは、0nm以上5nm以下とする。なお、重なる長さ0nmとする場合は、上面図において、電極170の端部と電極140の端部または電極150の端部が一致しているものとする。電極140と電極150と、電極170が不必要に重ならないことで、寄生容量を小さくすることができる。
また、電極140および電極150は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等である。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
上記構成を有することで、チャネルが形成される領域には電圧が一律に印加されるため、リーク電流が抑制されたトランジスタを提供することができる。また、電極140および電極150に金属を用いることで、オン特性の高いトランジスタを駆動することができる。従って、トランジスタが微細化したとしても、高く安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。
また、上記構成を有することで、半導体130bにおけるチャネルが形成される領域の上面と電極170との最短距離が、電極140または電極150と電極170との最短距離と等しくなる、または短くなるため、寄生容量が小さいトランジスタを提供することができる。当該構成を有することで、チャネルが形成される領域と電極170との間には段差が形成されないため、チャネルが形成される領域上の絶縁体130c、及び絶縁体160は段差を乗り越えずに設けることができる。
また、絶縁層120は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁層であることが好ましい。なお、絶縁層120として過剰酸素を含む(化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む)絶縁層を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁層を酸化物130に接して設けることにより、酸化物130中の酸素欠損を補償することができる。
なお、酸化物130を構成する酸化物は、エネルギーギャップが3.0eV以上と大きく、酸化物を適切な条件で加工し、そのキャリア密度を十分に低減して得られた酸化物膜が適用されたトランジスタにおいては、オフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流(オフ電流)を、従来のシリコンを用いたトランジスタと比較して極めて低いものとすることができる。
また、適用可能な酸化物としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザとして、それらに加えてガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド(例えば、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ガドリニウム(Gd))から選ばれた一種、または複数種が含まれていることが好ましい。
ここで、酸化物130が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。ここで、元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。酸化物130が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比、x:y:zの好ましい範囲について、図4(A)および図4(B)を用いて説明する。
図4(A)および図4(B)は、酸化物130が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比の範囲について示している。ここで図4(A)および図4(B)では、元素MがGaの例を示している。なお、酸素の原子数比については図4(A)および図4(B)には記載しない。
例えば、インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物では、InMO(ZnO)(mは自然数)で表されるホモロガス相(ホモロガスシリーズ)が存在することが知られている。ここで、例として元素MがGaである場合を考える。図4に太い直線で示した領域は、例えばIn、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、単一相の固溶域をとり得ることが知られている組成である。また、図4に四角のシンボルで示す座標は、スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成である。
例えば、スピネル型の結晶構造を有する化合物として、ZnGaなどのZnMで表される化合物が知られている。また、図4(A)および図4(B)に示すようにZnGaの近傍の組成、つまりx,y及びzが(x:y:z)=(0:2:1)に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすい。
ここで、酸化物130はCAAC−OS膜であることが好ましい。また、CAAC−OS膜は、特にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。また、キャリア移動度を高めるためにはInの含有率を高めることが好ましい。インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物130では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、インジウムの含有率が多い酸化物はインジウムの含有率が少ない酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物130にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、キャリア移動度を高めることができる。
よって、酸化物130の有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比、x:y:zは、例えば図4(B)に示す領域11の範囲であることが好ましい。ここで、領域11は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標L(x:y:z=2:5:7)と、第3の座標M(x:y:z=51:149:300)と、第4の座標N(x:y:z=46:288:833)と、第5の座標O(x:y:z=0:2:11)と、第6の座標P(x:y:z=0:0:1)と、第7の座標Q(x:y:z=1:0:0)とを、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有する領域である。なお、領域11には、直線上の座標も含む。
x:y:zを図4(B)に示す領域11とすることにより、ナノビーム解析においてスピネル型の結晶構造が観測される割合をなくすことができる、または極めて低くすることができる。よって、優れたCAAC−OS膜を得ることができる。また、CAAC構造とスピネル型の結晶構造の境界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、酸化物130をトランジスタに用いた場合に、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、酸化物130中における不純物の影響について説明する。なお、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物130中の不純物濃度を低減し、低キャリア密度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物130のキャリア密度は、8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上のキャリア密度の酸化物とすることが好ましい。また、酸化物130中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。
また、酸化物130中に窒素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物130の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。
また、酸化物130中に水素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。さらに、酸化物130おいて、不純物として含まれる水素は、酸化物表面に移動すると、表面近くの酸素と結合し、水分子となって脱離することがある。その際、水分子として脱離したOの位置に酸素欠損Vが形成される。そのため、酸化物130の水素濃度は十分に低減されていることが望ましい。したがって、酸化物130は、TDS分析(Thermal Desorption Spectrometry:昇温脱離ガス分光法)の水分子数換算にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、1.0×1021個/cm(1.0個/nm)以下、好ましくは1.0×1020個/cm(0.1個/nm)以下の水分子として観測できるものとする。
ここで、TDS分析を用いた水の放出量の測定方法について、以下に説明する。
測定試料をTDS分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のTDS分析結果、および測定試料のTDS分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量(NH2O)は、下に示す式で求めることができる。ここでは、TDS分析で得られる質量電荷比18で検出されるガスの全てが水分子由来と仮定する。CHの質量電荷比は18であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、水素の同位体である質量数2および質量数3の水素分子を含む水分子と、酸素原子の同位体である質量数17の酸素原子および質量数18の酸素原子を含む水分子とについても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。
H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SH2Oは、測定試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。上記式の詳細に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定した。
なお、NH2Oは水分子の放出量である。水素原子に換算したときの放出量は、水分子の放出量の2倍となる。
なお、酸化物中の不純物としての水素は、水素原子、水素イオン、水素分子、ヒドロキシ基、水酸化物イオンなどの状態となっており、水分子として存在することは難しい。
水素濃度が十分に低減された結晶を有する酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。つまり、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。また、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
また、図1(A)に示す半導体装置において、酸化物130と電極170の間に、絶縁体160の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、絶縁体130cにバリア性があるものを用いてよい。また、基板101上には、下地膜を形成してもよい。また、下地膜の他にバリア膜が積層されていてもよい。さらに、トランジスタ100を覆って層間膜が設けられている。また、層間膜の他にバリア膜などが積層されていてもよい。
なお、バリア膜としては、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが望ましい。このような絶縁体としては、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、窒化シリコンなどを用いることができる。このような材料を用いて形成した場合、バリア膜は酸化物130からの酸素の放出や絶縁層120から酸化物130以外への酸素の拡散を抑え、また、外部からの水素等の不純物の侵入を防ぐ層として機能する。
過剰酸素を含む絶縁膜を酸化物130に接して設け、さらにバリア膜で包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物130への水素等の不純物の侵入を防ぐことができる。
<半導体装置の構成例2>
図2(A)は、半導体装置の構成例1とは異なるトランジスタ100の上面図の一例を示す。なお、簡単のため、図2(A)において一部の膜は省略されている。また、図2(B)は図2(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図2(C)はY1−Y2に対応する断面図である。また、図2(D)は領域190の拡大図である。
基板101上に形成されたトランジスタ100は、絶縁体110と、ゲート電極として機能する電極175および電極170と、チャネルが形成される領域を有する酸化物130と、ソースまたはドレインの一方として機能する電極140と、ソースまたはドレインの他方として機能する電極150と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体160と、を有する。また、酸化物130は、絶縁体130aと、絶縁体130a上の半導体130bとを有する。
図2(D)に示すトランジスタ100の構造において、電極140の端部と電極170の端部とが重畳する領域(Lovとも言う)、つまり、図中L1で示される範囲は、0nm以上5nm以下、好ましくは0nm以上1nm以下であればよい。当該構成とすることで、例え、電極170と電極140が重なる領域に寄生容量が形成されたとしても、無視できる程度となる。なお、電極150についても、電極140と同様の構成とする。
また、電極150の上面と、チャネルが形成される領域の上面との差、つまり、図中L2で示される範囲は、0nm以上10nm以下、好ましくは0nm以上5nm以下とする。当該構成を有することで、チャネルが形成される領域と電極170との間には段差が形成されないため、チャネルが形成される領域上の絶縁体130c、及び絶縁体160は段差を乗り越えずに設けることができる。
上記構成を有することで、チャネルが形成される領域には電圧が一律に印加されるため、リーク電流が抑制されたトランジスタを提供することができる。また、電極140および電極150に金属を用いることで、オン特性の高いトランジスタを駆動することができる。従って、トランジスタが微細化したとしても、高く安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。
また、上記構成を有することで、チャネルが形成される領域の上面と電極170との最短距離が、電極140または電極150と電極170との最短距離と等しくなる、または短くなるため、寄生容量が小さいトランジスタを提供することができる。
<半導体装置の変形例1>
図3には、トランジスタ100の変形例の一例の断面図を示す。
図3(A)に示すように、絶縁体160と絶縁体130cとを、電極170の端部と重なるように設けてもよい。また、図3(B)に示すように、絶縁体160の端部は、電極170の端部と一致するように形成し、絶縁体130cの端部は、絶縁体160の端部、または電極170の端部よりも外側となるように設けてもよい。さらに、図3(C)に示すように、絶縁体130cの端部は、絶縁体160の端部と一致するように形成し、電極170の端部は、絶縁体130cの端部、または絶縁体160の端部よりも内側となるように設けてもよい。
また、図3(D)に示すように、絶縁体130cと、電極140および電極150の上面とを同じ高さとしてもよい。その場合、絶縁体130cと絶縁体160とが接する面と、電極140の上面および電極150の上面が、同一平面にあればよい。もしくは電極140の上面および電極150の上面が、絶縁体130cと絶縁体160とが接する面よりも、絶縁体130aに近い構成とする。
また、図3(E)に示すように、電極140および電極150は、半導体130bまたは絶縁体130aの側面の一部を覆って形成してもよい。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタ100のチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様におけるトランジスタ100のトランジスタのチャネル形成領域、または、ソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様におけるトランジスタ100のチャネル形成領域、または、ソースドレイン領域などは、例えば、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、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様におけるトランジスタ100のチャネル形成領域、または、のソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
(実施の形態2)
<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。
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。
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。
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。
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(ボイドともいう。)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。
<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
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。
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。
以下では、TEMによって観察したCAAC−OSについて説明する。図5(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。
図5(A)の領域(1)を拡大したCs補正高分解能TEM像を図5(B)に示す。図5(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。
図5(B)に示すように、CAAC−OSは特徴的な原子配列を有する。図5(C)は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図5(B)および図5(C)より、ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあり、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。
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5(D)参照。)。図5(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5(D)に示す領域5161に相当する。
また、図6(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6(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6(B)、図6(C)および図6(D)に示す。図6(B)、図6(C)および図6(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。
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、InGaZnO4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7(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、InGaZnO4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。
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。
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、InGaZnO4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7(B)に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、InGaZnO4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7(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。
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、InGaZnO4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8(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、InGaZnO4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8(B)に示す。図8(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8(B)における第1リングは、InGaZnO4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8(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。
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。
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。
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。
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、8×1011個/cm未満、好ましくは1×1011個/cm未満、さらに好ましくは1×1010個/cm未満であり、1×10−9個/cm以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。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。
<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
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。
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。
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。
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。
<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は、高分解能TEM像において鬆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。
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。
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。
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。
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、InGaZnO4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、InGaZnO4の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。
図9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9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9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4.2×108e−/nm2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4.2×108e−/nm2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9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。
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。
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。
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InGaZnO4の密度は6.357g/cm3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/cm3以上5.9g/cm3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/cm3以上6.3g/cm3未満となる。
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。
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。
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した半導体装置の構成の一例について図面を参照して説明する。
[断面構造]
図10(A)及び図10(B)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図10(A)及び図10(B)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2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。なお、図10(A)がトランジスタのチャネル長方向の断面、図10(B)チャネル幅方向の断面である。
なお、トランジスタ2100にバックゲートを設けた構成であってもよい。
第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なるエネルギーギャップ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(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体など)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。
トランジスタ2200は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
図10(A)及び図10(B)に示す構成では、トランジスタ2200の上部に、絶縁膜2201、絶縁膜2207を介してトランジスタ2100が設けられている。また、トランジスタ2200とトランジスタ2100の間には、複数の配線2202が設けられている。また、各種絶縁膜に埋め込まれた複数のプラグ2203により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ2100を覆う層間絶縁膜2204が設けられている。
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。
ここで、下層に設けられるトランジスタ2200にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ2200の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ2200の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ2100に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ2100の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素は、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2100の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ2100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2207を設けることは特に効果的である。絶縁膜2207により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上することに加え、下層から上層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2100の信頼性も同時に向上させることができる。
絶縁膜2207としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。
また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ2100を覆うように、トランジスタ2100上に水素の混入を防止する機能を有するブロック膜を形成してもよい。ブロック膜としては、絶縁膜2207と同様の材料を用いることができ、特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。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双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い。したがって、トランジスタ2100を覆うブロック膜として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ2100に含まれる酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防止することができる。
なお、トランジスタ2200は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、FIN(フィン)型、TRI−GATE(トライゲート)型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図10(E)及び図10(F)に示す。半導体基板2211の上に、絶縁膜2212が設けられている。半導体基板2211は、先端の細い凸部(フィンともいう)を有する。なお、凸部の上には、絶縁膜が設けられていてもよい。その絶縁膜は、凸部を形成するときに、半導体基板2211がエッチングされないようにするためのマスクとして機能するものである。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板2211の凸部の上には、ゲート絶縁膜2214が設けられ、その上には、ゲート電極2213が設けられている。なお、本実施の形態では、ゲート電極2213は1層構造であるがこれに限られず、2層以上の積層でもよい。半導体基板2211には、ソース領域およびドレイン領域2215が形成されている。なお、ここでは、半導体基板2211が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。
[回路構成例]
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
図10(C)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOS回路の構成を示している。
また、図10(D)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
また、第1の半導体材料をチャネルにもつトランジスタ2200およびトランジスタ2300で、CMOS回路を構成した場合の半導体装置の断面図を図11に示す。
トランジスタ2300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2301と、ゲート電極2303と、ゲート絶縁膜2304と、側壁絶縁膜2305と、を有している。また、トランジスタ2300は、側壁絶縁膜2305の下に、LDD領域として機能する不純物領域2302を設けてもよい。図11のその他の構成要素については、図10(A)及び図10(B)の説明を援用すればよい。
トランジスタ2200と、トランジスタ2300とは、互いに異なる極性のトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタ2200がpチャネル型のトランジスタの場合、トランジスタ2300は、nチャネル型のトランジスタであることが好ましい。
また、図10(A)、図10(B)および図11に示す半導体装置に、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子を設けてもよい。
フォトダイオードは、単結晶半導体や多結晶半導体を用いて形成してもよい。単結晶半導体や多結晶半導体を用いたフォトダイオードは、光の検出感度が高いため好ましい。
図12(A)は、基板2001にフォトダイオード2400を設けた場合の断面図を示している。フォトダイオード2400は、アノードおよびカソードの一方としての機能を有する導電膜2401と、アノードおよびカソードの他方としての機能を有する導電膜2402と、導電膜2402とプラグ2004とを電気的に接続させる導電膜2403と、を有する。導電膜2401乃至導電膜2403は、基板2001に不純物を注入することで作製してもよい。
図12(A)は、基板2001に対して縦方向に電流が流れるようにフォトダイオード2400を設けているが、基板2001に対して横方向に電流が流れるようにフォトダイオード2400を設けてもよい。
図12(B)は、トランジスタ2100の上層にフォトダイオード2500を設けた場合の半導体装置の断面図である。フォトダイオード2500は、アノードおよびカソードの一方としての機能を有する導電膜2501と、アノードおよびカソードの他方としての機能を有する導電膜2502と、半導体2503と、を有している。また、フォトダイオード2500は、プラグ2504を介して、トランジスタ2100と電気的に接続されている。
図12(B)において、フォトダイオード2500をトランジスタ2100と同じ階層に設けてもよい。また、フォトダイオード2500をトランジスタ2200とトランジスタ2100の間の階層に設けてもよい。
図12(A)および図12(B)のその他の構成要素に関する詳細は、図10(A)、図10(B)および図11の記載を援用すればよい。
また、フォトダイオード2400またはフォトダイオード2500は、放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させることが可能な材料としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウムヒ素、CdTe、CdZn等がある。
例えば、フォトダイオード2400またはフォトダイオード2500にセレンを用いると、可視光や、紫外光に加えて、X線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子を実現できる。
<記憶装置>
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図13に示す。なお、図13(B)は図13(A)を回路図で表したものである。
図13(A)及び(B)に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、実施の形態1で説明したトランジスタを用いることができる。
トランジスタ3300は、酸化物半導体を有する半導体にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない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。
図13(B)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極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3300のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極、およびトランジスタ3300のソース電極およびドレイン電極の他方は、容量素子3400の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。
図13(A)に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位の保持が可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷が保持される(保持)。
トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ3200のゲートに保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位をV0とすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
図13(C)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を設けていない点で図13(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
次に、図13(C)に示す半導体装置の情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300がオン状態となると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の第1の端子の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
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。
そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
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。
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。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、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
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にも応用可能である。
<CPU>
以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むCPUについて説明する。
図14は、上述したトランジスタを一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。
図14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、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189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14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14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。
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。
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、各種制御を行なう。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なう。
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、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図14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、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図14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。即ち、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。
図15は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路1202には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートにはGND(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213の導通状態または非導通状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1214の導通状態または非導通状態)が選択される。
トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の一対の端子のうちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の端子のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対の端子のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の一対の端子のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の端子のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の一対の端子のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。
なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ1209のゲートには、制御信号WEが入力される。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図15では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。
なお、図15では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図15において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図15における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能である。
また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(導通状態、または非導通状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF−ID(Radio Frequency Identification)にも応用可能である。
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る表示装置について、図16および図17を用いて説明する。
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう。)、発光素子(発光表示素子ともいう。)などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electroluminescence)、有機ELなどを含む。以下では、表示装置の一例としてEL素子を用いた表示装置(EL表示装置)および液晶素子を用いた表示装置(液晶表示装置)について説明する。
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むICなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPC、TCPが取り付けられたモジュール、TCPの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
図16は、本発明の一態様に係るEL表示装置の一例である。図16(A)に、EL表示装置の画素の回路図を示す。図16(B)は、EL表示装置全体を示す上面図である。また、図16(C)は、図16(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するM−N断面である。
図16(A)は、EL表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
図16(A)に示すEL表示装置は、スイッチ素子743と、トランジスタ741と、容量素子742と、発光素子719と、を有する。
なお、図16(A)などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図16(A)の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
トランジスタ741のゲートはスイッチ素子743の一端および容量素子742の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のソースは容量素子742の他方の電極と電気的に接続され、発光素子719の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のドレインは電源電位VDDが与えられる。スイッチ素子743の他端は信号線744と電気的に接続される。発光素子719の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位GNDまたはそれより小さい電位とする。
スイッチ素子743としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いEL表示装置とすることができる。また、スイッチ素子743として、トランジスタ741と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、EL表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ741または/およびスイッチ素子743としては、例えば、上述したトランジスタを適用することができる。
図16(B)は、EL表示装置の上面図である。EL表示装置は、基板700と、基板750と、シール材734と、駆動回路735と、駆動回路736と、画素737と、FPC732と、を有する。シール材734は、画素737、駆動回路735および駆動回路736を囲むように基板700と基板750との間に配置される。なお、駆動回路735または/および駆動回路736をシール材734の外側に配置しても構わない。
図16(C)は、図16(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するEL表示装置の断面図である。
図16(C)には、トランジスタ741として、基板700上の導電体704と、導電体704が埋め込まれた絶縁体712aと、絶縁体712a上の絶縁体712bと、絶縁体712b上にあり導電体704と重なる半導体706a、半導体706bおよび半導体706cと、半導体706bおよび半導体706cと接する導電体716aおよび導電体716bと、半導体706c上、導電体716a上および導電体716b上の絶縁体718aと、絶縁体718a上の絶縁体718bと、絶縁体718a上にあり半導体706cと重なる導電体714aと、を有する構造を示す。なお、トランジスタ741の構造は一例であり、図16(C)に示す構造と異なる構造であっても構わない。
したがって、図16(C)に示すトランジスタ741において、導電体704はゲート電極としての機能を有し、絶縁体712bはゲート絶縁体としての機能を有し、導電体716aはソース電極としての機能を有し、導電体716bはドレイン電極としての機能を有し、絶縁体718aはゲート絶縁体としての機能を有し、導電体714aはゲート電極としての機能を有する。なお、半導体706aおよび半導体706bは、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。したがって、導電体704、導電体716a、導電体716b、導電体714aのいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
なお、絶縁体718aおよび絶縁体718bとして、同種の絶縁体を用いた場合、観察手法によっては両者の区別が付かない場合がある。
図16(C)には、容量素子742として、絶縁体718b上の導電体714bと、導電体714b上の絶縁体718cと、絶縁体718c上にあり導電体714bと重なる導電体714cとを有する。
容量素子742において、導電体714bは一方の電極として機能し、導電体714cは他方の電極として機能する。したがって、容量素子742は、トランジスタ741の配線と共通する膜を用いて作製することができる。
なお、本発明の一態様に係る容量素子はこれに限定されるものではない。例えば、絶縁体718cは、導電体714bを完全に覆う形状としてもよい。その場合、導電体714bおよび導電体714cの重なる領域を薄くするため、絶縁体718cの一部が除去された構造を有しても構わない。
トランジスタ741および容量素子742上には、絶縁体720が配置される。ここで、絶縁体720は、トランジスタ741のソース電極として機能する導電体716aに達する開口部を有してもよい。絶縁体720上には、導電体781が配置される。導電体781は、絶縁体720の開口部を介してトランジスタ741と電気的に接続してもよい。
導電体781上には、導電体781に達する開口部を有する隔壁784が配置される。隔壁784上には、隔壁784の開口部で導電体781と接する発光層782が配置される。発光層782上には、導電体783が配置される。導電体781、発光層782および導電体783の重なる領域が、発光素子719となる。
ここまでは、EL表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。
図17(A)は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図17に示す画素は、トランジスタ751と、容量素子752と、一対の電極間に液晶の充填された素子(液晶素子)753とを有する。
トランジスタ751では、ソース、ドレインの一方が信号線755に電気的に接続され、ゲートが走査線754に電気的に接続されている。
容量素子752では、一方の電極がトランジスタ751のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
液晶素子753では、一方の電極がトランジスタ751のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子752の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子753の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
なお、液晶表示装置も、上面図はEL表示装置と同様として説明する。図16(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応する液晶表示装置の断面図を図17(B)に示す。図17(B)において、FPC732は、端子731を介して配線733aと接続される。なお、配線733aは、トランジスタ751を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体または半導体を用いてもよい。
トランジスタ751は、トランジスタ741についての記載を参照する。また、容量素子752は、容量素子742についての記載を参照する。なお、図17(B)には、図16(C)の容量素子742に対応した容量素子752の構造を示したが、これに限定されない。
なお、トランジスタ751の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子752に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子753に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ751をオフ状態とすることで、トランジスタ751の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子752の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ751および容量素子752上には、絶縁体721が配置される。ここで、絶縁体721は、トランジスタ751に達する開口部を有する。絶縁体721上には、導電体791が配置される。導電体791は、絶縁体721の開口部を介してトランジスタ751と電気的に接続する。
導電体791上には、配向膜として機能する絶縁体792が配置される。絶縁体792上には、液晶層793が配置される。液晶層793上には、配向膜として機能する絶縁体794が配置される。絶縁体794上には、スペーサ795が配置される。スペーサ795および絶縁体794上には、導電体796が配置される。導電体796上には、基板797が配置される。
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。
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できる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)、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)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。
EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)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、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。
なお、LEDを用いる場合、LEDの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するn型GaN半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体などを設けて、LEDを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体との間に、AlN層を設けてもよい。なお、LEDが有するGaN半導体は、MOCVDで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDが有するGaN半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。
(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した半導体装置の構成の一例について図面を参照して説明する。
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、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、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。
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。
図18(B)は携帯データ端末であり、筐体911、筐体912、表示部913、表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。表示部913は筐体911に設けられており、表示部914は筐体912に設けられている。そして、筐体911と筐体912とは、接続部915により接続されており、筐体911と筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である。表示部913における映像を、接続部915における筐体911と筐体912との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、表示部913および表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサーとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
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。
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。
図18(E)はビデオカメラであり、筐体941、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は筐体941に設けられており、表示部943は筐体942に設けられている。そして、筐体941と筐体942とは、接続部946により接続されており、筐体941と筐体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における筐体941と筐体942との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図18(F)は乗用車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954等を有する。
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。
100 トランジスタ
101 基板
110 絶縁体
120 絶縁層
130 酸化物
130a 絶縁体
130b 半導体
130c 絶縁体
140 電極
150 電極
160 絶縁体
170 電極
175 電極
190 領域
700 基板
704 導電体
706a 半導体
706b 半導体
706c 半導体
712a 絶縁体
712b 絶縁体
714a 導電体
714b 導電体
714c 導電体
716a 導電体
716b 導電体
718a 絶縁体
718b 絶縁体
718c 絶縁体
719 発光素子
720 絶縁体
721 絶縁体
731 端子
732 FPC
733a 配線
734 シール材
735 駆動回路
736 駆動回路
737 画素
741 トランジスタ
742 容量素子
743 スイッチ素子
744 信号線
750 基板
751 トランジスタ
752 容量素子
753 液晶素子
754 走査線
755 信号線
781 導電体
782 発光層
783 導電体
784 隔壁
791 導電体
792 絶縁体
793 液晶層
794 絶縁体
795 スペーサ
796 導電体
797 基板
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
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
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2001 基板
2004 プラグ
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁膜
2202 配線
2203 プラグ
2204 層間絶縁膜
2207 絶縁膜
2211 半導体基板
2212 絶縁膜
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁膜
2215 ソース領域およびドレイン領域
2300 トランジスタ
2301 不純物領域
2302 不純物領域
2303 ゲート電極
2304 ゲート絶縁膜
2305 側壁絶縁膜
2400 フォトダイオード
2401 導電膜
2402 導電膜
2403 導電膜
2500 フォトダイオード
2501 導電膜
2502 導電膜
2503 半導体
2504 プラグ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
5100 ペレット
5120 基板
5161 領域

Claims (6)

  1. 基板上に酸化物半導体と、
    前記酸化物半導体と接する第1の電極及び第2の電極と、
    前記酸化物半導体、前記第1の電極、前記第2の電極上の絶縁体と、
    前記絶縁体上の第3の電極と、を有し、
    前記酸化物半導体は、前記第1の電極と重なる第1の領域、前記第2の電極と重なる第2の領域、及び前記第3の電極と重なる第3の領域を有し、
    前記第1の領域と、前記第3の領域とは重なる第4の領域を有し、
    前記第2の領域と、前記第3の領域とは重なる第5の領域を有し、
    前記第1の電極の上面および前記第2の電極の上面は、前記酸化物半導体の上面と同一平面、または前記同一平面よりも前記基板側に設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 酸化物半導体と、第1の電極と、第2の電極と、第3の電極と、絶縁体と、を有し、
    前記第3の電極は、前記絶縁体を介して、前記酸化物半導体上に設けられ、
    前記酸化物半導体は、前記第1の電極と重なる第1の領域、前記第2の電極と重なる第2の領域、及び前記第3の電極と重なる第3の領域を有し、
    前記第1の領域と、前記第3の領域とは重なる第4の領域を有し、
    前記第2の領域と、前記第3の領域とは重なる第5の領域を有し、
    前記第1の電極の上面および前記第2の電極の上面は、前記酸化物半導体の前記絶縁体に近い面と同一平面、または前記同一平面よりも前記酸化物半導体側に設けられていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1または請求項2において、
    前記第4の領域及び前記第5の領域の長さは、0nm以上5nm以下であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
    前記酸化物半導体は、チャネルが形成される領域を有し、
    前記絶縁体は、前記チャネルが形成される領域と重なる領域において段差を有さないことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、前記第1の電極はソース電極及びドレイン電極の一方として機能し、
    前記第2の電極はソース電極及びドレイン電極の他方として機能することを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置を有する電子機器。
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