JP2017108065A - Method of manufacturing semiconductor device, and method of manufacturing display device having the semiconductor device - Google Patents

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泰靖 保坂
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve microfabrication, suppression of variation in electric characteristics, and improvement in reliability, of a transistor having an oxide semiconductor.SOLUTION: A transistor includes: an oxide semiconductor film on a first insulating film; a second insulating film on the oxide semiconductor film; a gate electrode on the second insulating film; and a third insulating film on the oxide semiconductor film and the gate electrode. The oxide semiconductor film has a channel region overlapped with the gate electrode, a source region in contact with the third insulating film, and a drain region in contact with the third insulating film. A gas used for forming the second insulating film is SHand NO. A flow rate of NO to a flow rate of SHis larger than 1000 times and less than 10000 times.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、酸化物半導体膜を有する半導体装置及び該半導体装置を有する表示装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including an oxide semiconductor film and a display device including the 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。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。 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. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ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、半導体装置を有している場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor element such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are one embodiment of the semiconductor device. An imaging device, a display device, a liquid crystal display device, a light emitting device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like) and an electronic device may include a semiconductor device.

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(電界効果トランジスタ(FET)、または薄膜トランジスタ(TFT)ともいう)を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)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を代表とする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 (also referred to as a field effect transistor (FET) or a thin film transistor (TFT)) using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (display device). A semiconductor material typified by silicon is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

例えば、酸化物半導体として、In、Zn、Ga、Snなどを含む非晶質酸化物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1参照)。また、自己整列トップゲート構造を有する酸化物薄膜の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2参照)。 For example, a technique for manufacturing a transistor using an amorphous oxide containing In, Zn, Ga, Sn, or the like as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Document 1). In addition, a technique for manufacturing an oxide thin film transistor having a self-aligned top gate structure is disclosed (see Patent Document 2).

また、チャネルを形成する酸化物半導体層の下地絶縁層に、加熱により酸素を放出する絶縁層を用い、該酸化物半導体層の酸素欠損を低減する半導体装置が開示されている(特許文献3参照)。 In addition, a semiconductor device is disclosed in which an insulating layer from which oxygen is released by heating is used as a base insulating layer of an oxide semiconductor layer that forms a channel to reduce oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer (see Patent Document 3). ).

特開2006−165529号公報JP 2006-165529 A 特開2009−278115号公報JP 2009-278115 A 特開2012−009836号公報JP 2012-009836 A

酸化物半導体膜を有するトランジスタとしては、例えば、ボトムゲート構造型またはトップゲート構造型等が挙げられる。酸化物半導体膜を有するトランジスタを表示装置に適用する場合、トップゲート構造型のトランジスタよりもボトムゲート型のトランジスタの方が、作製工程が比較的簡単であり製造コストを抑えられるため、利用される場合が多い。しかしながら、表示装置の画面の大型化、または表示装置の画質の高精細化(例えば、4k×2k(水平方向画素数=3840画素、垂直方向画素数=2160画素)または8k×4k(水平方向画素数=7680画素、垂直方向画素数=4320画素)に代表される高精細な表示装置)が進むと、ボトムゲート型のトランジスタでは、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との間の寄生容量が生じる場合がある。該寄生容量の大きさによっては、信号遅延等が大きくなり、表示装置の画質が劣化するという問題があった。そこで、酸化物半導体膜を有するトップゲート型のトランジスタについて、安定した半導体特性及び高い信頼性を有する構造の開発が望まれている。 Examples of the transistor including an oxide semiconductor film include a bottom gate structure type and a top gate structure type. When a transistor including an oxide semiconductor film is applied to a display device, a bottom-gate transistor is used because a manufacturing process is relatively simple and manufacturing cost can be reduced compared to a top-gate transistor. There are many cases. However, the screen size of the display device is increased or the image quality of the display device is increased (for example, 4k × 2k (horizontal pixel number = 3840 pixels, vertical pixel number = 2160 pixels) or 8k × 4k (horizontal pixel). When a high-definition display device represented by a number = 7680 pixels and a vertical pixel number = 4320 pixels) progresses, parasitic capacitance is generated between the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode in the bottom-gate transistor. There is a case. Depending on the size of the parasitic capacitance, there is a problem that the signal delay or the like becomes large and the image quality of the display device is deteriorated. Thus, development of a structure having stable semiconductor characteristics and high reliability is desired for a top-gate transistor including an oxide semiconductor film.

また、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いてトランジスタを作製する場合、酸化物半導体膜のチャネル領域中に形成される酸素欠損は、トランジスタ特性に影響を与えるため問題となる。例えば、酸化物半導体膜のチャネル領域中に酸素欠損が形成されると、該酸素欠損に起因してキャリアが生成される。酸化物半導体膜のチャネル領域中にキャリアが生成されると、酸化物半導体膜をチャネル領域に有するトランジスタの電気特性の変動、代表的にはしきい値電圧のシフトが生じる。また、トランジスタごとに電気特性がばらつくという問題がある。したがって、酸化物半導体膜のチャネル領域においては、酸素欠損が少ないほど好ましい。一方で、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおいて、ソース電極及びドレイン電極と接する酸化物半導体膜としては、ソース電極及びドレイン電極との接触抵抗を低減するために酸素欠損が多く、抵抗が低い方が好ましい。 Further, in the case where a transistor is formed using an oxide semiconductor film for a channel region, oxygen vacancies formed in the channel region of the oxide semiconductor film are problematic because they affect transistor characteristics. For example, when an oxygen vacancy is formed in the channel region of the oxide semiconductor film, carriers are generated due to the oxygen vacancy. When carriers are generated in the channel region of the oxide semiconductor film, a change in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor film in the channel region, typically, a threshold voltage shift occurs. In addition, there is a problem that electric characteristics vary from transistor to transistor. Therefore, the number of oxygen vacancies is preferably as small as possible in the channel region of the oxide semiconductor film. On the other hand, in a transistor in which an oxide semiconductor film is used for a channel region, an oxide semiconductor film in contact with a source electrode and a drain electrode has many oxygen vacancies in order to reduce contact resistance with the source electrode and the drain electrode. The lower one is preferable.

上記問題に鑑み、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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を課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するトップゲート型のトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、微細なトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するオン電流が大きいトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、酸化物半導体を有するオフ電流が小さいトランジスタを提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の1つとする。 In view of the above problems, an object of one embodiment of the present invention is to suppress variation in electrical characteristics and improve reliability in a transistor including an oxide semiconductor. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a top-gate transistor including an oxide semiconductor. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a minute transistor. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a transistor including an oxide semiconductor and high on-state current. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a transistor including an oxide semiconductor and having low off-state current. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.

なお、上記の課題の記載は、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、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。上記以外の課題は、明細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of the above problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of these problems. Problems other than those described above are naturally apparent from the description of the specification and the like, and it is possible to extract problems other than the above from the description of the specification and the like.

(1)
本発明の一態様は、第1の絶縁膜上に酸化物半導体膜を成膜し、酸化物半導膜上に第2の絶縁膜を成膜し、第2の絶縁膜上に導電膜を成膜し、導電膜および第2の絶縁膜をリソグラフィー法によって導電膜を有するゲート電極および第2の絶縁膜を有するゲート絶縁膜を形成し、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、または希ガスの1以上のイオンを第1の領域に注入し、第1の絶縁膜上、半導体膜上およびゲート電極上に第3の絶縁膜を成膜し、第1の領域は、第1の領域とゲート電極とが互いに重ならない領域を有し、第2の絶縁膜の成膜は、PECVD法を用いて成膜し、PECVD法に使用する気体は、シランおよび一酸化二窒素であり、シランの流量に対して一酸化二窒素の流量は1000倍より大きく10000倍未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
(1)
In one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film is formed over the first insulating film, a second insulating film is formed over the oxide semiconductor film, and a conductive film is formed over the second insulating film. A gate electrode having a conductive film and a gate insulating film having a second insulating film are formed by lithography to form a conductive film and a second insulating film, and hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur , One or more ions of chlorine, titanium, or a rare gas are implanted into the first region, and a third insulating film is formed over the first insulating film, the semiconductor film, and the gate electrode. The region has a region where the first region and the gate electrode do not overlap with each other. The second insulating film is formed using the PECVD method. The gas used for the PECVD method is silane and one gas. It is dinitrogen oxide, and the flow rate of nitrous oxide is greater than 1000 times that of silane. A method for manufacturing a semiconductor device and less than 10000 times.

(2)
また、本発明の一態様は、希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンの1以上を用いることを特徴とする(1)に記載の半導体装置の作製方法である。
(2)
Another embodiment of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to (1), in which the rare gas is one or more of helium, neon, argon, krypton, or xenon.

(3)
また、本発明の一態様は、注入は、プラズマ処理法、イオンドーピング法またはイオン注入法を用いて行うことを特徴とする(1)または(3)に記載の半導体装置の作製方法である。
(3)
Another embodiment of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to (1) or (3), in which the implantation is performed using a plasma treatment method, an ion doping method, or an ion implantation method.

(4)
また、本発明の一態様は、第3の絶縁膜は、窒素、水素またはフッ素の1以上を有する気体を用いて成膜することを特徴とする(1)乃至(3)のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法である。
(4)
In one embodiment of the present invention, any one of (1) to (3) is characterized in that the third insulating film is formed using a gas containing one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine. A manufacturing method of the semiconductor device described.

(5)
また、本発明の一態様は、基板上に第1の導電膜を形成し、基板上および第1の導電膜上に第1の絶縁膜を成膜し、第1の絶縁膜上に酸化物半導体膜を成膜し、酸化物半導膜上に第2の絶縁膜を成膜し、第2の絶縁膜上に第2の導電膜を成膜し、第2の導電膜および第2の絶縁膜をリソグラフィー法によって第2の導電膜を有するゲート電極および第2の絶縁膜を有するゲート絶縁膜を形成し、ゲート電極およびゲート絶縁膜をマスクとして用いて、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、または希ガスの1以上のイオンを第1の領域に注入し、第1の絶縁膜上、半導体膜上およびゲート電極上に第3の絶縁膜を成膜し、第1の領域は、第1の領域とゲート電極とが互いに重ならない領域を有し、第2の絶縁膜の成膜は、PECVD法を用いて成膜し、PECVD法に使用する気体は、シランおよび一酸化二窒素であり、シランの流量に対して一酸化二窒素の流量は1000倍より大きく10000倍未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
(5)
According to one embodiment of the present invention, a first conductive film is formed over a substrate, a first insulating film is formed over the substrate and the first conductive film, and an oxide is formed over the first insulating film. A semiconductor film is formed, a second insulating film is formed over the oxide semiconductor film, a second conductive film is formed over the second insulating film, and the second conductive film and the second conductive film are formed. A gate electrode having a second conductive film and a gate insulating film having a second insulating film are formed by a lithography method, and the gate electrode and the gate insulating film are used as a mask to form hydrogen, boron, carbon, nitrogen, One or more ions of fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, or a rare gas are implanted into the first region, and a third insulating film is formed over the first insulating film, the semiconductor film, and the gate electrode. The first region has a region where the first region and the gate electrode do not overlap with each other, and the second insulating film is formed. Is formed using PECVD, and the gas used for PECVD is silane and dinitrogen monoxide, and the flow rate of dinitrogen monoxide is greater than 1000 times and less than 10,000 times with respect to the flow rate of silane. This is a method for manufacturing a semiconductor device.

(6)
また、本発明の一態様は、基板上に第1の導電膜を形成し、基板上および第1の導電膜上に第1の絶縁膜を成膜し、第1の絶縁膜上に酸化物半導体膜を成膜し、酸化物半導膜上に第2の絶縁膜を成膜し、第2の絶縁膜および第1の絶縁膜をリソグラフィー法によって第1の導電膜に達する開口部を形成し、第2の絶縁膜上に第2の導電膜を成膜し、第2の導電膜および第2の絶縁膜をリソグラフィー法によって第2の導電膜を有するゲート電極および第2の絶縁膜を有するゲート絶縁膜を形成し、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、または希ガスの1以上のイオンを第1の領域に注入し、第1の絶縁膜上、半導体膜上およびゲート電極上に第3の絶縁膜を成膜し、第1の領域は、第1の領域とゲート電極とが互いに重ならない領域を有し、第2の絶縁膜の成膜は、PECVD法を用いて成膜し、PECVD法に使用する気体は、シランおよび一酸化二窒素であり、シランの流量に対して一酸化二窒素の流量は1000倍より大きく10000倍未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
(6)
According to one embodiment of the present invention, a first conductive film is formed over a substrate, a first insulating film is formed over the substrate and the first conductive film, and an oxide is formed over the first insulating film. A semiconductor film is formed, a second insulating film is formed over the oxide semiconductor film, and an opening reaching the first conductive film is formed in the second insulating film and the first insulating film by lithography. Then, a second conductive film is formed over the second insulating film, and the gate electrode and the second insulating film having the second conductive film are formed by lithography using the second conductive film and the second insulating film. And forming one or more ions of hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, or a rare gas into the first region, over the first insulating film, A third insulating film is formed over the semiconductor film and the gate electrode. In the first region, the first region and the gate electrode are interchanged. The second insulating film is formed using the PECVD method, and the gas used for the PECVD method is silane and dinitrogen monoxide. The method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that the flow rate of dinitrogen monoxide is greater than 1000 times and less than 10,000 times.

(7)
また、本発明の一態様は、希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンの1以上を用いることを特徴とする(5)または(6)に記載の半導体装置の作製方法である。
(7)
Another embodiment of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to (5) or (6), wherein the rare gas is one or more of helium, neon, argon, krypton, or xenon.

(8)
また、本発明の一態様は、注入は、プラズマ処理法、イオンドーピング法またはイオン注入法を用いて行うことを特徴とする(5)乃至(7)のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法である。
(8)
According to one embodiment of the present invention, the implantation is performed using a plasma treatment method, an ion doping method, or an ion implantation method. The manufacturing of a semiconductor device according to any one of (5) to (7) Is the method.

(9)
また、本発明の一態様は、第3の絶縁膜は、窒素、水素またはフッ素の1以上を有する気体を用いて成膜することを特徴とする(5)乃至(8)のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法である。
(9)
According to one embodiment of the present invention, the third insulating film is formed using a gas containing one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine. A manufacturing method of the semiconductor device described.

(10)
また、本発明の一態様は、表示装置の作製方法であって、表示装置は、(1)乃至(9)のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法を用いて作製された半導体装置および表示素子を有することを特徴とする表示装置の作製方法である。
(10)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a display device, the display device including a semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of (1) to (9) and It is a method for manufacturing a display device including a display element.

(11)
また、本発明の一態様は、表示モジュールの作製方法であって、表示モジュールは、(10)に記載の表示装置の作製方法を用いて作製された表示装置およびタッチセンサを有することを特徴とする表示モジュールの作製方法である。
(11)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a display module, the display module including a display device and a touch sensor manufactured using the method for manufacturing a display device according to (10). This is a method for manufacturing a display module.

(12)
また、本発明の一態様は、電子機器の作製方法であって、電子機器は、(11)に記載の表示モジュールの作製方法を用いて作製された表示モジュール、および操作キーまたはバッテリを有することを特徴とする電子機器の作製方法である。
(12)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing an electronic device, and the electronic device includes a display module manufactured using the method for manufacturing a display module described in (11) and an operation key or a battery. This is a method for manufacturing an electronic device.

本発明の一態様により、酸化物半導体を有するトランジスタにおいて、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。または、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するトップゲート型のトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、微細なトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するオン電流が大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、酸化物半導体を有するオフ電流が小さいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、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。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, in a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a top-gate transistor including an oxide semiconductor can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a fine transistor can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a transistor having an oxide semiconductor and a large on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a transistor having an oxide semiconductor and having low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device 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、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

半導体装置を説明する上面図及び断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図及び断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. バンド構造を説明する図。The figure explaining a band structure. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 酸素欠損が形成されるモデルを説明する図。The figure explaining the model in which oxygen deficiency is formed. 酸素欠損が形成されるモデルを説明する図。The figure explaining the model in which oxygen deficiency is formed. 計算に用いたモデルを説明する図。The figure explaining the model used for calculation. VoFモデルの状態密度の計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the state density of a VoF model. 計算に用いたモデルを説明する図。The figure explaining the model used for calculation. 計算に用いたモデルを説明する図。The figure explaining the model used for calculation. 結晶モデルの状態密度の計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the state density of a crystal model. Vo及びVoFの形成エネルギーの計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the formation energy of Vo and VoF. Fint及びOintの形成エネルギーの計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the formation energy of Fint and Oint. 反応原系及び生成系の形成エネルギーとエネルギー差の計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the formation energy and energy difference of a reaction original system and a production | generation system. 計算に用いたモデルを説明する図。The figure explaining the model used for calculation. InGaZnO結晶モデルの格子間における不純物(FまたはH)の安定配置のモデルを説明する図。InGaZnO 4 diagram illustrating a model of a stable placement of the impurities (F or H) between the cell of the crystal model. InGaZnO結晶中のFの拡散経路のモデルを説明する図。InGaZnO 4 diagram a model describing the diffusion path for F in the crystal. Fの拡散経路に対応するエネルギーの変化の計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the change of the energy corresponding to the diffusion path of F. InGaZnO結晶中のHの拡散経路のモデルを説明する図。InGaZnO 4 diagram a model describing the diffusion path of H in the crystal. Hの拡散経路に対応するエネルギーの変化の計算結果を説明する図。The figure explaining the calculation result of the change of the energy corresponding to the diffusion path of H. 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、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。FIGS. 4A to 4C illustrate structural analysis by XRD of a CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor, and a diagram illustrating a limited-field electron diffraction pattern of the CAAC-OS. FIGS. CAAC−OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。Sectional TEM image of CAAC-OS, planar TEM image and image analysis image thereof. nc−OSの電子回折パターンを示す図、およびnc−OSの断面TEM像。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS, and the cross-sectional TEM image of nc-OS. a−like OSの断面TEM像。Cross-sectional TEM image of a-like 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. 表示装置の一態様を示す上面図。FIG. 14 is a top view illustrating one embodiment of a display device. 表示装置の一態様を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a display device. 表示装置の一態様を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a display device. 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す上面図及び断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の回路構成を説明する図。10A and 10B each illustrate a circuit configuration of a semiconductor device. 画素回路の構成を説明する図、及び画素回路の動作を説明するタイミングチャート。3A and 3B illustrate a structure of a pixel circuit and a timing chart illustrating an operation of the pixel circuit. 表示装置を説明するブロック図及び回路図。10A and 10B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a display device. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。5A and 5B are a graph and a circuit diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 入出力装置の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of an input / output device. 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating the structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating the structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。FIG. 6 is a top view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 表示モジュールを説明する図。The figure explaining a display module. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device. 表示装置の斜視図。The perspective view of a display apparatus. 実施例のTDS分析の図。The figure of the TDS analysis of an Example. 実施例のシート抵抗を表す図。The figure showing the sheet resistance of an Example. 実施例のTDS分析の図。The figure of the TDS analysis of an Example. 実施例のId−Vg特性の図。The figure of the Id-Vg characteristic of an Example. 実施例のId−Vg特性の図。The figure of the Id-Vg characteristic of an Example. 実施例のId−Vg特性の図。The figure of the Id-Vg characteristic of an Example. 実施例のId−Vg特性の図。The figure of the Id-Vg characteristic of an Example. 実施例のId−Vd特性の図。The figure of the Id-Vd characteristic of an Example.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、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。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

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。 In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show an ideal example, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.

また、本明細書にて用いる「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。 In addition, the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” used in the present specification are attached to avoid confusion between components, and are not limited numerically. Appendices.

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。 In addition, in this specification, terms indicating arrangement such as “above” and “below” are used for convenience to describe the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

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。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, channel region, and source. It is something that can be done. Note that in this specification and the like, a channel region refers to a region through which a current mainly flows.

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。 In addition, the functions of the source and drain may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 In addition, in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “thing having some electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets. For example, “thing having some electric action” includes electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.

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、「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。 Further, in this specification and the like, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “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.

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。 In this specification and the like, the terms “film” and “layer” can be interchanged with each other. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(非導通状態、遮断状態、ともいう)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。 In this specification and the like, unless otherwise specified, off-state current refers to drain current when a transistor is off (also referred to as a non-conduction state or a cutoff state). The off state is a state where the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth in the n-channel transistor, and the voltage Vgs between the gate and the source in the p-channel transistor unless otherwise specified. Is higher than the threshold voltage Vth. For example, the off-state current of an n-channel transistor sometimes refers to a drain current when the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth.

トランジスタのオフ電流は、Vgsに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、トランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のVgsにおけるオフ状態、所定の範囲内のVgsにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるVgsにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。 The off-state current of the transistor may depend on Vgs. Therefore, the off-state current of the transistor being I or less sometimes means that there exists a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is I or less. The off-state current of a transistor may refer to an off-state current in an off state at a predetermined Vgs, an off state in a Vgs within a predetermined range, or an off state in Vgs at which a sufficiently reduced off current is obtained.

一例として、しきい値電圧Vthが0.5Vであり、Vgsが0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−9Aであり、Vgsが0.1Vにおけるドレイン電流が1×10−13Aであり、Vgsがー0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−19Aであり、Vgsがー0.8Vにおけるドレイン電流が1×10−22Aであるようなnチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Vgsが−0.5Vにおいて、または、Vgsが−0.5V乃至−0.8Vの範囲において、1×10−19A以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は1×10−19A以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が1×10−22A以下となるVgsが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は1×10−22A以下である、と言う場合がある。 As an example, when the threshold voltage Vth is 0.5 V, the drain current when Vgs is 0.5 V is 1 × 10 −9 A, and the drain current when Vgs is 0.1 V is 1 × 10 −13 A. Assume that the n-channel transistor has a drain current of 1 × 10 −19 A when Vgs is −0.5 V and a drain current of 1 × 10 −22 A when Vgs is −0.8 V. Since the drain current of the transistor is 1 × 10 −19 A or less when Vgs is −0.5 V or Vgs is in the range of −0.5 V to −0.8 V, the off-state current of the transistor is 1 It may be said that it is below x10 <-19> A. Since there is Vgs at which the drain current of the transistor is 1 × 10 −22 A or less, the off-state current of the transistor may be 1 × 10 −22 A or less.

また、本明細書等では、チャネル幅Wを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Wあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅(例えば1μm)あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流/長さの次元を持つ単位(例えば、A/μm)で表される場合がある。 In this specification and the like, the off-state current of a transistor having a channel width W may be represented by a current value flowing around the channel width W. In some cases, the current value flows around a predetermined channel width (for example, 1 μm). In the latter case, the unit of off-current may be represented by a unit having a dimension of current / length (for example, A / μm).

トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、60℃、85℃、95℃、または125℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、室温、60℃、85℃、95℃、125℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを指す場合がある。 The off-state current of a transistor may depend on temperature. In this specification, off-state current may represent off-state current at room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., or 125 ° C. unless otherwise specified. Alternatively, at a temperature at which reliability of the semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or a temperature at which the semiconductor device or the like including the transistor is used (for example, any one of 5 ° C. to 35 ° C.). May represent off-state current. The off-state current of a transistor is I or less means that room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., 125 ° C., a temperature at which the reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed, or the transistor is included. There may be a case where there is a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is equal to or lower than I at a temperature at which the semiconductor device or the like is used (for example, any one temperature of 5 ° C. to 35 ° C.).

トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Vdsに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V,2.5V,3V、3.3V、10V、12V、16V、または20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVdsにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がI以下である、とは、Vdsが0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V,2.5V,3V、3.3V、10V、12V、16V、20V、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVds、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsの値が存在することを指す場合がある。 The off-state current of the transistor may depend on the voltage Vds between the drain and the source. In this specification, the off-state current is Vds of 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V unless otherwise specified. Or an off-current at 20V. Alternatively, Vds in which reliability of a semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or an off-current in Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor may be represented. The off-state current of the transistor is equal to or less than I. Vds is 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V, 20V There is a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is less than or equal to Vds at which Vds guarantees the reliability of the semiconductor device including the transistor or Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor. May be pointed to.

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。 In the description of the off-state current, the drain may be read as the source. That is, the off-state current sometimes refers to a current that flows through the source when the transistor is off.

また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。 In this specification and the like, the term “leakage current” may be used in the same meaning as off-state current. In this specification and the like, off-state current may refer to current that flows between a source and a drain when a transistor is off, for example.

また、本明細書等において、半導体の不純物とは、半導体膜を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、半導体にDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体を有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンを有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。 In this specification and the like, a semiconductor impurity refers to a component other than the main components included in a semiconductor film. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% is an impurity. By including impurities, DOS (Density of State) may be formed in the semiconductor, carrier mobility may be reduced, and crystallinity may be reduced. In the case where the semiconductor includes an oxide semiconductor, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include Group 1 elements, Group 2 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and transition metals other than the main component. In particular, there are hydrogen (also included in water), lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed by mixing impurities such as hydrogen, for example. In the case where the semiconductor includes silicon, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include Group 1 elements, Group 2 elements, Group 13 elements, and Group 15 elements other than oxygen and hydrogen.

(実施の形態1)
本実施の形態では、トランジスタを有する半導体装置、及び当該半導体装置の作製方法の一例について、図1乃至図20を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of a semiconductor device including a transistor and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

<1−1.半導体装置の構成例1>
図1(A)(B)(C)に、トランジスタを有する半導体装置の一例を示す。なお、図1(A)(B)(C)に示すトランジスタは、トップゲート型である。
<1-1. Configuration Example 1 of Semiconductor Device>
1A, 1B, and 1C illustrate an example of a semiconductor device including a transistor. Note that the transistors illustrated in FIGS. 1A to 1C are top-gate transistors.

図1(A)は、トランジスタ100の上面図であり、図1(B)は図1(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図1(C)は図1(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。なお、図1(A)では、明瞭化のため、絶縁膜110などの構成要素を省略して図示している。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図1(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長(L)方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅(W)方向と呼称する場合がある。 1A is a top view of the transistor 100, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 1A, and FIG. 1C is FIG. It is sectional drawing between dashed-dotted lines Y1-Y2. Note that in FIG. 1A, components such as the insulating film 110 are omitted for clarity. Note that in the top view of the transistor, some components may be omitted in the following drawings as in FIG. 1A. In addition, the alternate long and short dash line X1-X2 direction may be referred to as a channel length (L) direction, and the alternate long and short dash line Y1-Y2 direction may be referred to as a channel width (W) direction.

図1(A)(B)(C)に示すトランジスタ100は、基板102上の絶縁膜104と、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108と、酸化物半導体膜108上の絶縁膜110と、絶縁膜110上の導電膜114と、絶縁膜104、酸化物半導体膜108、及び導電膜114上の絶縁膜116と、を有する。なお、酸化物半導体膜108は、導電膜114と重なるチャネル領域108iと、絶縁膜116と接するソース領域108sと、絶縁膜116と接するドレイン領域108dと、を有する。 1A, 1B, and 1C includes an insulating film 104 over a substrate 102, an oxide semiconductor film 108 over an insulating film 104, an insulating film 110 over an oxide semiconductor film 108, The conductive film 114 over the insulating film 110, the insulating film 104, the oxide semiconductor film 108, and the insulating film 116 over the conductive film 114 are included. Note that the oxide semiconductor film 108 includes a channel region 108 i overlapping with the conductive film 114, a source region 108 s in contact with the insulating film 116, and a drain region 108 d in contact with the insulating film 116.

なお、絶縁膜116は、窒素、水素、フッ素の1以上を有する。絶縁膜116と、ソース領域108s及びドレイン領域108dと、が接することで、絶縁膜116中の窒素、水素、またはフッ素の1以上がソース領域108s及びドレイン領域108d中に添加される。ソース領域108s及びドレイン領域108dは、上述の元素が添加されることで、キャリア密度が高くなる。特に、ソース領域108s及びドレイン領域108dは、フッ素を有すると好ましい。ソース領域108s及びドレイン領域108dがフッ素を有すると、キャリア密度を安定して高めることができる。なお、酸化物半導体がフッ素を有する構成については、実施の形態2にて詳細に説明する。 Note that the insulating film 116 contains one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine. When the insulating film 116 is in contact with the source region 108s and the drain region 108d, one or more of nitrogen, hydrogen, or fluorine in the insulating film 116 is added to the source region 108s and the drain region 108d. The carrier density of the source region 108s and the drain region 108d is increased by adding the above-described elements. In particular, the source region 108s and the drain region 108d preferably include fluorine. When the source region 108s and the drain region 108d have fluorine, the carrier density can be stably increased. Note that the structure in which the oxide semiconductor includes fluorine is described in detail in Embodiment 2.

また、トランジスタ100は、絶縁膜116上の絶縁膜118と、絶縁膜116、118に設けられた開口部141aを介して、ソース領域108sに電気的に接続される導電膜120aと、絶縁膜116、118に設けられた開口部141bを介して、ドレイン領域108dに電気的に接続される導電膜120bと、を有していてもよい。 Further, the transistor 100 includes an insulating film 118 over the insulating film 116, a conductive film 120a electrically connected to the source region 108s through the opening 141a provided in the insulating films 116 and 118, and the insulating film 116. , 118 may be provided, and the conductive film 120b electrically connected to the drain region 108d through the opening 141b provided in the opening 118b.

なお、本明細書等において、絶縁膜104を第1の絶縁膜と、絶縁膜110を第2の絶縁膜と、絶縁膜116を第3の絶縁膜と、絶縁膜118を第4の絶縁膜と、それぞれ呼称する場合がある。また、導電膜114は、ゲート電極としての機能を有し、導電膜120aは、ソース電極としての機能を有し、導電膜120bは、ドレイン電極としての機能を有する。 Note that in this specification and the like, the insulating film 104 is a first insulating film, the insulating film 110 is a second insulating film, the insulating film 116 is a third insulating film, and the insulating film 118 is a fourth insulating film. And may be called respectively. The conductive film 114 functions as a gate electrode, the conductive film 120a functions as a source electrode, and the conductive film 120b functions as a drain electrode.

また、絶縁膜110は、酸化物半導体膜108および絶縁膜104に酸素を供給する機能を有する。絶縁膜110が、酸化物半導体膜108に酸素を供給する機能を有することで、酸化物半導体膜108が有するチャネル領域108i中に酸素を供給することができる。よって、チャネル領域108iに形成されうる酸素欠損を過剰酸素により補填することができるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。さらに、絶縁膜110が、絶縁膜104に酸素を供給する機能を有することで、絶縁膜104に供給された過剰酸素が、熱処理などによって酸化物半導体膜108内に移動し、酸化物半導体膜108内の酸素欠損を補填することができるため、より信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 The insulating film 110 has a function of supplying oxygen to the oxide semiconductor film 108 and the insulating film 104. Since the insulating film 110 has a function of supplying oxygen to the oxide semiconductor film 108, oxygen can be supplied to the channel region 108 i included in the oxide semiconductor film 108. Accordingly, oxygen vacancies that can be formed in the channel region 108i can be filled with excess oxygen, so that a highly reliable semiconductor device can be provided. Further, since the insulating film 110 has a function of supplying oxygen to the insulating film 104, excess oxygen supplied to the insulating film 104 moves into the oxide semiconductor film 108 by heat treatment or the like, and the oxide semiconductor film 108. Therefore, a more reliable semiconductor device can be provided.

なお、酸化物半導体膜108中に酸素を供給させるためには、酸化物半導体膜108の下方に形成される絶縁膜104に酸素を供給してもよい。ただし、この場合、絶縁膜104中に含まれる過剰酸素は、酸化物半導体膜108が有するソース領域108s、及びドレイン領域108dにも供給されうる。ソース領域108s、及びドレイン領域108d中に酸素が供給されると、ソース領域108s、及びドレイン領域108dの抵抗が高くなる場合がある。 Note that oxygen may be supplied to the insulating film 104 formed below the oxide semiconductor film 108 in order to supply oxygen into the oxide semiconductor film 108. Note that in this case, excess oxygen contained in the insulating film 104 can be supplied to the source region 108s and the drain region 108d included in the oxide semiconductor film 108. When oxygen is supplied to the source region 108s and the drain region 108d, the resistance of the source region 108s and the drain region 108d may increase.

一方で、酸化物半導体膜108の上方に形成される絶縁膜110に過剰酸素を有する構成とすることで、チャネル領域108iにのみ選択的に過剰酸素を供給させることが可能となる。あるいは、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dに過剰酸素を供給させたのち、ソース領域108s及びドレイン領域108dのキャリア密度を選択的に高めればよい。 On the other hand, when the insulating film 110 formed above the oxide semiconductor film 108 has excess oxygen, excess oxygen can be selectively supplied only to the channel region 108i. Alternatively, after supplying excess oxygen to the channel region 108i, the source region 108s, and the drain region 108d, the carrier density in the source region 108s and the drain region 108d may be selectively increased.

また、酸化物半導体膜108が有するソース領域108s及びドレイン領域108dは、それぞれ、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を有すると好ましい。当該酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。上記酸素欠損を形成する元素は、絶縁膜116の構成元素がソース領域108s、及びドレイン領域108dに拡散する、または不純物添加処理によりソース領域108s、及びドレイン領域108d中に添加される。 The source region 108s and the drain region 108d included in the oxide semiconductor film 108 preferably each include an element that forms oxygen vacancies or an element that combines with oxygen vacancies. As an element that forms oxygen vacancies or an element that combines with oxygen vacancies, typically, hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, a rare gas, or the like can be given. Typical examples of rare gas elements include helium, neon, argon, krypton, and xenon. The element that forms oxygen vacancies is added to the source region 108 s and the drain region 108 d by diffusion of the constituent elements of the insulating film 116 into the source region 108 s and the drain region 108 d, or by impurity addition treatment.

不純物元素が酸化物半導体膜に添加されると、酸化物半導体膜中の金属元素と酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。または、不純物元素が酸化物半導体膜に添加されると、酸化物半導体膜中の金属元素と結合していた酸素が不純物元素と結合し、金属元素から酸素が脱離され、酸素欠損が形成される。これらの結果、酸化物半導体膜においてキャリア密度が増加し、導電性が高くなる。 When the impurity element is added to the oxide semiconductor film, the bond between the metal element and oxygen in the oxide semiconductor film is cut, so that an oxygen vacancy is formed. Alternatively, when an impurity element is added to the oxide semiconductor film, oxygen bonded to the metal element in the oxide semiconductor film is bonded to the impurity element, so that oxygen is released from the metal element and oxygen vacancies are formed. The As a result, the carrier density in the oxide semiconductor film is increased and the conductivity is increased.

このように、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体膜108に接する絶縁膜110に酸素を供給することで、酸化物半導体膜108が有するチャネル領域108i中に選択的に過剰酸素を供給することができる。また、絶縁膜116が水素、窒素、またはフッ素の1以上を有することで、絶縁膜116と接するソース領域108s、及びドレイン領域108dのキャリア密度を選択的に高めることが可能となる。したがって、電気特性の優れた半導体装置を提供することができる。 As described above, in the semiconductor device of one embodiment of the present invention, oxygen is selectively supplied to the channel region 108 i included in the oxide semiconductor film 108 by supplying oxygen to the insulating film 110 in contact with the oxide semiconductor film 108. Can be supplied. In addition, since the insulating film 116 includes one or more of hydrogen, nitrogen, or fluorine, the carrier density of the source region 108s and the drain region 108d that are in contact with the insulating film 116 can be selectively increased. Therefore, a semiconductor device with excellent electrical characteristics can be provided.

次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置の構成要素の詳細について説明する。 Next, details of components of the semiconductor device illustrated in FIGS. 1A, 1B, and 1C will be described.

[基板]
基板102としては、様々な基板を用いることができ、特定のものに限定されることはない。基板の一例としては、半導体基板(例えば単結晶基板またはシリコン基板)、SOI基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、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がある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、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、ポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、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。特に、半導体基板、単結晶基板、またはSOI基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。
[substrate]
Various substrates can be used as the substrate 102, and the substrate 102 is not limited to a specific substrate. As an example of a substrate, a semiconductor substrate (for example, a single crystal substrate or a silicon substrate), an SOI substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, a substrate having stainless steel foil, a tungsten substrate, Examples include a substrate having a tungsten foil, a flexible substrate, a laminated film, a paper containing a fibrous material, or a base film. Examples of the glass substrate include barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and soda lime glass. Examples of the flexible substrate, the laminated film, and the base film include the following. For example, there are plastics represented by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyethersulfone (PES). Another example is a synthetic resin such as acrylic. Alternatively, examples include polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, and polyvinyl chloride. As an example, there are polyamide, polyimide, aramid, epoxy, an inorganic vapor deposition film, and papers. In particular, by manufacturing a transistor using a semiconductor substrate, a single crystal substrate, an SOI substrate, or the like, a transistor with small variation in characteristics, size, or shape, high current capability, and small size can be manufactured. . When a circuit is formed using such transistors, the power consumption of the circuit can be reduced or the circuit can be highly integrated.

また、基板102として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタを形成してもよい。または、基板102とトランジスタの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板102より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その際、トランジスタを耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構造の構成、または基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成等を用いることができる。 Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate 102, and the transistor may be formed directly over the flexible substrate. Alternatively, a separation layer may be provided between the substrate 102 and the transistor. The separation layer can be used for separation from the substrate 102 and transfer to another substrate after the semiconductor device is partially or entirely completed thereon. At that time, the transistor can be transferred to a substrate having poor heat resistance or a flexible substrate. Note that, for example, a structure in which an inorganic film of a tungsten film and a silicon oxide film is stacked, or a structure in which an organic resin film such as polyimide is formed over a substrate can be used for the above-described release layer.

トランジスタが転載される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、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。 Examples of a substrate on which a transistor is transferred include a paper substrate, a cellophane substrate, an aramid film substrate, a polyimide film substrate, a stone substrate, a wood substrate, a cloth substrate (natural fiber) in addition to the above-described substrate capable of forming a transistor. (Silk, cotton, hemp), synthetic fibers (including 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.

[第1の絶縁膜]
絶縁膜104としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等を適宜用いて形成することができる。また、絶縁膜104としては、例えば、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜108との界面特性を向上させるため、絶縁膜104において少なくとも酸化物半導体膜108と接する領域は酸化物絶縁膜で形成することが好ましい。また、絶縁膜104として加熱により酸素を放出する酸化物絶縁膜を用いることで、加熱処理により絶縁膜104に含まれる酸素を、酸化物半導体膜108に移動させることが可能である。
[First insulating film]
The insulating film 104 can be formed using a sputtering method, a CVD method, an evaporation method, a pulsed laser deposition (PLD) method, a printing method, a coating method, or the like as appropriate. As the insulating film 104, for example, an oxide insulating film or a nitride insulating film can be formed as a single layer or a stacked layer. Note that in order to improve interface characteristics with the oxide semiconductor film 108, at least a region in contact with the oxide semiconductor film 108 in the insulating film 104 is preferably formed using an oxide insulating film. In addition, by using an oxide insulating film from which oxygen is released by heating as the insulating film 104, oxygen contained in the insulating film 104 can be transferred to the oxide semiconductor film 108 by heat treatment.

絶縁膜104の厚さは、50nm以上、または100nm以上3000nm以下、または200nm以上1000nm以下とすることができる。絶縁膜104を厚くすることで、絶縁膜104の酸素放出量を増加させることができると共に、絶縁膜104と酸化物半導体膜108との界面における界面準位、並びに酸化物半導体膜108のチャネル領域108iに含まれる酸素欠損を低減することが可能である。 The thickness of the insulating film 104 can be greater than or equal to 50 nm, or greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 3000 nm, or greater than or equal to 200 nm and less than or equal to 1000 nm. By increasing the thickness of the insulating film 104, the amount of oxygen released from the insulating film 104 can be increased, the interface state at the interface between the insulating film 104 and the oxide semiconductor film 108, and the channel region of the oxide semiconductor film 108 It is possible to reduce oxygen vacancies contained in 108i.

絶縁膜104として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。本実施の形態では、絶縁膜104として、窒化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜との積層構造を用いる。このように、絶縁膜104を積層構造として、下層側に窒化シリコン膜を用い、上層側に酸化窒化シリコン膜を用いることで、酸化物半導体膜108中に効率よく酸素を導入することができる。 The insulating film 104 may be formed using, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, or Ga—Zn oxide, and may be provided as a single layer or a stacked layer. In this embodiment, a stacked structure of a silicon nitride film and a silicon oxynitride film is used as the insulating film 104. In this manner, oxygen can be efficiently introduced into the oxide semiconductor film 108 by using the insulating film 104 as a stacked structure and using a silicon nitride film on the lower layer side and a silicon oxynitride film on the upper layer side.

[酸化物半導体膜]
酸化物半導体膜108は、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、またはSn)等の金属酸化物で形成される。また、酸化物半導体膜108として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。
[Oxide semiconductor film]
The oxide semiconductor film 108 is formed using a metal oxide such as In-M-Zn oxide (M is Al, Ga, Y, or Sn). As the oxide semiconductor film 108, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

なお、酸化物半導体膜108がIn−M−Zn酸化物の場合、ZnおよびOを除いてのInおよびMの原子数比率は、In及びMの和を100atomic%としたときInが25atomic%より高く、Mが75atomic%未満、またはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。 Note that in the case where the oxide semiconductor film 108 is an In—M—Zn oxide, the atomic ratio of In and M excluding Zn and O is such that In is 25 atomic% when the sum of In and M is 100 atomic%. High, M is less than 75 atomic%, or In is higher than 34 atomic%, and M is less than 66 atomic%.

また、酸化物半導体膜108は、エネルギーギャップが2eV以上、または2.5eV以上、または3eV以上であると好ましい。 The oxide semiconductor film 108 preferably has an energy gap of 2 eV or more, 2.5 eV or more, or 3 eV or more.

酸化物半導体膜108の厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上100nm以下、さらに好ましくは3nm以上60nm以下である。 The thickness of the oxide semiconductor film 108 is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 3 nm to 60 nm.

酸化物半導体膜108がIn−M−Zn酸化物の場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:1.5、In:M:Zn=2:1:2.3、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:7等が好ましい。なお、成膜される酸化物半導体膜108の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%程度変動することがある。例えば、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、成膜される酸化物半導体膜の原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。また、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=5:1:7を用いる場合、成膜される酸化物半導体膜の原子数比は、In:Ga:Zn=5:1:6近傍となる場合がある。 In the case where the oxide semiconductor film 108 is an In-M-Zn oxide, the atomic ratio of metal elements of a sputtering target used for forming the In-M-Zn oxide satisfies In ≧ M and Zn ≧ M. It is preferable. As the atomic ratio of the metal elements of such a sputtering target, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 2: 1: 1.5, In: M: Zn = 2: 1: 2.3, In: M: Zn = 2: 1: 3, In: M: Zn = 3: 1: 2, In: M: Zn = 4: 2: 4.1, In: M: Zn = 5: 1: 7, etc. are preferable. Note that the atomic ratio of the oxide semiconductor film 108 to be formed may vary by about plus or minus 40% of the atomic ratio of the metal element contained in the sputtering target. For example, when an atomic ratio of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 is used as the sputtering target, the atomic ratio of the oxide semiconductor film to be formed is In: Ga: Zn = 4: 2. : It may be in the vicinity of 3. In the case where an atomic ratio of In: Ga: Zn = 5: 1: 7 is used as the sputtering target, the atomic ratio of the oxide semiconductor film to be formed is In: Ga: Zn = 5: 1: 6. May be near.

また、酸化物半導体膜108において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、n型となる場合がある。このため、酸化物半導体膜108、特にチャネル領域108iにおいて、シリコンあるいは炭素の濃度を、2×1018atoms/cm以下、または2×1017atoms/cm以下とすることが好ましい。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。なお、上述のシリコンまたは炭素の濃度としては、例えば、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定することができる。 In the case where the oxide semiconductor film 108 contains silicon or carbon which is one of Group 14 elements, oxygen vacancies increase and the oxide semiconductor film 108 may be n-type. Therefore, the silicon or carbon concentration in the oxide semiconductor film 108, particularly the channel region 108i, is preferably 2 × 10 18 atoms / cm 3 or lower, or 2 × 10 17 atoms / cm 3 or lower. As a result, the transistor has electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive. Note that the concentration of silicon or carbon described above can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS).

また、チャネル領域108iにおいて、二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、または2×1016atoms/cm以下とすることができる。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、チャネル領域108iのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。この結果、トランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)を有する。 In the channel region 108i, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal obtained by secondary ion mass spectrometry is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. Can do. When an alkali metal and an alkaline earth metal are combined with an oxide semiconductor, carriers may be generated, and the off-state current of the transistor may be increased. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the channel region 108i. As a result, the transistor has electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive.

また、チャネル領域108iに窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型となる場合がある。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネル領域108iにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、二次イオン質量分析法により得られる窒素濃度を、5×1018atoms/cm以下とすればよい。 In addition, when nitrogen is contained in the channel region 108i, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type may be obtained. As a result, a transistor including an oxide semiconductor film containing nitrogen is likely to be normally on. Therefore, nitrogen is preferably reduced as much as possible in the channel region 108i. For example, the nitrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry may be 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

また、チャネル領域108iにおいて、不純物元素を低減することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を低減することができる。このため、チャネル領域108iにおいては、キャリア密度を1×1017個/cm以下、または1×1015個/cm以下、または1×1013個/cm以下、または1×1011個/cm以下とすることができる。 Further, in the channel region 108 i, the carrier density of the oxide semiconductor film can be reduced by reducing the impurity element. For this reason, in the channel region 108i, the carrier density is 1 × 10 17 pieces / cm 3 or less, or 1 × 10 15 pieces / cm 3 or less, or 1 × 10 13 pieces / cm 3 or less, or 1 × 10 11 pieces. / Cm 3 or less.

チャネル領域108iとして、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜を用いることで、さらに優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)ことを高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。あるいは、真性、または実質的に真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリーオフ特性ともいう。)になりやすい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さい特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合がある。 By using an oxide semiconductor film having a low impurity concentration and a low density of defect states as the channel region 108i, a transistor having more excellent electrical characteristics can be manufactured. Here, the low impurity concentration and the low density of defect states (there are few oxygen vacancies) are called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. Alternatively, it is called intrinsic or substantially intrinsic. An oxide semiconductor that is highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic has few carrier generation sources, and thus may have a low carrier density. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor film easily has electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive. In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, and thus may have a low density of trap states. In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film can have characteristics with extremely low off-state current. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor film has a small variation in electrical characteristics and may be a highly reliable transistor.

一方で、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、絶縁膜116と接する。ソース領域108s、及びドレイン領域108dが絶縁膜116と接することで、絶縁膜116からソース領域108s、及びドレイン領域108dに水素、窒素、フッ素の1以上が添加されるため、キャリア密度が高くなる。 On the other hand, the source region 108 s and the drain region 108 d are in contact with the insulating film 116. When the source region 108s and the drain region 108d are in contact with the insulating film 116, one or more of hydrogen, nitrogen, and fluorine is added from the insulating film 116 to the source region 108s and the drain region 108d, so that the carrier density is increased.

また、酸化物半導体膜108は、非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、後述する微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。 The oxide semiconductor film 108 may have a non-single crystal structure. The non-single crystal structure includes, for example, a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor) described later, a polycrystalline structure, a microcrystalline structure described later, or an amorphous structure. In the non-single-crystal structure, the amorphous structure has the highest density of defect states, and the CAAC-OS has the lowest density of defect states.

なお、酸化物半導体膜108が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、及び単結晶構造の領域の二種以上を有する単層膜、あるいはこの膜が積層された構造であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film 108 includes a single-layer film including two or more of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, a polycrystalline structure region, a CAAC-OS region, and a single crystal structure region, Or the structure where this film | membrane was laminated | stacked may be sufficient.

なお、酸化物半導体膜108において、チャネル領域108iと、ソース領域108s及びドレイン領域108dとの結晶性が異なる場合がある。具体的には、酸化物半導体膜108において、チャネル領域108iよりもソース領域108s及びドレイン領域108dの方が、結晶性が低い場合がある。これは、ソース領域108s及びドレイン領域108dに不純物元素が添加された際に、ソース領域108s及びドレイン領域108dにダメージが入ってしまい、結晶性が低下するためである。 Note that in the oxide semiconductor film 108, the channel region 108i may differ in crystallinity from the source region 108s and the drain region 108d. Specifically, in the oxide semiconductor film 108, the source region 108s and the drain region 108d may have lower crystallinity than the channel region 108i. This is because when the impurity element is added to the source region 108s and the drain region 108d, the source region 108s and the drain region 108d are damaged, and crystallinity is lowered.

[第2の絶縁膜]
絶縁膜110は、トランジスタ100のゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁膜110は、酸化物半導体膜108、特にチャネル領域108iに酸素を供給する機能を有する。例えば、絶縁膜110としては、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。なお、酸化物半導体膜108との界面特性を向上させるため、絶縁膜110において、酸化物半導体膜108と接する領域は、少なくとも酸化物絶縁膜を用いて形成することが好ましい。絶縁膜110として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いればよい。
[Second insulating film]
The insulating film 110 functions as a gate insulating film of the transistor 100. The insulating film 110 has a function of supplying oxygen to the oxide semiconductor film 108, particularly the channel region 108i. For example, the insulating film 110 can be formed using a single layer or a stacked layer of an oxide insulating film or a nitride insulating film. Note that in order to improve interface characteristics with the oxide semiconductor film 108, a region in the insulating film 110 which is in contact with the oxide semiconductor film 108 is preferably formed using at least the oxide insulating film. As the insulating film 110, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like may be used.

また、絶縁膜110の厚さは、5nm以上400nm以下、または5nm以上300nm以下、または10nm以上250nm以下とすることができる。 The thickness of the insulating film 110 can be 5 nm to 400 nm, 5 nm to 300 nm, or 10 nm to 250 nm.

また、絶縁膜110は、欠陥が少ないことが好ましく、代表的には、電子スピン共鳴法(ESR:Electron Spin Resonance)で観察されるシグナルが少ない方が好ましい。例えば、上述のシグナルとしては、g値が2.001に観察されるE’センターが挙げられる。なお、E’センターは、シリコンのダングリングボンドに起因する。絶縁膜110としては、E’センター起因のスピン密度が、3×1017spins/cm以下、好ましくは5×1016spins/cm以下である酸化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜を用いればよい。 The insulating film 110 preferably has few defects. Typically, it is preferable that the number of signals observed by an electron spin resonance (ESR) be small. For example, the signal described above includes the E ′ center where the g value is observed at 2.001. The E ′ center is caused by silicon dangling bonds. As the insulating film 110, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film whose spin density due to the E ′ center is 3 × 10 17 spins / cm 3 or less, preferably 5 × 10 16 spins / cm 3 or less is used. Good.

また、絶縁膜110には、上述のシグナル以外に二酸化窒素(NO)に起因するシグナルが観察される場合がある。当該シグナルは、Nの核スピンにより3つのシグナルに分裂しており、それぞれのg値が2.037以上2.039以下(第1のシグナルとする)、g値が2.001以上2.003以下(第2のシグナルとする)、及びg値が1.964以上1.966以下(第3のシグナルとする)に観察される。 In addition, in the insulating film 110, a signal due to nitrogen dioxide (NO 2 ) may be observed in addition to the above signal. The signal is split into three signals by N nuclear spins, each having a g value of 2.037 or more and 2.039 or less (referred to as the first signal), and a g value of 2.001 or more and 2.003. The g value is observed below (referred to as the second signal) and from 1.964 to 1.966 (referred to as the third signal).

例えば、絶縁膜110として、二酸化窒素(NO)起因のスピン密度が、1×1017spins/cm以上1×1018spins/cm未満である絶縁膜を用いると好適である。 For example, as the insulating film 110, an insulating film whose spin density due to nitrogen dioxide (NO 2 ) is 1 × 10 17 spins / cm 3 or more and less than 1 × 10 18 spins / cm 3 is preferably used.

なお、二酸化窒素(NO)を含む窒素酸化物(NO、xは0を超えて2以下、好ましくは1以上2以下、代表的にはNOまたはNO)は、絶縁膜110中に準位を形成する。当該準位は、酸化物半導体膜108のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜110及び酸化物半導体膜108の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜110側において電子をトラップする場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜110及び酸化物半導体膜108界面近傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。 Note that nitrogen oxide containing nitrogen dioxide (NO 2 ) (NO x , x is more than 0 and 2 or less, preferably 1 or more and 2 or less, typically NO or NO 2 ) is quasi in the insulating film 110. Form a place. The level is located in the energy gap of the oxide semiconductor film 108. Therefore, when nitrogen oxide diffuses to the interface between the insulating film 110 and the oxide semiconductor film 108, the level may trap electrons on the insulating film 110 side. As a result, trapped electrons remain in the vicinity of the interface between the insulating film 110 and the oxide semiconductor film 108, so that the threshold voltage of the transistor is shifted in the positive direction.

したがって、絶縁膜110としては、窒素酸化物の含有量が少ない膜を用いる、別言すると絶縁膜110として窒素酸化物の放出量が少ない膜を用いると、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することができる。 Therefore, when the insulating film 110 is a film with a low content of nitrogen oxides, in other words, when a film with a small amount of nitrogen oxide emission is used as the insulating film 110, a shift in threshold voltage of the transistor is reduced. can do.

窒素酸化物の放出量が少ない絶縁膜としては、例えば、酸化窒化シリコン膜を用いることができる。当該酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が1×1018個/cm以上5×1019個/cm以下である。なお、上記のアンモニアの放出量は、TDSにおける加熱処理の温度が50℃以上650℃以下、または50℃以上550℃以下の範囲での総量である。 For example, a silicon oxynitride film can be used as the insulating film that emits less nitrogen oxide. The silicon oxynitride film is a film in which the amount of released ammonia is larger than the amount of released nitrogen oxides in a temperature programmed desorption gas analysis (TDS), and the amount of released ammonia is typically 1 × 10 18 pieces / cm 3 or more and 5 × 10 19 pieces / cm 3 or less. Note that the amount of ammonia released is the total amount when the temperature of the heat treatment in TDS is in the range of 50 ° C. to 650 ° C. or 50 ° C. to 550 ° C.

窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応するため、アンモニアの放出量が多い絶縁膜を用いることで窒素酸化物が低減される。 Since nitrogen oxide reacts with ammonia and oxygen in heat treatment, nitrogen oxide is reduced by using an insulating film that releases a large amount of ammonia.

なお、絶縁膜110をSIMSで測定した場合、膜中の窒素濃度が6×1020atoms/cm以下であると好ましい。 Note that when the insulating film 110 is measured by SIMS, the nitrogen concentration in the film is preferably 6 × 10 20 atoms / cm 3 or less.

また、絶縁膜110として、ハフニウムシリケート(HfSiO)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAl)、酸化ハフニウムなどのhigh−k材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。 Further, as the insulating film 110, hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium silicate to which nitrogen is added (HfSi x O y N z ), hafnium aluminate to which nitrogen is added (HfAl x O y N z ), hafnium oxide, and the like By using the high-k material, the gate leakage of the transistor can be reduced.

[第3の絶縁膜]
絶縁膜116は、窒素、水素、フッ素の1以上を有する。絶縁膜116としては、例えば、窒化物絶縁膜が挙げられる。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、窒化フッ化シリコン、フッ化窒化シリコン等を用いて形成することができる。絶縁膜116に含まれる水素濃度は、1×1022atoms/cm以上であると好ましい。また、絶縁膜116は、酸化物半導体膜108のソース領域108s、及びドレイン領域108dと接する。したがって、絶縁膜116と接するソース領域108s、及びドレイン領域108d中の不純物(窒素、水素、またはフッ素)濃度が高くなり、ソース領域108s、及びドレイン領域108dのキャリア密度を高めることができる。
[Third insulating film]
The insulating film 116 includes one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine. An example of the insulating film 116 is a nitride insulating film. The nitride insulating film can be formed using silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride fluoride, silicon fluoronitride, or the like. The concentration of hydrogen contained in the insulating film 116 is preferably 1 × 10 22 atoms / cm 3 or more. The insulating film 116 is in contact with the source region 108s and the drain region 108d of the oxide semiconductor film 108. Accordingly, the impurity (nitrogen, hydrogen, or fluorine) concentration in the source region 108s and the drain region 108d in contact with the insulating film 116 is increased, and the carrier density of the source region 108s and the drain region 108d can be increased.

[第4の絶縁膜]
絶縁膜118としては、酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜を単層または積層して形成することができる。絶縁膜118として、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物などを用いればよく、単層または積層で設けることができる。
[Fourth insulating film]
As the insulating film 118, an oxide insulating film or a nitride insulating film can be formed as a single layer or a stacked layer. As the insulating film 118, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, Ga—Zn oxide, or the like may be used, and the insulating film 118 can be provided as a single layer or a stacked layer.

また、絶縁膜118としては、外部からの水素、水等のバリア膜として機能する膜であることが好ましい。 The insulating film 118 is preferably a film that functions as a barrier film for hydrogen, water, and the like from the outside.

絶縁膜118の厚さは、30nm以上500nm以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。 The thickness of the insulating film 118 can be greater than or equal to 30 nm and less than or equal to 500 nm, or greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 400 nm.

[導電膜]
導電膜114、120a、120bとしては、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、熱CVD法等を用いて形成することができる。また、導電膜114、120a、120bとしては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、タングステンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、導電膜114、120a、120bは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、マンガンを含む銅膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造、マンガンを含む銅膜上に銅膜を積層し、さらにその上にマンガンを含む銅膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
[Conductive film]
The conductive films 114, 120a, and 120b can be formed by a sputtering method, a vacuum evaporation method, a pulse laser deposition (PLD) method, a thermal CVD method, or the like. In addition, as the conductive films 114, 120a, and 120b, for example, a metal element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, nickel, iron, cobalt, and tungsten, or an alloy containing the above-described metal elements as components. Or it can form using the alloy etc. which combined the metal element mentioned above. Alternatively, a metal element selected from one or more of manganese and zirconium may be used. The conductive films 114, 120a, and 120b may have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a single layer structure of a copper film containing manganese, a two layer structure in which a titanium film is laminated on an aluminum film, a two layer structure in which a titanium film is laminated on a titanium nitride film, and nitriding Two-layer structure in which tungsten film is laminated on titanium film, two-layer structure in which tungsten film is laminated on tantalum nitride film or tungsten nitride film, two-layer structure in which copper film is laminated on copper film containing manganese, on titanium film A two-layer structure in which a copper film is laminated, a titanium film, an aluminum film is laminated on the titanium film, and a three-layer structure in which a titanium film is formed thereon, and a copper film is laminated on a copper film containing manganese Further, there is a three-layer structure on which a copper film containing manganese is formed. Alternatively, an alloy film or a nitride film in which aluminum is combined with one or more selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium may be used.

また、導電膜114、120a、120bは、インジウム錫酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、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、シリコンを含むインジウム錫酸化物(In−Sn−Si酸化物:ITSOともいう)等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。 The conductive films 114, 120a, and 120b are formed of indium tin oxide (ITO), indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, or titanium oxide. A light-transmitting conductive material such as indium tin oxide containing silicon, indium zinc oxide, or indium tin oxide containing silicon (In-Sn-Si oxide: also referred to as ITSO) can be used. Alternatively, a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal element can be employed.

また、導電膜114として、In−Ga−Zn酸化物に代表される酸化物半導体を用いてもよい。この場合、導電膜114は、絶縁膜110に酸素を供給したのち、絶縁膜116から窒素、水素、またはフッ素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。別言すると、酸化物半導体は、酸化物導電体(OC:Oxide Conductor)として機能する。したがって、導電膜114は、ゲート電極の一部として用いることができる。例えば、導電膜114としては、酸化物導電体(OC)の単層構造、金属膜の単層構造、または酸化物導電体(OC)と、金属膜との積層構造等が挙げられる。 Alternatively, an oxide semiconductor typified by an In—Ga—Zn oxide may be used as the conductive film 114. In this case, after supplying oxygen to the insulating film 110, the conductive film 114 is supplied with nitrogen, hydrogen, or fluorine from the insulating film 116, so that the carrier density is increased. In other words, the oxide semiconductor functions as an oxide conductor (OC). Therefore, the conductive film 114 can be used as part of the gate electrode. For example, examples of the conductive film 114 include a single-layer structure of an oxide conductor (OC), a single-layer structure of a metal film, or a stacked structure of an oxide conductor (OC) and a metal film.

なお、導電膜114として、遮光性を有する金属膜の単層構造、または酸化物導電体(OC)と遮光性を有する金属膜との積層構造を用いる場合、導電膜114の下方に形成されるチャネル領域108iを遮光することができるため、好適である。 Note that the conductive film 114 is formed below the conductive film 114 in the case where a single-layer structure of a light-blocking metal film or a stacked structure of an oxide conductor (OC) and a light-blocking metal film is used. This is preferable because the channel region 108i can be shielded from light.

導電膜114、120a、120bの厚さとしては、30nm以上500nm以下、または100nm以上400nm以下とすることができる。 The thickness of each of the conductive films 114, 120a, and 120b can be greater than or equal to 30 nm and less than or equal to 500 nm, or greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 400 nm.

<1−2.半導体装置の構成例2>
次に、図1(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図2(A)(B)(C)を用いて説明する。
<1-2. Configuration Example 2 of Semiconductor Device>
Next, a structure different from that of the semiconductor device illustrated in FIGS. 1A to 1C is described with reference to FIGS.

図2(A)は、トランジスタ100Aの上面図であり、図2(B)は図2(A)の一点鎖線X1−X2間の断面図であり、図2(C)は図2(A)の一点鎖線Y1−Y2間の断面図である。 2A is a top view of the transistor 100A, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 2A, and FIG. 2C is FIG. 2A. It is sectional drawing between dashed-dotted lines Y1-Y2.

図2(A)(B)(C)に示すトランジスタ100Aは、基板102上に形成された導電膜106と、導電膜106上の絶縁膜104と、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108と、酸化物半導体膜108上の絶縁膜110と、絶縁膜110上の導電膜114と、絶縁膜104、酸化物半導体膜108、及び導電膜114上の絶縁膜116と、を有する。また、酸化物半導体膜108は、導電膜114と重なるチャネル領域108iと、絶縁膜116と接するソース領域108sと、絶縁膜116と接するドレイン領域108dと、を有する。 2A, 2B, and 2C includes a conductive film 106 formed over a substrate 102, an insulating film 104 over the conductive film 106, and an oxide semiconductor film 108 over the insulating film 104. The insulating film 110 over the oxide semiconductor film 108, the conductive film 114 over the insulating film 110, the insulating film 104, the oxide semiconductor film 108, and the insulating film 116 over the conductive film 114 are included. The oxide semiconductor film 108 includes a channel region 108 i overlapping with the conductive film 114, a source region 108 s in contact with the insulating film 116, and a drain region 108 d in contact with the insulating film 116.

トランジスタ100Aは、先に示すトランジスタ100の構成に加え、導電膜106と、開口部143と、を有する。 The transistor 100A includes a conductive film 106 and an opening 143 in addition to the structure of the transistor 100 described above.

なお、開口部143は、絶縁膜104、及び絶縁膜110に設けられる。また、導電膜106は、開口部143を介して、導電膜114と、電気的に接続される。よって、導電膜106と導電膜114には、同じ電位が与えられる。なお、開口部143を設けずに、導電膜106と、導電膜114と、に異なる電位を与えてもよい。または、開口部143を設けずに、導電膜106を遮光膜として用いてもよい。例えば、導電膜106を遮光性の材料により形成することで、チャネル領域108iに照射される下方からの光を抑制することができる。 Note that the opening 143 is provided in the insulating film 104 and the insulating film 110. In addition, the conductive film 106 is electrically connected to the conductive film 114 through the opening 143. Therefore, the same potential is applied to the conductive film 106 and the conductive film 114. Note that different potentials may be applied to the conductive film 106 and the conductive film 114 without providing the opening 143. Alternatively, the conductive film 106 may be used as a light-blocking film without providing the opening 143. For example, when the conductive film 106 is formed using a light-blocking material, light from below irradiated to the channel region 108 i can be suppressed.

なお、トランジスタ100Aの構成とする場合、導電膜106は、第1のゲート電極(ボトムゲート電極ともいう)としての機能を有し、導電膜114は、第2のゲート電極(トップゲート電極ともいう)としての機能を有する。また、絶縁膜104は、第1のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁膜110は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 Note that in the structure of the transistor 100A, the conductive film 106 functions as a first gate electrode (also referred to as a bottom gate electrode), and the conductive film 114 is also referred to as a second gate electrode (also referred to as a top gate electrode). ). The insulating film 104 has a function as a first gate insulating film, and the insulating film 110 has a function as a second gate insulating film.

このように、図2(A)(B)(C)に示すトランジスタ100Aは、先に説明したトランジスタ100と異なり、酸化物半導体膜108の上下にゲート電極として機能する導電膜を有する構造である。トランジスタ100Aに示すように、本発明の一態様の半導体装置には、複数のゲート電極を設けてもよい。 As described above, unlike the transistor 100 described above, the transistor 100A illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C has a structure including conductive films functioning as gate electrodes above and below the oxide semiconductor film 108. . As illustrated in the transistor 100A, the semiconductor device of one embodiment of the present invention may include a plurality of gate electrodes.

また、図2(C)に示すように、酸化物半導体膜108は、第1のゲート電極として機能する導電膜106と、第2のゲート電極として機能する導電膜114のそれぞれと対向するように位置し、2つのゲート電極として機能する導電膜に挟まれている。 Further, as illustrated in FIG. 2C, the oxide semiconductor film 108 faces the conductive film 106 functioning as the first gate electrode and the conductive film 114 functioning as the second gate electrode. And sandwiched between conductive films functioning as two gate electrodes.

また、導電膜114のチャネル幅方向の長さは、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向の長さよりも長く、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向全体は、絶縁膜110を介して導電膜114に覆われている。また、導電膜114と導電膜106とは、絶縁膜104、及び絶縁膜110に設けられる開口部143において接続されるため、酸化物半導体膜108のチャネル幅方向の側面の一方は、絶縁膜110を介して導電膜114と対向している。 The length of the conductive film 114 in the channel width direction is longer than the length of the oxide semiconductor film 108 in the channel width direction, and the entire length of the oxide semiconductor film 108 in the channel width direction is interposed between the conductive film 114 and the insulating film 110. Covered with In addition, since the conductive film 114 and the conductive film 106 are connected to each other in the opening portion 143 provided in the insulating film 104 and the insulating film 110, one of the side surfaces in the channel width direction of the oxide semiconductor film 108 is the insulating film 110. Is opposed to the conductive film 114.

別言すると、トランジスタ100Aのチャネル幅方向において、導電膜106及び導電膜114は、絶縁膜104、及び絶縁膜110に設けられる開口部143において接続すると共に、絶縁膜104及び絶縁膜110を介して酸化物半導体膜108を取り囲む構成である。 In other words, in the channel width direction of the transistor 100A, the conductive film 106 and the conductive film 114 are connected to each other through the insulating film 104 and the opening 143 provided in the insulating film 110, and the insulating film 104 and the insulating film 110 are interposed therebetween. The oxide semiconductor film 108 is surrounded.

このような構成を有することで、トランジスタ100Aに含まれる酸化物半導体膜108を、第1のゲート電極として機能する導電膜106及び第2のゲート電極として機能する導電膜114の電界によって電気的に取り囲むことができる。トランジスタ100Aのように、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜108を電気的に取り囲むトランジスタのデバイス構造をSurrounded channel(S−channel)構造と呼ぶことができる。 With such a structure, the oxide semiconductor film 108 included in the transistor 100A is electrically connected to the conductive film 106 functioning as the first gate electrode and the conductive film 114 functioning as the second gate electrode. Can be surrounded. As in the transistor 100A, a device structure of a transistor that electrically surrounds the oxide semiconductor film 108 in which a channel region is formed by an electric field of the first gate electrode and the second gate electrode is a surround channel (S-channel) structure. Can be called.

トランジスタ100Aは、S−channel構造を有するため、導電膜106または導電膜114によってチャネルを誘起させるための電界を効果的に酸化物半導体膜108に印加することができるため、トランジスタ100Aの電流駆動能力が向上し、高いオン電流特性を得ることが可能となる。また、オン電流を高くすることが可能であるため、トランジスタ100Aを微細化することが可能となる。また、トランジスタ100Aは、導電膜106、及び導電膜114によって取り囲まれた構造を有するため、トランジスタ100Aの機械的強度を高めることができる。 Since the transistor 100A has an S-channel structure, an electric field for inducing a channel by the conductive film 106 or the conductive film 114 can be effectively applied to the oxide semiconductor film 108; thus, the current driving capability of the transistor 100A Thus, high on-current characteristics can be obtained. Further, since the on-state current can be increased, the transistor 100A can be miniaturized. In addition, since the transistor 100A has a structure surrounded by the conductive films 106 and 114, the mechanical strength of the transistor 100A can be increased.

なお、トランジスタ100Aのチャネル幅方向において、開口部143が形成されていない酸化物半導体膜108の側面に、開口部143と異なる開口部を形成してもよい。 Note that an opening different from the opening 143 may be formed on the side surface of the oxide semiconductor film 108 where the opening 143 is not formed in the channel width direction of the transistor 100A.

また、トランジスタ100Aに示すように、トランジスタが、半導体膜を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には信号Aが、他方のゲート電極には固定電位Vbが与えられてもよい。 In addition, as illustrated in the transistor 100A, in the case where the transistor includes a pair of gate electrodes with a semiconductor film interposed therebetween, the signal A is supplied to one gate electrode and the fixed potential is supplied to the other gate electrode. Vb may be given.

信号Aは、例えば、導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Aは、電位V1、または電位V2(V1>V2とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V1を高電源電位とし、電位V2を低電源電位とすることができる。信号Aは、アナログ信号であってもよい。 The signal A is a signal for controlling a conduction state or a non-conduction state, for example. The signal A may be a digital signal that takes two kinds of potentials, that is, the potential V1 or the potential V2 (V1> V2). For example, the potential V1 can be a high power supply potential and the potential V2 can be a low power supply potential. The signal A may be an analog signal.

固定電位Vbは、例えば、トランジスタのしきい値電圧VthAを制御するための電位である。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2であってもよい。この場合、固定電位Vbを生成するための電位発生回路を別途設ける必要がなく好ましい。固定電位Vbは、電位V1、または電位V2と異なる電位であってもよい。固定電位Vbを低くすることで、しきい値電圧VthAを高くできる場合がある。その結果、ゲートーソース間電圧Vgsが0Vのときのドレイン電流を低減し、トランジスタを有する回路のリーク電流を低減できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも低くしてもよい。一方で、固定電位Vbを高くすることで、しきい値電圧VthAを低くできる場合がある。その結果、ゲート−ソース間電圧Vgsが高電源電位のときのドレイン電流を向上させ、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。例えば、固定電位Vbを低電源電位よりも高くしてもよい。 The fixed potential Vb is, for example, a potential for controlling the threshold voltage VthA of the transistor. The fixed potential Vb may be the potential V1 or the potential V2. In this case, there is no need to separately provide a potential generation circuit for generating the fixed potential Vb, which is preferable. The fixed potential Vb may be a potential different from the potential V1 or the potential V2. In some cases, the threshold voltage VthA can be increased by lowering the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is 0 V can be reduced, and the leakage current of a circuit including a transistor can be reduced in some cases. For example, the fixed potential Vb may be set lower than the low power supply potential. On the other hand, there is a case where the threshold voltage VthA can be lowered by increasing the fixed potential Vb. As a result, the drain current when the gate-source voltage Vgs is at a high power supply potential can be improved, and the operation speed of a circuit including a transistor can be improved in some cases. For example, the fixed potential Vb may be higher than the low power supply potential.

また、トランジスタの一方のゲートには信号Aが、他方のゲートには信号Bが与えられてもよい。信号Bは、例えば、トランジスタの導通状態または非導通状態を制御するための信号である。信号Bは、電位V3、または電位V4(V3>V4とする)の2種類の電位をとるデジタル信号であってもよい。例えば、電位V3を高電源電位とし、電位V4を低電源電位とすることができる。信号Bは、アナログ信号であってもよい。 Further, a signal A may be supplied to one gate of the transistor, and a signal B may be supplied to the other gate. The signal B is a signal for controlling, for example, the conduction state or non-conduction state of the transistor. The signal B may be a digital signal that takes two kinds of potentials, that is, the potential V3 or the potential V4 (V3> V4). For example, the potential V3 can be a high power supply potential and the potential V4 can be a low power supply potential. The signal B may be an analog signal.

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと同じデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流を向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。このとき、信号Aの電位V1は信号Bの電位V3と異なっていても良い。また、信号Aの電位V2は信号Bの電位V4と異なっていても良い。例えば、信号Bが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜が、信号Aが入力されるゲートに対応するゲート絶縁膜よりも厚い場合、信号Bの電位振幅(V3−V4)を、信号Aの電位振幅(V1−V2)より大きくしても良い。そうすることで、トランジスタの導通状態または非導通状態に対して、信号Aが与える影響と、信号Bが与える影響と、を同程度とすることができる場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having the same digital value as the signal A. In this case, the on-state current of the transistor can be improved and the operation speed of the circuit including the transistor can be improved in some cases. At this time, the potential V1 of the signal A may be different from the potential V3 of the signal B. Further, the potential V2 of the signal A may be different from the potential V4 of the signal B. For example, when the gate insulating film corresponding to the gate to which the signal B is input is thicker than the gate insulating film corresponding to the gate to which the signal A is input, the potential amplitude (V3 to V4) of the signal B is It may be larger than the potential amplitude (V1-V2). By doing so, the influence of the signal A and the influence of the signal B on the conduction state or non-conduction state of the transistor may be approximately the same.

信号Aと信号Bが共にデジタル信号である場合、信号Bは、信号Aと異なるデジタル値を持つ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、信号Aが電位V1であり、かつ、信号Bが電位V3である場合のみ導通状態となる場合や、信号Aが電位V2であり、かつ、信号Bが電位V4である場合のみ非導通状態となる場合には、一つのトランジスタでNAND回路やNOR回路等の機能を実現できる場合がある。また、信号Bは、しきい値電圧VthAを制御するための信号であってもよい。例えば、信号Bは、トランジスタを有する回路が動作している期間と、当該回路が動作していない期間と、で電位が異なる信号であっても良い。信号Bは、回路の動作モードに合わせて電位が異なる信号であってもよい。この場合、信号Bは信号Aほど頻繁には電位が切り替わらない場合がある。 When both the signal A and the signal B are digital signals, the signal B may be a signal having a digital value different from that of the signal A. In this case, the transistor can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized. For example, when the transistor is an n-channel transistor, the transistor A is in a conductive state only when the signal A is the potential V1 and the signal B is the potential V3, or the signal A is the potential V2 and the signal B is In the case where a non-conducting state is obtained only when the potential is V4, functions such as a NAND circuit and a NOR circuit may be realized with one transistor. The signal B may be a signal for controlling the threshold voltage VthA. For example, the signal B may be a signal having a different potential between a period in which a circuit including a transistor is operating and a period in which the circuit is not operating. The signal B may be a signal having a different potential according to the operation mode of the circuit. In this case, the potential of the signal B may not be switched as frequently as the signal A.

信号Aと信号Bが共にアナログ信号である場合、信号Bは、信号Aと同じ電位のアナログ信号、信号Aの電位を定数倍したアナログ信号、または、信号Aの電位を定数だけ加算もしくは減算したアナログ信号等であってもよい。この場合、トランジスタのオン電流が向上し、トランジスタを有する回路の動作速度を向上できる場合がある。信号Bは、信号Aと異なるアナログ信号であってもよい。この場合、トランジスタの制御を信号Aと信号Bによって別々に行うことができ、より高い機能を実現できる場合がある。 When both the signal A and the signal B are analog signals, the signal B is an analog signal having the same potential as the signal A, an analog signal obtained by multiplying the potential of the signal A by a constant, or the potential of the signal A is added or subtracted by a constant. An analog signal or the like may be used. In this case, the on-state current of the transistor can be improved and the operation speed of the circuit including the transistor can be improved in some cases. The signal B may be an analog signal different from the signal A. In this case, the transistor can be controlled separately by the signal A and the signal B, and a higher function may be realized.

信号Aがデジタル信号であり、信号Bがアナログ信号であってもよい。または信号Aがアナログ信号であり、信号Bがデジタル信号であってもよい。 The signal A may be a digital signal and the signal B may be an analog signal. Alternatively, the signal A may be an analog signal and the signal B may be a digital signal.

また、トランジスタTの一方のゲートには固定電位Vaが、他方のゲートには固定電位Vbが与えられてもよい。トランジスタの両方のゲート電極に固定電位を与える場合、トランジスタを、抵抗素子と同等の素子として機能させることができる場合がある。例えば、トランジスタがnチャネル型である場合、固定電位Vaまたは固定電位Vbを高く(低く)することで、トランジスタの実効抵抗を低く(高く)することができる場合がある。固定電位Va及び固定電位Vbを共に高く(低く)することで、一つのゲートしか有さないトランジスタによって得られる実効抵抗よりも低い(高い)実効抵抗が得られる場合がある。 Further, the fixed potential Va may be applied to one gate of the transistor T, and the fixed potential Vb may be applied to the other gate. In the case where a fixed potential is applied to both gate electrodes of a transistor, the transistor may function as an element equivalent to a resistance element in some cases. For example, in the case where the transistor is an n-channel transistor, the effective resistance of the transistor can be decreased (increased) by increasing (decreasing) the fixed potential Va or the fixed potential Vb in some cases. By making both the fixed potential Va and the fixed potential Vb higher (lower), an effective resistance lower (higher) than that obtained by a transistor having only one gate may be obtained.

なお、トランジスタ100Aのその他の構成は、先に示すトランジスタ100と同様であり、同様の効果を奏する。 Note that the other structure of the transistor 100A is similar to that of the transistor 100 described above, and has the same effect.

<1−3.半導体装置の構成例3>
次に、図2(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図3乃至図7を用いて説明する。
<1-3. Configuration Example 3 of Semiconductor Device>
Next, a different structure from the semiconductor device illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C is described with reference to FIGS.

図3(A)(B)は、トランジスタ100Bの断面図であり、図4(A)(B)は、トランジスタ100Cの断面図であり、図5(A)(B)はトランジスタ100Dの断面図であり、図6(A)(B)トランジスタ100Eの断面図であり、図7(A)(B)は、トランジスタ100Fの断面図の断面図である。なお、トランジスタ100B、トランジスタ100C、トランジスタ100D、トランジスタ100E、及びトランジスタ100Fの上面図としては、図2(A)に示すトランジスタ100Aと同様であるため、ここでの説明は省略する。 3A and 3B are cross-sectional views of the transistor 100B, FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views of the transistor 100C, and FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views of the transistor 100D. 6A and 6B are cross-sectional views of the transistor 100E, and FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views of the transistor 100F. Note that the top view of the transistor 100B, the transistor 100C, the transistor 100D, the transistor 100E, and the transistor 100F is similar to the transistor 100A illustrated in FIG. 2A; therefore, description thereof is omitted here.

図3(A)(B)に示すトランジスタ100Bは、先に示すトランジスタ100Aと導電膜114、及び絶縁膜110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Aは、導電膜114、及び絶縁膜110がテーパー形状であったのに対し、トランジスタ100Bは、導電膜114、及び絶縁膜110が矩形状である。具体的には、トランジスタ100Aは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電膜114の上端部が絶縁膜110の下端部よりも内側に形成される。別言すると、絶縁膜110の側端部は、導電膜114の側端部よりも外側に位置する。一方で、トランジスタ100Bは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電膜114の上端部と、絶縁膜110の下端部とが概略同じ位置に形成される。 A transistor 100B illustrated in FIGS. 3A and 3B is different from the transistor 100A described above in the shapes of the conductive film 114 and the insulating film 110. Specifically, the conductive film 114 and the insulating film 110 in the transistor 100A have a tapered shape, whereas the conductive film 114 and the insulating film 110 in the transistor 100B have a rectangular shape. Specifically, in the transistor 100A, the upper end portion of the conductive film 114 is formed inside the lower end portion of the insulating film 110 in the cross section in the channel length (L) direction of the transistor. In other words, the side end portion of the insulating film 110 is located outside the side end portion of the conductive film 114. On the other hand, in the transistor 100B, the upper end portion of the conductive film 114 and the lower end portion of the insulating film 110 are formed at substantially the same position in a cross section in the channel length (L) direction of the transistor.

例えば、導電膜114と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、ドライエッチング法を用いて、一括して加工することでトランジスタ100Bの構造とすることができる。 For example, the structure of the transistor 100B can be obtained by processing the conductive film 114 and the insulating film 110 with the same mask and processing them in a batch using a dry etching method.

トランジスタ100Aのような構成とすることで、絶縁膜116の被覆性が向上するため好ましい。一方で、トランジスタ100Bのような構成とすることで、ソース領域108s及びドレイン領域108dと、導電膜114との端部が概略同じ位置に形成されるため好ましい。 A structure similar to that of the transistor 100A is preferable because coverage with the insulating film 116 is improved. On the other hand, a structure like the transistor 100B is preferable because end portions of the source region 108s and the drain region 108d and the conductive film 114 are formed at substantially the same position.

図4(A)(B)に示すトランジスタ100Cは、先に示すトランジスタ100Aと導電膜114、及び絶縁膜110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Cは、導電膜114、及び絶縁膜110が逆テーパー形状である。別言すると、トランジスタ100Cは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電膜114の上端部が絶縁膜110の下端部よりも外側に形成される。 A transistor 100C illustrated in FIGS. 4A and 4B is different from the transistor 100A described above in the shapes of the conductive film 114 and the insulating film 110. Specifically, in the transistor 100C, the conductive film 114 and the insulating film 110 have a reverse taper shape. In other words, in the transistor 100C, the upper end portion of the conductive film 114 is formed outside the lower end portion of the insulating film 110 in the cross section of the transistor in the channel length (L) direction.

例えば、導電膜114と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、ウエットエッチング法を用いて、一括して加工することでトランジスタ100Cの構造とすることができる。 For example, the structure of the transistor 100C can be obtained by processing the conductive film 114 and the insulating film 110 with the same mask and using the wet etching method to process them in a lump.

また、トランジスタ100Cのような構成とすることで、ゲート電極として機能する導電膜114よりも内側にソース領域108s及びドレイン領域108dが設けられる。なお、導電膜114と、ソース領域108sとが重なる領域、及び導電膜114と、ドレイン領域とが重なる領域は、所謂オーバーラップ領域(Lov領域ともいう)として機能する。なお、Lov領域とは、ゲート電極として機能する導電膜114と重なり、且つチャネル領域108iよりも抵抗が低い領域である。Lov領域を有する構造とすることで、チャネル領域108iと、ソース領域108s及びドレイン領域108dとの間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を高めることが可能となる。 Further, with the structure of the transistor 100C, the source region 108s and the drain region 108d are provided inside the conductive film 114 functioning as a gate electrode. Note that a region where the conductive film 114 overlaps with the source region 108s and a region where the conductive film 114 overlaps with the drain region function as a so-called overlap region (also referred to as a Lov region). Note that the Lov region is a region that overlaps with the conductive film 114 functioning as a gate electrode and has lower resistance than the channel region 108i. With the structure having the Lov region, a high-resistance region is not formed between the channel region 108i and the source region 108s and the drain region 108d, so that the on-state current of the transistor can be increased.

図5(A)(B)に示すトランジスタ100Dは、先に示すトランジスタ100Aと導電膜114、及び絶縁膜110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Dは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電膜114の下端部と、絶縁膜110との上端部の位置が異なる。導電膜114の下端部は、絶縁膜110の上端部よりも内側に形成される。 A transistor 100D illustrated in FIGS. 5A and 5B is different from the transistor 100A described above in the shapes of the conductive film 114 and the insulating film 110. Specifically, the position of the lower end portion of the conductive film 114 and the upper end portion of the insulating film 110 are different in the transistor 100D in the cross section in the channel length (L) direction of the transistor. The lower end portion of the conductive film 114 is formed inside the upper end portion of the insulating film 110.

例えば、導電膜114と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、導電膜114をウエットエッチング法で、絶縁膜110をドライエッチング法で、それぞれ加工することで、トランジスタ100Dの構造とすることができる。 For example, the structure of the transistor 100D is obtained by processing the conductive film 114 and the insulating film 110 with the same mask, and processing the conductive film 114 with a wet etching method and the insulating film 110 with a dry etching method. Can do.

また、トランジスタ100Dの構造とすることで、酸化物半導体膜108中に、領域108fが形成される場合がある。領域108fは、チャネル領域108iとソース領域108sとの間、及びチャネル領域108iとドレイン領域108dとの間に形成される。 In addition, with the structure of the transistor 100D, the region 108f may be formed in the oxide semiconductor film 108 in some cases. The region 108f is formed between the channel region 108i and the source region 108s, and between the channel region 108i and the drain region 108d.

領域108fは、高抵抗領域あるいは低抵抗領域のいずれか一方として機能する。高抵抗領域とは、チャネル領域108iと同等の抵抗を有し、ゲート電極として機能する導電膜114が重畳しない領域である。領域108fが高抵抗領域の場合、領域108fは、所謂オフセット領域として機能する。領域108fがオフセット領域として機能する場合においては、トランジスタ100Bのオン電流の低下を抑制するために、チャネル長(L)方向において、領域108fを1μm以下とすればよい。 The region 108f functions as either a high resistance region or a low resistance region. The high resistance region is a region which has a resistance equivalent to that of the channel region 108 i and does not overlap with the conductive film 114 functioning as a gate electrode. When the region 108f is a high resistance region, the region 108f functions as a so-called offset region. In the case where the region 108f functions as an offset region, the region 108f may be 1 μm or less in the channel length (L) direction in order to suppress a decrease in on-state current of the transistor 100B.

また、低抵抗領域とは、チャネル領域108iよりも抵抗が低く、且つソース領域108s及びドレイン領域108dよりも抵抗が高い領域である。領域108fが低抵抗領域の場合、領域108fは、所謂、LDD(Lightly Doped Drain)領域として機能する。領域108fがLDD領域として機能する場合においては、ドレイン領域の電界緩和が可能となるため、ドレイン領域の電界に起因したトランジスタのしきい値電圧の変動を低減することができる。 The low resistance region is a region having a lower resistance than the channel region 108i and a higher resistance than the source region 108s and the drain region 108d. When the region 108f is a low resistance region, the region 108f functions as a so-called LDD (Lightly Doped Drain) region. In the case where the region 108f functions as an LDD region, electric field relaxation in the drain region is possible, so that variation in threshold voltage of the transistor due to the electric field in the drain region can be reduced.

なお、領域108fをLDD領域とする場合には、例えば、絶縁膜116から領域108fに窒素、水素、フッ素の1以上を供給する、あるいは、絶縁膜110をマスクとして、絶縁膜110の上方から不純物元素を添加することで、当該不純物が絶縁膜110を介し、酸化物半導体膜108に添加されることで形成することができる。 Note that in the case where the region 108f is an LDD region, for example, one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine is supplied from the insulating film 116 to the region 108f, or impurities are applied from above the insulating film 110 using the insulating film 110 as a mask. By adding an element, the impurity can be formed by adding the impurity to the oxide semiconductor film 108 through the insulating film 110.

図6(A)(B)に示すトランジスタ100Eは、先に示すトランジスタ110Aと絶縁膜110の形状が異なる。具体的には、トランジスタ100Eは、トランジスタのチャネル長(L)方向の断面において、導電膜114の下端部が、絶縁膜110の上端部よりも外側に形成される。 A transistor 100E illustrated in FIGS. 6A and 6B is different from the transistor 110A described above in the shape of the insulating film 110. Specifically, in the transistor 100E, the lower end portion of the conductive film 114 is formed outside the upper end portion of the insulating film 110 in the cross section of the transistor in the channel length (L) direction.

例えば、導電膜114と、絶縁膜110と、を同じマスクで加工し、導電膜114をドライエッチング法で加工し、その後エッチャント等を用い絶縁膜110の側面をエッチングする(サイドエッチング)ことで、トランジスタ100Eの構造とすることができる。 For example, the conductive film 114 and the insulating film 110 are processed using the same mask, the conductive film 114 is processed by a dry etching method, and then the side surface of the insulating film 110 is etched (side etching) using an etchant or the like. The structure of the transistor 100E can be employed.

また、トランジスタ100Eのような構成とすることで、トランジスタ100Cと同様に、Lov領域を設けることができる。 Further, with the structure like the transistor 100E, a Lov region can be provided as in the transistor 100C.

図7(A)(B)に示すトランジスタ100Fは、先に示すトランジスタ100Aと比較し、絶縁膜118上に平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜122が設けられている点が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ100Aと同様の構成であり、同様の効果を奏する。 A transistor 100F illustrated in FIGS. 7A and 7B is different from the transistor 100A described above in that an insulating film 122 functioning as a planarization insulating film is provided over the insulating film 118. Other configurations are similar to those of the transistor 100A described above, and have the same effects.

絶縁膜122は、トランジスタ等に起因する凹凸等を平坦化させる機能を有する。絶縁膜122としては、絶縁性であればよく、無機材料または有機材料を用いて形成される。該無機材料としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等が挙げられる。該有機材料としては、例えば、アクリル樹脂、またはポリイミド樹脂等の感光性の樹脂材料が挙げられる。 The insulating film 122 has a function of planarizing unevenness caused by a transistor or the like. The insulating film 122 only needs to be insulative and is formed using an inorganic material or an organic material. Examples of the inorganic material include a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, and an aluminum nitride film. As this organic material, photosensitive resin materials, such as an acrylic resin or a polyimide resin, are mentioned, for example.

なお、図7(A)(B)においては、絶縁膜122が有する開口部の形状は、開口部141a、141bよりも小さい形状としたが、これに限定されず、例えば、開口部141a、141bと同じ形状、または開口部141a、141bよりも大きい形状としてもよい。 7A and 7B, the shape of the opening included in the insulating film 122 is smaller than the openings 141a and 141b. However, the shape is not limited to this, and for example, the openings 141a and 141b are used. The shape may be the same as or larger than the openings 141a and 141b.

また、図7(A)(B)においては、絶縁膜122上に導電膜120a、120bを設ける構成について例示したがこれに限定されず、例えば、絶縁膜118上に導電膜120a、120bを設け、導電膜120a、120b上に絶縁膜122を設ける構成としてもよい。 7A and 7B illustrate the structure in which the conductive films 120a and 120b are provided over the insulating film 122, but the present invention is not limited thereto. For example, the conductive films 120a and 120b are provided over the insulating film 118. Alternatively, the insulating film 122 may be provided over the conductive films 120a and 120b.

<1−4.半導体装置の構成例4>
次に、図2(A)(B)(C)に示す半導体装置と異なる構成について、図8乃至図11を用いて説明する。
<1-4. Configuration Example 4 of Semiconductor Device>
Next, a structure different from the semiconductor device illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C is described with reference to FIGS.

図8(A)(B)は、トランジスタ100Gの断面図であり、図9(A)(B)は、トランジスタ100Hの断面図であり、図10(A)(B)は、トランジスタ100Jの断面図であり、図11(A)(B)は、トランジスタ100Kの断面図である。なお、トランジスタ100G、トランジスタ100H、トランジスタ100J、及びトランジスタ100Kの上面図としては、図2(A)に示すトランジスタ100Aと同様であるため、ここでの説明は省略する。 8A and 8B are cross-sectional views of the transistor 100G, FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views of the transistor 100H, and FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of the transistor 100J. 11A and 11B are cross-sectional views of the transistor 100K. Note that top views of the transistor 100G, the transistor 100H, the transistor 100J, and the transistor 100K are the same as those of the transistor 100A illustrated in FIG. 2A; therefore, description thereof is omitted here.

トランジスタ100G、トランジスタ100H、トランジスタ100J、及びトランジスタ100Kは、先に示すトランジスタ100Aと酸化物半導体膜108の構造が異なる。それ以外の構成については、先に示すトランジスタ100Aと同様の構成であり、同様の効果を奏する。 The transistor 100G, the transistor 100H, the transistor 100J, and the transistor 100K are different from each other in the structure of the transistor 100A and the oxide semiconductor film 108 described above. Other configurations are similar to those of the transistor 100A described above, and have the same effects.

図8(A)(B)に示すトランジスタ100Gが有する酸化物半導体膜108は、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108_1と、酸化物半導体膜108_1上の酸化物半導体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導体膜108_3と、を有する。また、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_1、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜108_3の3層の積層構造である。 An oxide semiconductor film 108 included in the transistor 100G illustrated in FIGS. 8A and 8B includes an oxide semiconductor film 108_1 over the insulating film 104, an oxide semiconductor film 108_2 over the oxide semiconductor film 108_1, and an oxide semiconductor. An oxide semiconductor film 108_3 over the film 108_2. The channel region 108i, the source region 108s, and the drain region 108d each have a three-layer structure of the oxide semiconductor film 108_1, the oxide semiconductor film 108_2, and the oxide semiconductor film 108_3.

図9(A)(B)に示すトランジスタ100Hが有する酸化物半導体膜108は、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導体膜108_3と、を有する。また、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜108_3の2層の積層構造である。 An oxide semiconductor film 108 included in the transistor 100H illustrated in FIGS. 9A and 9B includes an oxide semiconductor film 108_2 over the insulating film 104 and an oxide semiconductor film 108_3 over the oxide semiconductor film 108_2. The channel region 108i, the source region 108s, and the drain region 108d each have a two-layer structure of an oxide semiconductor film 108_2 and an oxide semiconductor film 108_3.

図10(A)(B)に示すトランジスタ100Jが有する酸化物半導体膜108は、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108_1と、酸化物半導体膜108_1上の酸化物半導体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導体膜108_3と、を有する。また、チャネル領域108iは、酸化物半導体膜108_1、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜108_3の3層の積層構造であり、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、それぞれ、酸化物半導体膜108_1、及び酸化物半導体膜108_2の2層の積層構造である。なお、トランジスタ100Jのチャネル幅(W)方向の断面において、酸化物半導体膜108_3が、酸化物半導体膜108_1及び酸化物半導体膜108_2の側面を覆う。 10A and 10B includes an oxide semiconductor film 108_1 over the insulating film 104, an oxide semiconductor film 108_2 over the oxide semiconductor film 108_1, and an oxide semiconductor. An oxide semiconductor film 108_3 over the film 108_2. The channel region 108i has a three-layer structure of the oxide semiconductor film 108_1, the oxide semiconductor film 108_2, and the oxide semiconductor film 108_3. The source region 108s and the drain region 108d each have an oxide semiconductor film. A two-layer structure of 108_1 and the oxide semiconductor film 108_2. Note that in the cross section in the channel width (W) direction of the transistor 100J, the oxide semiconductor film 108_3 covers side surfaces of the oxide semiconductor film 108_1 and the oxide semiconductor film 108_2.

図11(A)(B)に示すトランジスタ100Kが有する酸化物半導体膜108は、絶縁膜104上の酸化物半導体膜108_2と、酸化物半導体膜108_2上の酸化物半導体膜108_3と、を有する。また、チャネル領域108iは、酸化物半導体膜108_2、及び酸化物半導体膜108_3の2層の積層構造であり、ソース領域108s、及びドレイン領域108dは、それぞれ、及び酸化物半導体膜108_2の単層構造である。なお、トランジスタ100Kのチャネル幅(W)方向の断面において、酸化物半導体膜108_3が、酸化物半導体膜108_2の側面を覆う。 An oxide semiconductor film 108 included in the transistor 100K illustrated in FIGS. 11A and 11B includes an oxide semiconductor film 108_2 over the insulating film 104 and an oxide semiconductor film 108_3 over the oxide semiconductor film 108_2. The channel region 108i has a two-layer structure of an oxide semiconductor film 108_2 and an oxide semiconductor film 108_3, and the source region 108s and the drain region 108d have a single-layer structure of the oxide semiconductor film 108_2, respectively. It is. Note that in the cross section of the transistor 100K in the channel width (W) direction, the oxide semiconductor film 108_3 covers the side surface of the oxide semiconductor film 108_2.

チャネル領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍においては、加工におけるダメージにより欠陥(例えば、酸素欠損)が形成されやすい、あるいは不純物の付着により汚染されやすい。そのため、チャネル領域108iが実質的に真性であっても、電界などのストレスが印加されることによって、チャネル領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍が活性化され、低抵抗(n型)領域となりやすい。また、チャネル領域108iのチャネル幅(W)方向の側面またはその近傍がn型領域の場合、当該n型領域がキャリアのパスとなるため、寄生チャネルが形成される場合がある。 In the side surface of the channel region 108i in the channel width (W) direction or in the vicinity thereof, defects (for example, oxygen vacancies) are likely to be formed due to damage in processing, or contamination due to adhesion of impurities. Therefore, even when the channel region 108i is substantially intrinsic, application of stress such as an electric field activates the side surface of the channel region 108i in the channel width (W) direction or the vicinity thereof, thereby reducing the low resistance (n Type) area. When the side surface in the channel width (W) direction of the channel region 108i or the vicinity thereof is an n-type region, a parasitic channel may be formed because the n-type region serves as a carrier path.

そこで、トランジスタ100J、及びトランジスタ100Kにおいては、チャネル領域108iを積層構造とし、チャネル領域108iのチャネル幅(W)方向の側面を、積層構造の一方の層で覆う構成とする。当該構成とすることで、チャネル領域108iの側面またはその近傍の欠陥を抑制する、あるいはチャネル領域108iの側面またはその近傍への不純物の付着を低減することが可能となる。 Therefore, in the transistor 100J and the transistor 100K, the channel region 108i has a stacked structure, and the side surface in the channel width (W) direction of the channel region 108i is covered with one layer of the stacked structure. With this structure, defects on the side surface of the channel region 108i or the vicinity thereof can be suppressed, or adhesion of impurities to the side surface of the channel region 108i or the vicinity thereof can be reduced.

<1−5.バンド構造>
ここで、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3、及び絶縁膜110のバンド構造、並びに、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_2、108_3、及び絶縁膜110のバンド構造について、図12を用いて説明する。なお、図12は、チャネル領域108iにおけるバンド構造である。
<1-5. Band structure>
Here, the band structure of the insulating film 104, the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, and the insulating film 110, and the band structure of the insulating film 104, the oxide semiconductor films 108_2, 108_3, and the insulating film 110 are described with reference to FIGS. Will be described. FIG. 12 shows a band structure in the channel region 108i.

図12(A)は、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3、及び絶縁膜110を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。また、図12(B)は、絶縁膜104、酸化物半導体膜108_2、108_3、及び絶縁膜110を有する積層構造の膜厚方向のバンド構造の一例である。なお、バンド構造は、理解を容易にするため絶縁膜104、酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3、及び絶縁膜110の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。 FIG. 12A illustrates an example of a band structure in the film thickness direction of a stacked structure including the insulating film 104, the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, and the insulating film 110. FIG. 12B illustrates an example of a band structure in the film thickness direction of a stacked structure including the insulating film 104, the oxide semiconductor films 108_2 and 108_3, and the insulating film 110. Note that the band structure indicates the energy level (Ec) of the lower end of the conduction band of the insulating film 104, the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, and the insulating film 110 for easy understanding.

また、図12(A)は、絶縁膜104、110として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜108_1として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_2として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=4:2:4.1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_3として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。 FIG. 12A illustrates a metal oxide target in which a silicon oxide film is used as the insulating films 104 and 110 and an atomic ratio of metal elements is In: Ga: Zn = 1: 3: 2 as the oxide semiconductor film 108_1. The oxide semiconductor film 108 </ b> _ <b> 2 is formed using a metal oxide target with an atomic ratio of metal elements of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1. An oxide semiconductor film is used, and an oxide semiconductor film formed using a metal oxide target with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 3: 2 as an oxide semiconductor film 108_3 is used. It is a band diagram.

また、図12(B)は、絶縁膜104、110として酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜108_2として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=4:2:4.1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_3として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。 12B, a silicon oxide film is used as the insulating films 104 and 110, and an atomic ratio of metal elements is set to In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 as the oxide semiconductor film 108_2. An oxide semiconductor film formed using an object target is used, and the oxide semiconductor film 108_3 is formed using a metal oxide target with an atomic ratio of metal elements of In: Ga: Zn = 1: 3: 2. FIG. 10 is a band diagram of a structure using an oxide semiconductor film.

図12(A)に示すように、酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。また、図12(B)に示すように、酸化物半導体膜108_2、108_3において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド構造を有するためには、酸化物半導体膜108_1と酸化物半導体膜108_2との界面、または酸化物半導体膜108_2と酸化物半導体膜108_3との界面において、トラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないとする。 As shown in FIG. 12A, in the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In addition, as illustrated in FIG. 12B, in the oxide semiconductor films 108_2 and 108_3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it is continuously changed or continuously joined. In order to have such a band structure, a trap center or a recombination center is formed at the interface between the oxide semiconductor film 108_1 and the oxide semiconductor film 108_2 or the interface between the oxide semiconductor film 108_2 and the oxide semiconductor film 108_3. It is assumed that there is no impurity that forms such a defect level.

酸化物半導体膜108_1、108_2、108_3に連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置(スパッタリング装置)を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。 In order to form a continuous bond with the oxide semiconductor films 108_1, 108_2, and 108_3, each film is continuously formed without being exposed to the air using a multi-chamber film formation apparatus (sputtering apparatus) including a load lock chamber. It is necessary to laminate them.

図12(A)(B)に示す構成とすることで酸化物半導体膜108_2がウェル(井戸)となり、上記積層構造を用いたトランジスタにおいて、チャネル領域が酸化物半導体膜108_2に形成されることがわかる。 With the structure illustrated in FIGS. 12A and 12B, the oxide semiconductor film 108_2 becomes a well, and a channel region is formed in the oxide semiconductor film 108_2 in the transistor including the above stacked structure. Recognize.

なお、酸化物半導体膜108_1、108_3を設けることにより、酸化物半導体膜108_2に形成されうるトラップ準位を酸化物半導体膜108_2より遠ざけることができる。 Note that by providing the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, trap levels that can be formed in the oxide semiconductor film 108_2 can be separated from the oxide semiconductor film 108_2.

また、トラップ準位がチャネル領域として機能する酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)より真空準位から遠くなることがあり、トラップ準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。トラップ準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、トラップ準位が酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、トラップ準位に電子が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。 In addition, the trap level may be farther from the vacuum level than the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2 functioning as a channel region, and electrons are likely to accumulate in the trap level. . Accumulation of electrons at the trap level results in a negative fixed charge, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. Therefore, a structure in which the trap level is closer to the vacuum level than the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2 is preferable. By doing so, electrons are unlikely to accumulate in the trap level, the on-state current of the transistor can be increased, and field effect mobility can be increased.

また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、酸化物半導体膜108_2よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜108_1、108_3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下である。すなわち、酸化物半導体膜108_1、108_3の電子親和力と、酸化物半導体膜108_2の電子親和力との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下である。 The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 each have an energy level at the lower end of the conduction band that is closer to the vacuum level than the oxide semiconductor film 108_2. Typically, the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2. And the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 is 0.15 eV or more, 0.5 eV or more, 2 eV or less, or 1 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 and the electron affinity of the oxide semiconductor film 108_2 is 0.15 eV or more, 0.5 eV or more, 2 eV or less, or 1 eV or less.

このような構成を有することで、酸化物半導体膜108_2が主な電流経路となる。すなわち、酸化物半導体膜108_2は、チャネル領域としての機能を有し、酸化物半導体膜108_1、108_3は、酸化物絶縁膜としての機能を有する。また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、チャネル領域が形成される酸化物半導体膜108_2を構成する金属元素の一種以上から構成される酸化物半導体膜を用いると好ましい。このような構成とすることで、酸化物半導体膜108_1と酸化物半導体膜108_2との界面、または酸化物半導体膜108_2と酸化物半導体膜108_3との界面において、界面散乱が起こりにくい。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。 With such a structure, the oxide semiconductor film 108_2 serves as a main current path. In other words, the oxide semiconductor film 108_2 functions as a channel region, and the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 function as oxide insulating films. The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are preferably formed using one or more metal elements included in the oxide semiconductor film 108_2 in which a channel region is formed. With such a structure, interface scattering hardly occurs at the interface between the oxide semiconductor film 108_1 and the oxide semiconductor film 108_2 or at the interface between the oxide semiconductor film 108_2 and the oxide semiconductor film 108_3. Accordingly, the movement of carriers is not inhibited at the interface, so that the field effect mobility of the transistor is increased.

また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、チャネル領域の一部として機能することを防止するため、導電率が十分に低い材料を用いるものとする。そのため、酸化物半導体膜108_1、108_3を、その物性及び/または機能から、それぞれ酸化物絶縁膜とも呼べる。または、酸化物半導体膜108_1、108_3には、電子親和力(真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差)が酸化物半導体膜108_2よりも小さく、伝導帯下端のエネルギー準位が酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端エネルギー準位と差分(バンドオフセット)を有する材料を用いるものとする。また、ドレイン電圧の大きさに依存したしきい値電圧の差が生じることを抑制するためには、酸化物半導体膜108_1、108_3の伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位よりも0.2eVより真空準位に近い材料、好ましくは0.5eV以上真空準位に近い材料を適用することが好ましい。 The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed using a material with sufficiently low conductivity in order to prevent the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 from functioning as part of the channel region. Therefore, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 can also be referred to as oxide insulating films because of their physical properties and / or functions. Alternatively, in the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the electron affinity (difference between the vacuum level and the energy level at the bottom of the conduction band) is lower than that of the oxide semiconductor film 108_2, and the energy level at the bottom of the conduction band is an oxide. A material having a difference (band offset) from the lower energy level of the conduction band of the semiconductor film 108_2 is used. In addition, in order to suppress the difference in threshold voltage depending on the magnitude of the drain voltage, the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 is determined so that the conduction level of the oxide semiconductor film 108_2 is reduced. It is preferable to apply a material closer to the vacuum level than 0.2 eV than the energy level at the lower end of the band, preferably a material closer to the vacuum level of 0.5 eV or more.

また、酸化物半導体膜108_1、108_3は、膜中にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。酸化物半導体膜108_1、108c_3の膜中にスピネル型の結晶構造を含む場合、該スピネル型の結晶構造と他の領域との界面において、導電膜120a、120bの構成元素が酸化物半導体膜108_2へ拡散してしまう場合がある。なお、酸化物半導体膜108_1、108_3がCAAC−OSである場合、導電膜120a、120bの構成元素、例えば、銅元素のブロッキング性が高くなり好ましい。 In addition, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 preferably do not include a spinel crystal structure. In the case where the oxide semiconductor films 108_1 and 108c_3 include a spinel crystal structure, the constituent elements of the conductive films 120a and 120b enter the oxide semiconductor film 108_2 at the interface between the spinel crystal structure and another region. May diffuse. Note that it is preferable that the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 be a CAAC-OS because blocking properties of constituent elements of the conductive films 120a and 120b, for example, a copper element are increased.

また、本実施の形態においては、酸化物半導体膜108_1、108_3として、金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]、In:Ga:Zn=1:1:1.2[原子数比]、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、In:Ga:Zn=1:3:6[原子数比]、またはIn:Ga:Zn=1:10:1[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いてもよい。あるいは、酸化物半導体膜108_1、108_3として、金属元素の原子数比をGa:Zn=10:1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いてもよい。この場合、酸化物半導体膜108_2として金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物半導体膜108_1、108_3として金属元素の原子数比をGa:Zn=10:1の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いると、酸化物半導体膜108_2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体膜108_1、108_3の伝導帯下端のエネルギー準位との差を0.6eV以上とすることができるため好適である。 In this embodiment, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed using a metal oxide target in which the atomic ratio of metal elements is In: Ga: Zn = 1: 3: 2. Although the configuration using the film is exemplified, the configuration is not limited thereto. For example, as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], In: Ga: Zn = 1: 1: 1.2 [atomic ratio], In: Ga : Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio], In: Ga: Zn = 1: 3: 6 [atomic ratio], or In: Ga: Zn = 1: 10: 1 [atomic ratio] An oxide semiconductor film formed using an oxide target may be used. Alternatively, an oxide semiconductor film formed using a metal oxide target with an atomic ratio of metal elements Ga: Zn = 10: 1 may be used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3. In this case, as the oxide semiconductor film 108_2, an oxide semiconductor film formed using a metal oxide target with a metal element atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 is used, and the oxide semiconductor film 108_1. , 108_3, an oxide semiconductor film formed using a metal oxide target with a metal element atomic ratio of Ga: Zn = 10: 1 can have an energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 108_2. The oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are preferable because the difference from the energy level at the lower end of the conduction band can be 0.6 eV or more.

なお、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜108_1、108_3は、In:Ga:Zn=1:β1(0<β1≦2):β2(0<β2≦2)となる場合がある。また、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜108_1、108_3は、In:Ga:Zn=1:β3(1≦β3≦5):β4(2≦β4≦6)となる場合がある。また、酸化物半導体膜108_1、108_3として、In:Ga:Zn=1:3:6[原子数比]の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物半導体膜108_1、108_3は、In:Ga:Zn=1:β5(1≦β5≦5):β6(4≦β6≦8)となる場合がある。 Note that in the case where a metal oxide target with In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio] is used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed of In: Ga: Zn. = 1: β1 (0 <β1 ≦ 2): β2 (0 <β2 ≦ 2). In the case where a metal oxide target with In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio] is used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed of In: Ga: Zn. = 1: β3 (1 ≦ β3 ≦ 5): β4 (2 ≦ β4 ≦ 6) in some cases. In the case where a metal oxide target with In: Ga: Zn = 1: 3: 6 [atomic ratio] is used as the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3, the oxide semiconductor films 108_1 and 108_3 are formed of In: Ga: Zn. = 1: β5 (1 ≦ β5 ≦ 5): β6 (4 ≦ β6 ≦ 8) in some cases.

<1−6.半導体装置の作製方法1>
次に、図1に示すトランジスタ100の作製方法の一例について、図13乃至図15を用いて説明する。なお、図13乃至図15は、トランジスタ100の作製方法を説明するチャネル長(L)方向及びチャネル幅(W)方向の断面図である。
<1-6. Manufacturing Method 1 of Semiconductor Device>
Next, an example of a method for manufacturing the transistor 100 illustrated in FIGS. 1A to 1C will be described with reference to FIGS. 13A to 15B are cross-sectional views in the channel length (L) direction and the channel width (W) direction for describing a method for manufacturing the transistor 100.

まず、基板102上に絶縁膜104を形成する。続いて、絶縁膜104上に酸化物半導体膜を形成する。その後、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜107を形成する(図13(A)参照)。 First, the insulating film 104 is formed over the substrate 102. Subsequently, an oxide semiconductor film is formed over the insulating film 104. After that, the oxide semiconductor film 107 is formed by processing the oxide semiconductor film into an island shape (see FIG. 13A).

また、絶縁膜104を形成した後、絶縁膜104に酸素を添加してもよい。絶縁膜104に添加する酸素としては、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等がある。また、添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。また、絶縁膜上に酸素の脱離を抑制する膜を形成した後、該膜を介して絶縁膜104に酸素を添加してもよい。 Alternatively, oxygen may be added to the insulating film 104 after the insulating film 104 is formed. Examples of oxygen added to the insulating film 104 include oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen atom ions, and oxygen molecular ions. Examples of the addition method include an ion doping method, an ion implantation method, and a plasma treatment method. Alternatively, after a film for suppressing desorption of oxygen is formed over the insulating film, oxygen may be added to the insulating film 104 through the film.

上述の酸素の脱離を抑制する膜として、インジウム、亜鉛、ガリウム、錫、アルミニウム、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、鉄、コバルト、またはタングステンの1以上を有する導電膜あるいは半導体膜を用いて形成することができる。 A conductive film or a semiconductor film containing one or more of indium, zinc, gallium, tin, aluminum, chromium, tantalum, titanium, molybdenum, nickel, iron, cobalt, or tungsten is used as the above-described film for suppressing desorption of oxygen. Can be formed.

また、プラズマ処理で酸素の添加を行う場合、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させることで、絶縁膜104への酸素添加量を増加させることができる。 In addition, when oxygen is added by plasma treatment, the amount of oxygen added to the insulating film 104 can be increased by exciting oxygen with a microwave to generate high-density oxygen plasma.

酸化物半導体膜107としては、スパッタリング法、塗布法、パルスレーザー蒸着法、レーザーアブレーション法、熱CVD法等により形成することができる。なお、酸化物半導体膜107への加工には、酸化物半導体膜上にリソグラフィ工程によりマスクを形成した後、該マスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングすること形成することができる。また、印刷法を用いて、素子分離された酸化物半導体膜107を直接形成してもよい。 The oxide semiconductor film 107 can be formed by a sputtering method, a coating method, a pulsed laser deposition method, a laser ablation method, a thermal CVD method, or the like. Note that the oxide semiconductor film 107 can be processed by forming a mask over the oxide semiconductor film by a lithography process and then etching part of the oxide semiconductor film using the mask. Alternatively, the element-separated oxide semiconductor film 107 may be directly formed by a printing method.

スパッタリング法で酸化物半導体膜を形成する場合、プラズマを発生させるための電源装置は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることができる。また、酸化物半導体膜を形成する場合のスパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。 In the case of forming an oxide semiconductor film by a sputtering method, an RF power supply device, an AC power supply device, a DC power supply device, or the like can be used as appropriate as a power supply device for generating plasma. As a sputtering gas for forming the oxide semiconductor film, a rare gas (typically argon), oxygen, a rare gas, and a mixed gas of oxygen are used as appropriate. Note that in the case of a mixed gas of a rare gas and oxygen, it is preferable to increase the gas ratio of oxygen to the rare gas.

なお、酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリング法を用いる場合、基板温度を150℃以上750℃以下、または150℃以上450℃以下、または200℃以上350℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、結晶性を高めることができるため好ましい。 Note that when the oxide semiconductor film is formed, for example, when a sputtering method is used, the substrate temperature is set to 150 ° C. to 750 ° C., 150 ° C. to 450 ° C., or 200 ° C. to 350 ° C. Forming a film is preferable because crystallinity can be improved.

また、酸化物半導体膜107を形成した後、加熱処理を行い、酸化物半導体膜107の脱水素化または脱水化をしてもよい。加熱処理の温度は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、または250℃以上450℃以下、または300℃以上450℃以下である。 Alternatively, after the oxide semiconductor film 107 is formed, heat treatment may be performed to dehydrogenate or dehydrate the oxide semiconductor film 107. The temperature of the heat treatment is typically 150 ° C. or higher and lower than the substrate strain point, 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, or 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、または窒素を含む不活性ガス雰囲気で行うことができる。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気で加熱してもよい。なお、上記不活性雰囲気及び酸素雰囲気に水素、水などが含まれないことが好ましい。処理時間は3分以上24時間以下とすればよい。 The heat treatment can be performed in an inert gas atmosphere containing nitrogen or a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, or krypton. Alternatively, after heating in an inert gas atmosphere, heating may be performed in an oxygen atmosphere. Note that it is preferable that the inert atmosphere and the oxygen atmosphere do not contain hydrogen, water, or the like. The treatment time may be 3 minutes or more and 24 hours or less.

該加熱処理は、電気炉、RTA装置等を用いることができる。RTA装置を用いることで、短時間に限り、基板の歪み点以上の温度で熱処理を行うことができる。そのため加熱処理時間を短縮することができる。 For the heat treatment, an electric furnace, an RTA apparatus, or the like can be used. By using the RTA apparatus, heat treatment can be performed at a temperature equal to or higher than the strain point of the substrate for a short time. Therefore, the heat treatment time can be shortened.

酸化物半導体膜を加熱しながら成膜する、または酸化物半導体膜を形成した後、加熱処理を行うことで、酸化物半導体膜において、SIMSにより得られる水素濃度を5×1019atoms/cm以下、または1×1019atoms/cm以下、5×1018atoms/cm以下、または1×1018atoms/cm以下、または5×1017atoms/cm以下、または1×1016atoms/cm以下とすることができる。 The oxide semiconductor film is formed while being heated, or after the oxide semiconductor film is formed, heat treatment is performed, so that the hydrogen concentration obtained by SIMS in the oxide semiconductor film is 5 × 10 19 atoms / cm 3. Or less, or 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, or 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, or 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

次に、絶縁膜104及び酸化物半導体膜107上に絶縁膜110_0を形成する(図13(B)参照)。 Next, the insulating film 110_0 is formed over the insulating film 104 and the oxide semiconductor film 107 (see FIG. 13B).

絶縁膜110_0としては、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を、PECVD(Plasma−Enhanced Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成することができる。この場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。 As the insulating film 110_0, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film can be formed by a PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) method. In this case, it is preferable to use a deposition gas and an oxidation gas containing silicon as the source gas. Typical examples of the deposition gas containing silicon include silane, disilane, trisilane, and fluorinated silane. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, dinitrogen monoxide, and nitrogen dioxide.

本実施の形態では絶縁膜110_0として、PECVD装置を用い、酸化窒化シリコン膜を形成する。絶縁膜110_0の膜厚は、10nm以上100nm以下とする。なお、絶縁膜110_0の形成時において、絶縁膜110_0から酸化物半導体膜107中に酸素が添加される(図13(B)参照)。 In this embodiment, a silicon oxynitride film is formed as the insulating film 110_0 using a PECVD apparatus. The thickness of the insulating film 110_0 is greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 100 nm. Note that when the insulating film 110_0 is formed, oxygen is added from the insulating film 110_0 to the oxide semiconductor film 107 (see FIG. 13B).

本実施の形態において絶縁膜110_0の成膜は、堆積性気体としてシランを、酸化性気体として一酸化二窒素を用いる。 In this embodiment, the insulating film 110_0 is formed using silane as a deposition gas and dinitrogen monoxide as an oxidation gas.

また、堆積性気体の流量に対して酸化性気体の流量を大きくすることが好ましい。例えば、シランの流量に対して一酸化二窒素の流量を1000倍より大きく10000倍未満、好ましくは、2000倍以上6000倍以下とする。また、処理室内の圧力を1000Pa以下、または500Pa以下とし、処理室内における基板温度を、280℃以上400℃以下に保持し、PECVD装置を用いて、酸化窒化シリコン膜を形成することで、酸化物半導体膜107へ酸素を供給することができる。 Further, it is preferable to increase the flow rate of the oxidizing gas with respect to the flow rate of the deposition gas. For example, the flow rate of dinitrogen monoxide is greater than 1000 times and less than 10,000 times, preferably 2000 times or more and 6000 times or less, relative to the flow rate of silane. Further, the pressure in the processing chamber is set to 1000 Pa or lower or 500 Pa or lower, the substrate temperature in the processing chamber is maintained at 280 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and a silicon oxynitride film is formed using a PECVD apparatus. Oxygen can be supplied to the semiconductor film 107.

また、酸化物半導体膜107が重畳しない領域の絶縁膜104へも酸素を供給することができる。 In addition, oxygen can be supplied to the insulating film 104 in a region where the oxide semiconductor film 107 does not overlap.

また、絶縁膜110_0を、マイクロ波を用いたプラズマCVD装置を用いて形成してもよい。マイクロ波とは300MHzから300GHzの周波数域を指す。マイクロ波は、電子温度が低く、電子エネルギーが小さい。また、供給された電力において、電子の加速に用いられる割合が少なく、より多くの分子の解離及び電離に用いられることが可能であり、密度の高いプラズマ(高密度プラズマ)を励起することができる。このため、被成膜面及び堆積物へのプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない絶縁膜110_0を形成することができる。 Alternatively, the insulating film 110_0 may be formed using a plasma CVD apparatus using a microwave. Microwave refers to the frequency range from 300 MHz to 300 GHz. Microwaves have a low electron temperature and a low electron energy. In addition, in the supplied power, the ratio used for accelerating electrons is small, it can be used for dissociation and ionization of more molecules, and high density plasma (high density plasma) can be excited. . Therefore, the insulating film 110_0 with little plasma damage to the deposition surface and deposits and few defects can be formed.

絶縁膜110_0の成膜後に、窒素酸化物を有するガス、窒素または酸素を有する気体、例えば一酸化二窒素を有する気体を用いたプラズマ処理を行ってもよい。または酸素を有する気体を用いてもよい。プラズマ処理は、上述のPECVD装置またはマイクロ波を用いたプラズマCVD装置を用いることができる。該プラズマ処理を行うことにより、酸化物半導体膜107へ酸素を供給することができる。また、酸化物半導体膜107が重畳しない領域の絶縁膜104へも酸素を供給することができる。 After the insulating film 110_0 is formed, plasma treatment may be performed using a gas containing nitrogen oxide, a gas containing nitrogen or oxygen, for example, a gas containing dinitrogen monoxide. Alternatively, a gas containing oxygen may be used. For the plasma treatment, the above-described PECVD apparatus or a plasma CVD apparatus using a microwave can be used. By performing the plasma treatment, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 107. In addition, oxygen can be supplied to the insulating film 104 in a region where the oxide semiconductor film 107 does not overlap.

次に、絶縁膜110_0上に導電膜114_0を形成する。その後、導電膜114_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図13(C)参照)。 Next, a conductive film 114_0 is formed over the insulating film 110_0. After that, a mask 140 is formed at a desired position over the conductive film 114_0 by a lithography process (see FIG. 13C).

次に、マスク140上からエッチングを行い、導電膜114_0と、絶縁膜110_0と、を加工する。その後、マスク140を除去することで、島状の導電膜114と、島状の絶縁膜110とを形成する(図14(A)参照)。 Next, etching is performed from above the mask 140 to process the conductive film 114_0 and the insulating film 110_0. After that, the mask 140 is removed, so that the island-shaped conductive film 114 and the island-shaped insulating film 110 are formed (see FIG. 14A).

導電膜114_0及び絶縁膜110_0の加工としては、ウエットエッチング法またはドライエッチング法を用いて行う。 The conductive film 114_0 and the insulating film 110_0 are processed by a wet etching method or a dry etching method.

なお、導電膜114、及び絶縁膜110の加工の際に、導電膜114が重畳しない領域の酸化物半導体膜107の膜厚が薄くなる場合がある。または、導電膜114、及び絶縁膜110の加工の際に、酸化物半導体膜107が重畳しない領域の絶縁膜104の膜厚が薄くなる場合がある。また、導電膜114_0、及び絶縁膜110_0の加工の際に、エッチャントまたはエッチングガス(例えば、塩素など)が酸化物半導体膜107中に添加される、あるいは導電膜114_0、または絶縁膜110_0の構成元素が酸化物半導体膜107中に添加される場合がある。 Note that when the conductive film 114 and the insulating film 110 are processed, the oxide semiconductor film 107 in a region where the conductive film 114 is not overlapped may be thin. Alternatively, when the conductive film 114 and the insulating film 110 are processed, the thickness of the insulating film 104 in a region where the oxide semiconductor film 107 does not overlap may be reduced. Further, when the conductive film 114_0 and the insulating film 110_0 are processed, an etchant or an etching gas (eg, chlorine) is added to the oxide semiconductor film 107, or the conductive film 114_0 or the constituent element of the insulating film 110_0 May be added to the oxide semiconductor film 107 in some cases.

次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜114上から、不純物元素145の添加を行う(図14(B)参照)。 Next, the impurity element 145 is added over the insulating film 104, the oxide semiconductor film 107, and the conductive film 114 (see FIG. 14B).

不純物元素145の添加方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ処理法等がある。プラズマ処理法の場合、添加する不純物元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、プラズマ処理を行うことによって、不純物元素を添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置、アッシング装置、プラズマCVD装置、高密度プラズマCVD装置等を用いることができる。 As an addition method of the impurity element 145, an ion doping method, an ion implantation method, a plasma treatment method, or the like can be given. In the case of the plasma treatment method, the impurity element can be added by performing plasma treatment by generating plasma in a gas atmosphere containing the impurity element to be added. As an apparatus for generating the plasma, a dry etching apparatus, an ashing apparatus, a plasma CVD apparatus, a high-density plasma CVD apparatus, or the like can be used.

なお、不純物元素145の原料ガスとして、B、PH、CH、N、NH、AlH、AlCl、SiH、Si、F、HF、H及び希ガスの一以上を用いることができる。または、希ガスで希釈されたB、PH、N、NH、AlH、AlCl、F、HF、及びHの一以上を用いることができる。希ガスで希釈されたB、PH、N、NH、AlH、AlCl、F、HF、及びHの一以上を用いて不純物元素145を酸化物半導体膜107に添加することで、希ガス、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、及び塩素の一以上を酸化物半導体膜107に添加することができる。 Note that as source gases for the impurity element 145, B 2 H 6 , PH 3 , CH 4 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , F 2 , HF, H 2 and rare One or more of the gases can be used. Alternatively, one or more of B 2 H 6 , PH 3 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , F 2 , HF, and H 2 diluted with a rare gas can be used. The impurity element 145 is formed in the oxide semiconductor film 107 using one or more of B 2 H 6 , PH 3 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , F 2 , HF, and H 2 diluted with a rare gas. By addition, one or more of a rare gas, hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, and chlorine can be added to the oxide semiconductor film 107.

または、希ガスを添加した後、B、PH、CH、N、NH、AlH、AlCl、SiH、Si、F、HF、及びHの一以上を酸化物半導体膜107に添加してもよい。または、B、PH、CH、N、NH、AlH、AlCl、SiH、Si、F、HF、及びHの一以上を添加した後、希ガスを酸化物半導体膜107に添加してもよい。 Alternatively, after adding a rare gas, one of B 2 H 6 , PH 3 , CH 4 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , F 2 , HF, and H 2 The above may be added to the oxide semiconductor film 107. Or, after adding one or more of B 2 H 6 , PH 3 , CH 4 , N 2 , NH 3 , AlH 3 , AlCl 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , F 2 , HF, and H 2 , rare A gas may be added to the oxide semiconductor film 107.

不純物元素145の添加は、加速電圧、ドーズ量などの注入条件を適宜設定して制御すればよい。例えば、イオン注入法でアルゴンの添加を行う場合、加速電圧10kV以上100kV以下、ドーズ量は1×1013ions/cm以上1×1016ions/cm以下とすればよく、例えば、1×1014ions/cmとすればよい。また、イオン注入法でリンイオンの添加を行う場合、加速電圧30kV、ドーズ量は1×1013ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすればよく、例えば、1×1015ions/cmとすればよい。 The addition of the impurity element 145 may be controlled by appropriately setting implantation conditions such as an acceleration voltage and a dose. For example, when argon is added by an ion implantation method, the acceleration voltage may be 10 kV to 100 kV and the dose may be 1 × 10 13 ions / cm 2 to 1 × 10 16 ions / cm 2 , for example, 1 × It may be 10 14 ions / cm 2 . In addition, when phosphorus ions are added by an ion implantation method, an acceleration voltage of 30 kV and a dose amount of 1 × 10 13 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less may be used, for example, 1 × 10 15 ions. / Cm 2 is sufficient.

また、本実施の形態においては、マスク140を除去してから、不純物元素145を添加する構成について例示したが、これに限定されず、例えば、マスク140を残したままの状態で不純物元素145の添加を行ってもよい。 Further, in this embodiment mode, the structure in which the impurity element 145 is added after the mask 140 is removed is illustrated; however, the present invention is not limited to this. For example, the impurity element 145 is left in a state where the mask 140 remains. Addition may be performed.

ただし、これに限定されず、例えば、不純物元素145を添加する工程を行わなくてもよい。この場合、不純物元素145を添加する工程を行わないため、製造工程を簡略化できる。 However, the invention is not limited to this. For example, the step of adding the impurity element 145 may not be performed. In this case, since the process of adding the impurity element 145 is not performed, the manufacturing process can be simplified.

次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜114上に絶縁膜116を形成する。なお、絶縁膜116を形成することで、絶縁膜116と接する酸化物半導体膜107は、ソース領域108s及びドレイン領域108dとなる。また、絶縁膜116と接しない酸化物半導体膜107、別言すると絶縁膜110と接する酸化物半導体膜107はチャネル領域108iとなる。これにより、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dを有する酸化物半導体膜108が形成される(図14(C)参照)。 Next, the insulating film 116 is formed over the insulating film 104, the oxide semiconductor film 107, and the conductive film 114. Note that when the insulating film 116 is formed, the oxide semiconductor film 107 in contact with the insulating film 116 becomes the source region 108s and the drain region 108d. In addition, the oxide semiconductor film 107 that is not in contact with the insulating film 116, in other words, the oxide semiconductor film 107 that is in contact with the insulating film 110 serves as a channel region 108i. Thus, the oxide semiconductor film 108 including the channel region 108i, the source region 108s, and the drain region 108d is formed (see FIG. 14C).

絶縁膜116としては、絶縁膜116に用いることのできる材料を選択することで形成できる。絶縁膜116として、PECVD装置を用い、窒化フッ化シリコン膜または窒化シリコン膜を形成する。 The insulating film 116 can be formed by selecting a material that can be used for the insulating film 116. As the insulating film 116, a silicon nitride fluoride film or a silicon nitride film is formed using a PECVD apparatus.

絶縁膜116として、窒化フッ化シリコン膜または窒化シリコン膜を用いることで、絶縁膜116に接するソース領域108s、及びドレイン領域108dに窒化フッ化シリコン膜中または窒化シリコン膜中の窒素、水素、フッ素の1以上を供給することができる。特に、ソース領域108s、及びドレイン領域108dには、フッ素が供給されると好ましい。この結果、ソース領域108s、及びドレイン領域108dのキャリア密度を安定して高めることができる。 By using a silicon nitride fluoride film or a silicon nitride film as the insulating film 116, the source region 108 s and the drain region 108 d that are in contact with the insulating film 116 are formed into nitrogen, hydrogen, fluorine in the silicon nitride fluoride film or the silicon nitride film. One or more of can be supplied. In particular, fluorine is preferably supplied to the source region 108s and the drain region 108d. As a result, the carrier density of the source region 108s and the drain region 108d can be stably increased.

次に、絶縁膜116上に絶縁膜118を形成する(図14(D)参照)。 Next, the insulating film 118 is formed over the insulating film 116 (see FIG. 14D).

絶縁膜118としては、絶縁膜118に用いることのできる材料を選択することで形成できる。絶縁膜118として、PECVD装置を用い、例えば酸化窒化シリコン膜を形成する。 The insulating film 118 can be formed by selecting a material that can be used for the insulating film 118. As the insulating film 118, for example, a silicon oxynitride film is formed using a PECVD apparatus.

次に、絶縁膜118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜118及び絶縁膜116の一部をエッチングすることで、ソース領域108sに達する開口部141aと、ドレイン領域108dに達する開口部141bと、を形成する(図15(A)参照)。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position of the insulating film 118, a part of the insulating film 118 and the insulating film 116 is etched, so that the opening 141a reaching the source region 108s and the drain region 108d are formed. And reaching the opening 141b (see FIG. 15A).

絶縁膜118及び絶縁膜116をエッチングする方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。 As a method for etching the insulating film 118 and the insulating film 116, one or both of a wet etching method and a dry etching method may be used.

次に、開口部141a、141bを覆うように、絶縁膜118上に導電膜120を形成する(図15(B)参照)。 Next, a conductive film 120 is formed over the insulating film 118 so as to cover the openings 141a and 141b (see FIG. 15B).

導電膜120としては、導電膜120a、120bに用いることのできる材料を選択することで形成できる。 The conductive film 120 can be formed by selecting a material that can be used for the conductive films 120a and 120b.

次に、導電膜120上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスクを形成した後、導電膜120の一部をエッチングすることで、導電膜120a、120bを形成する(図15(C)参照)。 Next, after a mask is formed at a desired position on the conductive film 120 by a lithography process, part of the conductive film 120 is etched to form conductive films 120a and 120b (see FIG. 15C). .

導電膜120の加工方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。 As a method for processing the conductive film 120, one or both of a wet etching method and a dry etching method may be used.

以上の工程により、図1に示すトランジスタ100を作製することができる。 Through the above process, the transistor 100 illustrated in FIG. 1 can be manufactured.

なお、トランジスタ100を構成する膜(絶縁膜、酸化物半導体膜、導電膜等)としては、上述の形成方法の他、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、ALD法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマ化学気相堆積(PECVD)法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、MOCVD(有機金属化学堆積)法が挙げられる。 Note that as a film included in the transistor 100 (an insulating film, an oxide semiconductor film, a conductive film, or the like), in addition to the above-described formation methods, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a vacuum evaporation method, and a pulse laser deposition It can be formed by using (PLD) method or ALD method. Alternatively, it can be formed by a coating method or a printing method. As a film forming method, a sputtering method and a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method are typical, but a thermal CVD method may be used. An example of the thermal CVD method is an MOCVD (metal organic chemical deposition) method.

熱CVD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行う。このように、熱CVD法は、プラズマを発生させない成膜方法であるため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。 In the thermal CVD method, the inside of a chamber is set to atmospheric pressure or reduced pressure, and a source gas and an oxidant are simultaneously sent into the chamber, reacted in the vicinity of the substrate or on the substrate, and deposited on the substrate. Thus, the thermal CVD method is a film forming method that does not generate plasma, and thus has an advantage that no defect is generated due to plasma damage.

MOCVD法などの熱CVD法は、上記記載の導電膜、絶縁膜、酸化物半導体膜、金属酸化膜などの膜を形成することができ、例えば、In−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム(In(CH)、トリメチルガリウム(Ga(CH)、及びジメチル亜鉛を用いる(Zn(CH)。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(Ga(C)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(Zn(C)を用いることもできる。 A thermal CVD method such as an MOCVD method can form a film such as the above-described conductive film, insulating film, oxide semiconductor film, or metal oxide film. For example, an In—Ga—Zn—O film is formed. In this case, trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), and dimethyl zinc are used (Zn (CH 3 ) 2 ). Without being limited to these combinations, triethylgallium (Ga (C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) is used instead of dimethylzinc. You can also.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH、Hf[N(CH)やテトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O)の2種類のガスを用いる。 For example, when a hafnium oxide film is formed by a film formation apparatus using ALD, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor (hafnium alkoxide or tetrakisdimethylamide hafnium (TDMAH, Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) ) Or tetrakis (ethylmethylamide) hafnium) or the like, and two gases of ozone (O 3 ) are used as an oxidizing agent.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体を含む液体(トリメチルアルミニウム(TMA、Al(CH)など)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてHOの2種類のガスを用いる。他の材料としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)などがある。 For example, when an aluminum oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, a raw material gas obtained by vaporizing a liquid (such as trimethylaluminum (TMA, Al (CH 3 ) 3 )) containing a solvent and an aluminum precursor is used. Two types of gas, H 2 O, are used as the oxidizing agent. Other materials include tris (dimethylamido) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) and the like.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス(O、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。 For example, when a silicon oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, hexachlorodisilane is adsorbed on the film formation surface, and radicals of oxidizing gas (O 2 , dinitrogen monoxide) are supplied and adsorbed. React with things.

例えば、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WFガスとBガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WFガスとHガスとを用いてタングステン膜を形成する。なお、Bガスに代えてSiHガスを用いてもよい。 For example, when a tungsten film is formed by a film forming apparatus using ALD, an initial tungsten film is formed by sequentially introducing WF 6 gas and B 2 H 6 gas, and then WF 6 gas and H 2 gas. To form a tungsten film. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばIn−Ga−Zn−O膜を成膜する場合には、In(CHガスとOガスを用いてIn−O層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスとを用いてGaO層を形成し、更にその後Zn(CHガスとOガスとを用いてZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてIn−Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Oガスに変えてAr等の不活性ガスで水をバブリングして得られたHOガスを用いても良いが、Hを含まないOガスを用いる方が好ましい。 For example, in the case where an oxide semiconductor film such as an In—Ga—Zn—O film is formed by a film formation apparatus using ALD, an In—O layer is formed using In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas. Then, a GaO layer is formed using Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas, and then a ZnO layer is formed using Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas. Note that the order of these layers is not limited to this example. Alternatively, a mixed compound layer such as an In—Ga—O layer, an In—Zn—O layer, or a Ga—Zn—O layer may be formed using these gases. Incidentally, O 3 may be used of H 2 O gas obtained by bubbling water with an inert gas such as Ar in place of the gas, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred.

<1−7.半導体装置の作製方法2>
次に、図2に示すトランジスタ100Aの作製方法の一例について、図16乃至図18を用いて説明する。なお、図16乃至図18は、トランジスタ100Aの作製方法を説明するチャネル長(L)方向、及びチャネル幅(W)方向の断面図である。
<1-7. Manufacturing Method 2 of Semiconductor Device>
Next, an example of a method for manufacturing the transistor 100A illustrated in FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 16 to 18 are cross-sectional views in the channel length (L) direction and the channel width (W) direction for describing the manufacturing method of the transistor 100A.

まず、基板102上に導電膜106を形成する。次に、基板102、及び導電膜106上に絶縁膜104を形成し、絶縁膜104上に酸化物半導体膜を形成する。その後、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、酸化物半導体膜107を形成する(図16(A)参照)。 First, the conductive film 106 is formed over the substrate 102. Next, the insulating film 104 is formed over the substrate 102 and the conductive film 106, and an oxide semiconductor film is formed over the insulating film 104. After that, the oxide semiconductor film 107 is formed by processing the oxide semiconductor film into an island shape (see FIG. 16A).

導電膜106としては、導電膜120a、120bと同様の材料、及び同様の手法により形成することができる。 The conductive film 106 can be formed using a material and a method similar to those of the conductive films 120a and 120b.

次に、絶縁膜104及び酸化物半導体膜107上に絶縁膜110_0を形成する。なお、絶縁膜110_0の形成時において、酸化物半導体膜107および酸化物半導体膜107が重畳しない領域の絶縁膜104に酸素が供給される。図16(B)において、当該酸素を矢印で模式的に表している(図16(B)参照)。 Next, the insulating film 110_0 is formed over the insulating film 104 and the oxide semiconductor film 107. Note that when the insulating film 110_0 is formed, oxygen is supplied to the insulating film 104 in a region where the oxide semiconductor film 107 and the oxide semiconductor film 107 do not overlap with each other. In FIG. 16B, the oxygen is schematically represented by arrows (see FIG. 16B).

次に、絶縁膜110_0上の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜110_0及び絶縁膜104の一部をエッチングすることで、導電膜106に達する開口部143を形成する(図16(C)参照)。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position over the insulating film 110_0, the insulating film 110_0 and part of the insulating film 104 are etched, so that an opening 143 reaching the conductive film 106 is formed (FIG. 16 (C)).

開口部143の形成方法としては、ウエットエッチング法及びドライエッチング法のいずれか一方または双方を用いればよい。 As a method for forming the opening 143, one or both of a wet etching method and a dry etching method may be used.

次に、開口部143を覆うように、絶縁膜110_0上に導電膜114_0を形成する(図16(C)参照)。 Next, a conductive film 114_0 is formed over the insulating film 110_0 so as to cover the opening 143 (see FIG. 16C).

なお、開口部143を覆うように、導電膜114_0を形成することで、導電膜106と、導電膜114_0とが電気的に接続される。 Note that by forming the conductive film 114_0 so as to cover the opening 143, the conductive film 106 and the conductive film 114_0 are electrically connected to each other.

次に、導電膜114_0上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスク140を形成する(図17(A)参照)。 Next, a mask 140 is formed at a desired position over the conductive film 114_0 by a lithography process (see FIG. 17A).

次に、マスク140上から、エッチングを行い、導電膜114_0、及び絶縁膜110_0を加工する。導電膜114_0、及び絶縁膜110_0を加工することで、島状の導電膜114、及び島状の絶縁膜110が形成される(図17(B)参照)。 Next, etching is performed over the mask 140 to process the conductive film 114_0 and the insulating film 110_0. By processing the conductive film 114_0 and the insulating film 110_0, the island-shaped conductive film 114 and the island-shaped insulating film 110 are formed (see FIG. 17B).

次に、マスク140を除去した後、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜114上から、不純物元素145の添加を行う(図17(C)参照)。 Next, after the mask 140 is removed, an impurity element 145 is added over the insulating film 104, the oxide semiconductor film 107, and the conductive film 114 (see FIG. 17C).

不純物元素145の添加方法としては、上述を参酌する。。 The above is referred to for the addition method of the impurity element 145. .

次に、絶縁膜104、酸化物半導体膜107、及び導電膜114上に絶縁膜116を形成する。なお、絶縁膜116を形成することで、絶縁膜116と接する酸化物半導体膜107は、ソース領域108s及びドレイン領域108dとなる。また、絶縁膜116と接しない酸化物半導体膜107、別言すると絶縁膜110と接する酸化物半導体膜107はチャネル領域108iとなる。これにより、チャネル領域108i、ソース領域108s、及びドレイン領域108dを有する酸化物半導体膜108が形成される(図17(D)参照)。 Next, the insulating film 116 is formed over the insulating film 104, the oxide semiconductor film 107, and the conductive film 114. Note that when the insulating film 116 is formed, the oxide semiconductor film 107 in contact with the insulating film 116 becomes the source region 108s and the drain region 108d. In addition, the oxide semiconductor film 107 that is not in contact with the insulating film 116, in other words, the oxide semiconductor film 107 that is in contact with the insulating film 110 serves as a channel region 108i. Thus, the oxide semiconductor film 108 including the channel region 108i, the source region 108s, and the drain region 108d is formed (see FIG. 17D).

次に、絶縁膜116上に絶縁膜118を形成する(図18(A)参照)。 Next, an insulating film 118 is formed over the insulating film 116 (see FIG. 18A).

次に、絶縁膜118の所望の位置に、リソグラフィによりマスクを形成した後、絶縁膜118及び絶縁膜116の一部をエッチングすることで、ソース領域108sに達する開口部141aと、ドレイン領域108dに達する開口部141bと、を形成する(図18(B)参照)。 Next, after a mask is formed by lithography at a desired position of the insulating film 118, a part of the insulating film 118 and the insulating film 116 is etched, so that the opening 141a reaching the source region 108s and the drain region 108d are formed. And reaching the opening 141b (see FIG. 18B).

次に、開口部141a、141bを覆うように、絶縁膜118上に導電膜120を形成する(図18(C)参照)。 Next, a conductive film 120 is formed over the insulating film 118 so as to cover the openings 141a and 141b (see FIG. 18C).

次に、導電膜120上の所望の位置に、リソグラフィ工程によりマスクを形成した後、導電膜120の一部をエッチングすることで、導電膜120a、120bを形成する(図18(D)参照)。 Next, after a mask is formed at a desired position on the conductive film 120 by a lithography process, part of the conductive film 120 is etched to form conductive films 120a and 120b (see FIG. 18D). .

以上の工程により、図2に示すトランジスタ100Aを作製することができる。 Through the above steps, the transistor 100A illustrated in FIG. 2 can be manufactured.

また、本実施の形態において、トランジスタが酸化物半導体膜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。本発明の一態様では、トランジスタが酸化物半導体膜を有さなくてもよい。一例としては、トランジスタのチャネル領域、チャネル領域の近傍、ソース領域、またはドレイン領域において、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、などを有する材料で形成してもよい。 In this embodiment, an example in which a transistor includes an oxide semiconductor film is described; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. In one embodiment of the present invention, a transistor does not necessarily include an oxide semiconductor film. As an example, in a channel region of a transistor, in the vicinity of the channel region, in a source region or a drain region, a material having Si (silicon), Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), or the like is formed. May be.

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

(実施の形態2)
本実施の形態においては、酸化物半導体に形成される酸素欠損(Vo)、及び当該酸素欠損に不純物(フッ素または水素)が入った場合について、詳細に説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an oxygen vacancy (Vo) formed in an oxide semiconductor and a case where an impurity (fluorine or hydrogen) enters the oxygen vacancy will be described in detail.

<2−1.酸化物半導体に形成される酸素欠損(Vo)のモデルについて>
まず、酸化物半導体に形成される酸素欠損(Vo)のモデルについて、説明する。酸化物半導体中において、酸素欠損は深い準位(dDOSともいう。)を形成する。dDOSは、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性を劣化させる要因となる場合がある。ここでは、酸化物半導体中において、酸素欠損の集合体(Voクラスタともいう。)が形成されるモデルについて検証した結果について説明する。
<2-1. Model of oxygen deficiency (Vo) formed in oxide semiconductor>
First, a model of oxygen vacancies (Vo) formed in an oxide semiconductor is described. In an oxide semiconductor, oxygen vacancies form deep levels (also referred to as dDOS). In some cases, dDOS is a factor that degrades the electrical characteristics of a transistor including an oxide semiconductor. Here, a result of verification of a model in which an aggregate of oxygen vacancies (also referred to as a Vo cluster) is formed in an oxide semiconductor will be described.

図19(A)は、初期状態(酸素欠損ができる前)のInGaZnO結晶モデルを表す図であり、図19(B)、図19(C)、図20(A)、図20(B)、及び図20(C)は、のInGaZnO結晶モデルに酸素欠損が形成されるモデルを表す図である。図19(B)、図19(C)、図20(A)、図20(B)、及び図20(C)において、白丸は金属原子を表し、白丸の中に元素名を記載している。また、黒丸は酸素原子を表し、点線の丸はVoを表す。 FIG. 19A is a diagram illustrating an InGaZnO 4 crystal model in an initial state (before oxygen vacancy is generated). FIG. 19B, FIG. 19C, FIG. 20A, and FIG. FIG. 20C is a diagram illustrating a model in which oxygen vacancies are formed in the InGaZnO 4 crystal model. In FIG. 19B, FIG. 19C, FIG. 20A, FIG. 20B, and FIG. 20C, a white circle represents a metal atom, and an element name is described in the white circle. . A black circle represents an oxygen atom, and a dotted circle represents Vo.

[Voの形成1]
まず、図19(A)に示す初期状態から、図19(B)に示すように、In、Znに囲まれた酸素サイトでVoが形成される。
[Vo formation 1]
First, from the initial state shown in FIG. 19A, Vo is formed at an oxygen site surrounded by In and Zn as shown in FIG. 19B.

[Vznの形成1]
次に、図19(B)に示すモデルから、図19(C)に示すように、Vo近傍のZnが放出され、Zn欠損(Vzn)が形成される。
[Formation 1 of Vzn]
Next, as shown in FIG. 19C, Zn in the vicinity of Vo is released from the model shown in FIG. 19B, and Zn defects (Vzn) are formed.

[Voの形成2]
次に、図19(C)に示すモデルから、図20(A)に示すように、Vzn近傍、且つGaとの配位数の少ない酸素サイトにVoが形成される。
[Vo formation 2]
Next, from the model shown in FIG. 19C, as shown in FIG. 20A, Vo is formed at an oxygen site in the vicinity of Vzn and with a small number of coordination with Ga.

[Vznの形成2]
次に、図20(A)に示すモデルから、図20(B)に示すように、Vo近傍のZnが放出され、Vznが形成される。
[Formation 2 of Vzn]
Next, from the model shown in FIG. 20A, as shown in FIG. 20B, Zn in the vicinity of Vo is released to form Vzn.

[Voの形成3]
次に、図20(B)に示すモデルから、図20(C)に示すように、Vzn近傍にVoが形成される。
[Vo formation 3]
Next, from the model shown in FIG. 20B, Vo is formed in the vicinity of Vzn as shown in FIG.

以上のようにして、酸化物半導体中に1つの酸素欠損が形成されることによって、当該酸素欠損近傍でも、新たに酸素欠損が形成され、複数の酸素欠損、または酸素欠損の集合体(Voクラスタ)が形成される。そのため、酸素欠損が形成された場合、安定した結合によって、酸素欠損を終端させることが重要である。 As described above, when one oxygen vacancy is formed in the oxide semiconductor, an oxygen vacancy is newly formed in the vicinity of the oxygen vacancy, and a plurality of oxygen vacancies or an aggregate of oxygen vacancies (Vo cluster). ) Is formed. Therefore, when oxygen vacancies are formed, it is important to terminate the oxygen vacancies with stable bonds.

<2−2.VoのF終端について1>
次に、酸素欠損(Vo)を終端させるために、酸化物半導体中にフッ素が入った場合について、説明を行う。まず、VoのF終端(以下、VoFとする)が起こり易いか調べるために、FがVoの外に存在するモデル、及びFがVoに入ったモデルの2つのモデルについて、どちらのモデルがエネルギー的に安定であるか計算を行った。
<2-2. About Vo F Termination 1>
Next, the case where fluorine enters an oxide semiconductor in order to terminate oxygen deficiency (Vo) is described. First, in order to investigate whether or not the F F termination (hereinafter referred to as VoF) is likely to occur, there are two models, namely, a model in which F exists outside Vo and a model in which F enters Vo. The calculation was made to see if it is stable.

計算に用いたモデル図を図21(A)(B)に、計算条件を表1に、それぞれ示す。なお、図21(A)(B)において、大きい黒丸は酸素原子を表し、白丸、小さい黒丸、及び灰丸は金属原子(それぞれ、In、Ga、Zn)を表し、点線の丸はVoを表し、矢印で示す丸はFを表す。 The model diagrams used for the calculation are shown in FIGS. 21A and 21B, and the calculation conditions are shown in Table 1, respectively. 21A and 21B, large black circles represent oxygen atoms, white circles, small black circles, and gray circles represent metal atoms (In, Ga, Zn, respectively), and dotted circles represent Vo. A circle indicated by an arrow represents F.

なお、計算に用いたモデルとしては、InGaZnO結晶モデル(112原子)を用いた。また、図21(A)は、FがVoの外に存在するモデル(以下、Vo+Fintモデル)であり、図21(B)は、FがVoに入ったモデル(以下、VoF+bulkモデル)である。 As a model used for the calculation, an InGaZnO 4 crystal model (112 atoms) was used. 21A shows a model in which F exists outside Vo (hereinafter referred to as Vo + Fint model), and FIG. 21B shows a model in which F enters Vo (hereinafter referred to as VoF + bulk model).

なお、Vo及びVoFの形成サイトとして、3個のInと、1個のZnと結合したInO層の酸素サイトとした。また、FがVoの外に存在するモデルの場合、Fは格子間に存在する(Fint)とした。そこで、考えられうる格子間サイトにF原子を配置し、エネルギー的に最も安定なサイトを選んだ。 The formation site of Vo and VoF was an oxygen site of an InO 2 layer bonded to 3 In and 1 Zn. In the case of a model in which F exists outside Vo, F is assumed to exist between lattices (Fint). Therefore, F atoms were arranged at possible interstitial sites, and the most stable site in terms of energy was selected.

また、図21(A)に示すVo+Fintモデルとしては、VoとFintとは、影響がないほど遠い位置に存在すると仮定した。この場合、FがVoに入ったモデルと、図21(A)に示すVo+Fintモデルとを比較するには、原子数を揃える必要がある。そこで、Vo+Fintモデルのエネルギー(Etot(Vo+Fint)をVoモデルのエネルギー(E(Vo))と、Fintモデル(E(Fint))のエネルギーの和とし、VoFモデルのエネルギー(Etot(VoF))をVoFモデルのエネルギー(E(VoF)と、欠陥なしのバルクモデルのエネルギー(E(bulk))の和とした。 Further, in the Vo + Fint model shown in FIG. 21A, it is assumed that Vo and Fint exist at positions far enough that there is no influence. In this case, in order to compare the model in which F enters Vo with the Vo + Fint model shown in FIG. Therefore, the energy of the Vo + Fint model (E tot (Vo + Fint) is the sum of the energy of the Vo model (E (Vo)) and the energy of the Fint model (E (Fint)), and the energy of the VoF model (E tot (VoF)) Is the sum of the energy of the VoF model (E (VoF)) and the energy of the bulk model without defects (E (bulk)).

上記の関係を満たす数式を以下に示す。 Formulas that satisfy the above relationship are shown below.

上述の数式(1)及び数式(2)で表される式で算出した相対エネルギーの結果を表2に示す。 Table 2 shows the results of the relative energy calculated by the formulas represented by the above formulas (1) and (2).

表2に示す結果より、VoFの方がVo+Fintよりも相対エネルギーが低くなっていることが分かる。これは、VoとFintが離れて存在するよりも、VoFという形になった方が安定であることを示唆している。つまり、VoがIGZO膜中にあった場合、おそらく、FintがVoを埋め、VoFを形成する。 From the results shown in Table 2, it can be seen that the relative energy of VoF is lower than that of Vo + Fint. This suggests that the form of VoF is more stable than the presence of Vo and Fint apart. That is, if Vo is in the IGZO film, Fint probably fills Vo and forms VoF.

<2−3.VoFモデルの状態密度>
次に、VoFモデルの状態密度を算出した。VoFモデルの状態密度の計算結果を図22に示す。
<2-3. Density of state of VoF model>
Next, the state density of the VoF model was calculated. The calculation result of the density of states of the VoF model is shown in FIG.

なお、VoFモデルの状態密度の算出には、汎関数にGGAを用いた。また、図22において、上半分がup spinを、下半分がdown spinを、それぞれ図示しており、横軸がエネルギーを表し、横軸の0eVの位置が価電子帯上端に相当する。 For the calculation of the density of states of the VoF model, GGA was used as a functional. In FIG. 22, the upper half shows up spin, the lower half shows down spin, the horizontal axis represents energy, and the position of 0 eV on the horizontal axis corresponds to the upper end of the valence band.

図22に示す結果から、VoFが形成されると、伝導帯に電子が1個放出される。これは、OとFとのイオン原子価の違いによるものと示唆される。つまり、VoにFが入るとおそらく、電子が放出されn型になる。 From the results shown in FIG. 22, when VoF is formed, one electron is emitted in the conduction band. This is probably due to the difference in ionic valence between O and F. That is, when F enters Vo, electrons are probably emitted and become n-type.

<2−4.VoのO終端について>
次に、上記説明したVoのF終端と比較するために、VoのO終端について計算を行った。なお、VoのO終端は、Vo修復であり、VoのO終端後には欠陥なしとなる。まず、OがVoの外に存在するモデルと、Vo修復後(欠陥なし)のモデルとのエネルギー比較を行った。
<2-4. About Vo O Termination>
Next, for comparison with the above-described Vo F-termination, calculation was performed for the Vo O-termination. Note that the Vo O-termination is Vo repair, and there is no defect after Vo O-termination. First, energy comparison was performed between a model in which O is present outside Vo and a model after Vo repair (no defect).

計算に用いたモデル図を図23(A)(B)に示す。なお、計算条件としては、先に示すVoFと同じとした。 The model diagrams used for the calculation are shown in FIGS. The calculation conditions were the same as those for VoF described above.

また、計算に用いたモデルとしては、InGaZnO結晶モデル(112原子)を用いた。また、図23(A)は、OがVoの外に存在するモデル(以下、Vo+Ointモデル)であり、図23(B)は、欠陥なしのバルクモデル(以下、bulk+bulkモデル)である。なお、図23(A)(B)において、大きい黒丸は酸素原子を表し、白丸、小さい黒丸、及び灰丸は金属原子(それぞれ、In、Ga、Zn)を表し、点線の丸はVoを表し、矢印で示す丸はOintを表す。 As a model used for the calculation, an InGaZnO 4 crystal model (112 atoms) was used. FIG. 23A shows a model in which O exists outside Vo (hereinafter referred to as Vo + Oint model), and FIG. 23B shows a defect-free bulk model (hereinafter referred to as bulk + bulk model). 23A and 23B, large black circles represent oxygen atoms, white circles, small black circles, and gray circles represent metal atoms (In, Ga, Zn, respectively), and dotted circles represent Vo. A circle indicated by an arrow represents Oint.

また、図23(A)に示すVo+Ointモデルとしては、VoとOintとは、影響がないほど遠い位置に存在すると仮定した。この場合、図23(B)に示すOがVoに入ったモデル(欠陥なしのモデル)と、図23(A)に示すVo+Ointモデルとを比較するには、原子数を揃える必要がある。そこで、図23(A)に示すVo+Ointモデルとしては、Vo+Ointモデルのエネルギー(Etot(Vo+Oint))をVoモデルのエネルギー(E(Vo))と、Ointモデル(E(Oint))とのエネルギーの和とし、図23(B)に示すVo修復後(欠陥なし)のモデルのエネルギー(Etot(cure))を、欠陥なしのバルクモデルのエネルギー(E(bulk))の2倍とした。 In addition, in the Vo + Oint model shown in FIG. 23A, it is assumed that Vo and Oint exist at positions far enough that there is no influence. In this case, in order to compare the model in which O enters Vo shown in FIG. 23B (model without defects) and the Vo + Oint model shown in FIG. Therefore, as the Vo + Oint model shown in FIG. 23A, the energy of the Vo + Oint model (E tot (Vo + Oint)) is the energy of the energy of the Vo model (E (Vo)) and the energy of the Oint model (E (Oint)). The energy (E tot (cure)) of the model after Vo repair (without defects) shown in FIG. 23B was set to twice the energy (E (bulk)) of the bulk model without defects shown in FIG.

上記の関係を満たす数式を以下に示す。 Formulas that satisfy the above relationship are shown below.

上述の数式(3)及び数式(4)で表される式で算出した相対エネルギーの結果を表3に示す。 Table 3 shows the results of the relative energy calculated by the expressions represented by the above mathematical formulas (3) and (4).

表3に示す結果より、Vo修復の方が、Vo+Ointよりも相対エネルギーが低くなっていることが分かる。これは、VoとOintが離れて存在するよりも、Vo修復という形になった方が安定であることを示唆している。つまり、VoがIGZO膜中にあった場合、おそらく、OintがVoを埋め、Vo修復する。なお、Vo修復のためキャリアの生成がない。 From the results shown in Table 3, it can be seen that the relative energy is lower in Vo repair than in Vo + Oint. This suggests that the form of Vo repair is more stable than the presence of Vo and Oint apart. That is, if Vo is in the IGZO film, Oint probably fills Vo and repairs Vo. Note that carriers are not generated for Vo repair.

<2−5.VoのF終端について2>
次に、上記の計算とは異なる計算方法でのVoのF終端について説明する。上記の計算においては、GGA汎関数を用いたのに対し、以下では、Hybrid汎関数を用いた。計算条件を表4に示す。
<2-5. About Vo F Termination 2>
Next, Vo F termination by a calculation method different from the above calculation will be described. In the above calculation, a GGA functional was used, while a Hybrid functional was used below. Table 4 shows the calculation conditions.

なお、表4に示す計算条件において、最初に欠陥のない結晶モデルの格子定数と原子位置の最適化を行い、その後、各欠陥モデルを形成し、原子配置のみ最適化した。 Note that, under the calculation conditions shown in Table 4, the lattice constant and the atomic position of the crystal model without defects were first optimized, and thereafter, each defect model was formed and only the atomic arrangement was optimized.

なお、ここでは図24(A)(B)(C)(D)に示す4つのモデルにおいて、計算を行った。 In addition, calculation was performed in the four models shown in FIGS. 24A, 24B, C, and D here.

図24(A)は、酸素欠損(Vo)を表すモデル図であり、図24(B)は、VoをFで穴埋めした構造(VoF)を表すモデル図であり、図24(C)は、格子間にFを挿入した構造(Fint)を表すモデル図であり、図24(D)は、格子間にOを挿入した構造(Oint)を表すモデル図である。なお、図24(A)(B)(C)(D)において、大きい黒丸は酸素原子を表し、白丸、小さい黒丸、及び灰丸は金属原子(それぞれ、In、Ga、Zn)を表し、点線の丸はVoを表し、矢印で示す白丸はFintを表し、矢印で示す黒丸はOintを表す。 FIG. 24A is a model diagram showing oxygen deficiency (Vo), FIG. 24B is a model diagram showing a structure in which Vo is filled with F (VoF), and FIG. FIG. 24D is a model diagram illustrating a structure (Fint) in which F is inserted between lattices, and FIG. 24D is a model diagram illustrating a structure (Oint) in which O is inserted between lattices. 24A, 24B, 24C, and 24D, large black circles represent oxygen atoms, white circles, small black circles, and gray circles represent metal atoms (In, Ga, Zn, respectively), and dotted lines A circle represents Vo, a white circle represented by an arrow represents Fint, and a black circle represented by an arrow represents Oint.

また、図24(A)において、Voの形成位置をInO層のOとし、Znと隣接するサイトのOとした。すなわち、Voの形成位置は、In3個とZn1個に囲まれたサイトである。また、図24(B)において、VoFの形成位置をInO層のOとし、Znと隣接するサイトのOとした。すなわち、VoFの形成位置は、In3個とZn1個に囲まれたサイトである。また、図24(C)において、Fintの形成位置をInO層と、(Ga,Zn)O層との間の格子間サイトとした。すなわち、Fintの形成位置は、In3個とGa2個とZn1個に囲まれたサイトである。また、図24(D)において、Ointの形成位置をInO層と、(Ga,Zn)O層との間の格子間サイトとした。すなわち、Ointの形成位置は、In3個とGa2個とZn1個に囲まれたサイトである。 In FIG. 24A, the position where Vo is formed is O in the InO 2 layer, and is O in the site adjacent to Zn. That is, the formation position of Vo is a site surrounded by In3 and Zn1. In FIG. 24B, the position where VoF is formed is O in the InO 2 layer and O in the site adjacent to Zn. That is, the formation position of VoF is a site surrounded by In3 and Zn1. In FIG. 24C, the Fint formation position is the interstitial site between the InO 2 layer and the (Ga, Zn) O layer. That is, the position where Fint is formed is a site surrounded by In3, Ga2 and Zn1. In FIG. 24D, the Oint formation position is an interstitial site between the InO 2 layer and the (Ga, Zn) O layer. That is, the formation position of Oint is a site surrounded by In3, Ga2 and Zn1.

また、図24(A)(B)(C)(D)で示すモデル図に対し、以下の数式を用いて欠陥モデルの形成エネルギー(Eform(D))を算出した。なお、欠陥モデルの形成エネルギー(Eform(D))としては、値が小さいほど欠陥が形成され易い。 In addition, with respect to the model diagrams shown in FIGS. 24A, 24B, 24C, and 24D, the formation energy (E form (D)) of the defect model was calculated using the following mathematical formula. As the formation energy (E form (D)) of the defect model, the smaller the value, the easier the defect is formed.

数式(5)において、E(defect,q)はqにチャージした欠陥Dを持つ格子の全エネルギーを、E(bulk)は欠陥のない結晶の全エネルギーを、Δn(X)は系から取り去った(加えた)原子Xの個数を、μ(X)は系から取り去った(加えた)原子Xに関する化学ポテンシャルを、qは欠陥を持つ系の電荷の価数を、μ(e)は電子の化学ポテンシャル(価電子帯上端からのフェルミ準位)を、EVBMは価電子帯上端(VBM)のエネルギーを、ΔVは静電ポテンシャルエネルギーの補正を、それぞれ表す。 In Equation (5), E (defect, q) is the total energy of the lattice having the defect D charged to q, E (bulk) is the total energy of the crystal without defects, and Δn (X) is removed from the system. The number of atoms X (added), μ (X) is the chemical potential for atom X removed (added) from the system, q is the charge valence of the system with defects, and μ (e) is the electron Chemical potential (Fermi level from the top of the valence band), EVBM represents the energy of the top of the valence band (VBM), and ΔV represents correction of electrostatic potential energy.

図25に欠陥のない結晶モデル(完全結晶)の状態密度の計算結果を示す。 FIG. 25 shows the calculation result of the density of states of a crystal model without defects (perfect crystal).

なお、図25において、フェルミ準位とは、最高電子占有準位を表す。なお、今回の計算においては、Γ点のみで計算を行っているため、準位が離散的になっている。また、電子は全て価電子帯内にあり、ギャップ内準位は存在しない。図25に示す計算結果より、バンドギャップは3.10eVであった。 In FIG. 25, the Fermi level represents the highest electron occupation level. In this calculation, since the calculation is performed only at the Γ point, the levels are discrete. Further, all electrons are in the valence band, and there are no in-gap levels. From the calculation result shown in FIG. 25, the band gap was 3.10 eV.

次に、Voの形成エネルギーの計算結果を図26(A)に、VoFの形成エネルギーの計算結果を図26(B)に、Fintの形成エネルギーの計算結果を図27(A)に、Ointの形成エネルギーの計算結果を図27(B)に、それぞれ示す。なお、図26(A)(B)、及び図27(A)(B)において、縦軸が数式(5)を用いて算出した形成エネルギーを、横軸がフェルミ準位を、それぞれ示す。また、図26(A)(B)、及び図27(A)(B)の横軸において、0.0eVは価電子帯上端(VBM)に相当し、3.10eVは伝導帯下端(CBM)に相当する。 Next, the calculation result of the formation energy of Vo is shown in FIG. 26A, the calculation result of the formation energy of VoF is shown in FIG. 26B, the calculation result of the formation energy of Fint is shown in FIG. The calculation results of the formation energy are shown in FIG. Note that in FIGS. 26A and 26B and FIGS. 27A and 27B, the vertical axis indicates the formation energy calculated using Equation (5), and the horizontal axis indicates the Fermi level. Further, in the horizontal axes of FIGS. 26A and 26B and FIGS. 27A and 27B, 0.0 eV corresponds to the valence band upper end (VBM), and 3.10 eV represents the lower end of the conduction band (CBM). It corresponds to.

また、図26(A)(B)、及び図27(A)(B)において、Xを欠陥の種類(Vo、VoF、Fint、またはOint)とし、qを系の電荷の価数とし、Yを単位格子当たりのスピン数(up spin電子数−down spin電子数)とし、X(Y)の形で表記した。 In FIGS. 26A and 26B and FIGS. 27A and 27B, X is the defect type (Vo, VoF, Fint, or Oint), q is the valence of the system charge, and Y Is the number of spins per unit cell (up spin electron number−down spin electron number), and is expressed in the form of X q (Y).

図26(A)に示す結果より、Voの荷電状態は、フェルミ準位がVBMから2.29eVまでは+2価であり、2.29eV以上では0価(中性)であった。 From the result shown in FIG. 26A, the charged state of Vo is +2 in the Fermi level from VBM to 2.29 eV, and 0 (neutral) in 2.29 eV or more.

図26(B)に示す結果より、VoFの荷電状態は、フェルミ準位がVBMから2.94eVまでは+1価であり、2.94eV以上では−1価であった。荷電状態が変化するフェルミエネルギーが2.94eVとCBMに近いことから、VoFはドナー源(n化要因)となる。 From the result shown in FIG. 26B, the charged state of VoF was +1 when the Fermi level was from VBM to 2.94 eV, and -1 when the Fermi level was 2.94 eV or more. Since Fermi energy at which the charge state changes is close to 2.94 eV and CBM, VoF becomes a donor source (nation factor).

図27(A)に示す結果より、Fintの荷電状態は、フェルミ準位がVBMから0.54eV以下までは+1価であり、0.54eVからCBMまでは−1価であった。Fintは、マイナスの荷電状態を取りやすいことから、電子をトラップする。 From the results shown in FIG. 27A, the charge state of Fint was +1 valence when the Fermi level was less than 0.54 eV from VBM, and -1 valence from 0.54 eV to CBM. Fint traps electrons because it easily takes a negative charge state.

図27(B)に示す結果より、Ointの荷電状態は、フェルミ準位がVBMから1.99eV以下までは+1価であり、1.99eVから2.18eVまでは0価(中性)であり、2.18eVからCBMまでは−2価であった。 From the result shown in FIG. 27B, the charge state of Oint is +1 valence when the Fermi level is VBM to 1.99 eV or less, and is 0 valence (neutral) from 1.99 eV to 2.18 eV. 2.18 eV to CBM was -2 valent.

<2−6.VoのF終端について3>
次に、<2−5.VoのF終端について2>に記載の各欠陥の形成エネルギーを用いて、以下に示す反応式(A)及び反応式(B)の検証を行った。
・反応式(A):Vo + F → VoF
・反応式(B):VoF + ex.O → F(+ex.OによるVo修復)
<2-6. About Vo F Termination 3>
Next, <2-5. The reaction formula (A) and the reaction formula (B) shown below were verified using the formation energy of each defect described in 2> for the F terminal of Vo.
Reaction formula (A): Vo + F → VoF
Reaction formula (B): VoF + ex. O → F (Vo repair by + ex.O)

なお、反応式(A)において、VoFの方がVo + Fよりもエネルギー的に安定であれば、F終端が起こり易い。また、反応式(B)において、ex.Oは過剰酸素を表す。また、反応式(A)及び反応式(B)の左側を反応原系、右側を生成系として以下説明する場合がある。 In the reaction formula (A), if VoF is energetically more stable than Vo + F, F termination tends to occur. In the reaction formula (B), ex. O represents excess oxygen. Further, the left side of the reaction formula (A) and the reaction formula (B) may be described below as the reaction source system and the right side as the generation system.

なお、反応式(A)の検証には、以下に示す数式(6)を用い、反応式(B)の検証には、以下に示す数式(7)を用いた。 The following equation (6) was used for verification of the reaction formula (A), and the following equation (7) was used for verification of the reaction formula (B).

数式(6)において、ΔEは、生成系(VoF)の形成エネルギーから、反応原系(Vo+Fint)の形成エネルギーを差分した値である。 In Equation (6), ΔE A from forming energy generating system (VOF), a value obtained by subtracting the formation energy of the reactants (Vo + Fint).

また、数式(7)において、ΔEは、生成系(Fint)の形成エネルギーから、反応原系(VoF+Oint)の形成エネルギーを差分した値である。 Further, in Equation (7), ΔE B is the formation energy generating system (Fint), a value obtained by subtracting the formation energy of the reactants (VoF + Oint).

なお、計算には、欠陥同士の相互作用がないほど離れているモデルを仮定し、エネルギー差(ΔE及びΔE)が正となるフェルミ準位では、反応原系の方が安定であり、エネルギー差(ΔE及びΔE)が負となるフェルミ準位では、生成系の方が安定である。また、<2−5.VoのF終端について2>に記載したように、系の安定な荷電状態はフェルミ準位によって異なる。そこで、ΔE及びΔEを算出する際に用いる各欠陥の形成エネルギーは、各フェルミ準位で最も安定な荷電状態とした。 In the calculation, assuming a model that is so far away that there is no interaction between defects, the reaction system is more stable at the Fermi level where the energy difference (ΔE A and ΔE B ) is positive, At the Fermi level where the energy difference (ΔE A and ΔE B ) is negative, the production system is more stable. Moreover, <2-5. As described in 2> for the F termination of Vo, the stable charge state of the system depends on the Fermi level. Therefore, the formation energy of each defect used when calculating ΔE A and ΔE B is the most stable charged state at each Fermi level.

反応式(A)における、反応原系及び生成系の形成エネルギーとエネルギー差(ΔE)の計算結果を図28(A)に示す。図28(A)に示す結果から、バンドギャップ中では、ΔEは、負であることから、VoとFとが存在する場合、VoをFで穴埋めしてVoFが生成されやすいことが確認された。 In the reaction formula (A), reactants and formation energy and the energy difference generated based a calculation result of (Delta] E A) shown in FIG. 28 (A). From the result shown in FIG. 28 (A), it is confirmed that ΔE A is negative in the band gap, so that when Vo and F exist, Vo is easily filled by filling F with F. It was.

また、反応式(B)における、反応原系及び生成系の形成エネルギーとエネルギー差(ΔE)の計算結果を図28(B)に示す。図28(B)に示す結果から、フェルミ準位が1.31eV以下では、OintによるVoFからのF放出は起こり難く(すなわち、反応原系の方が安定)、1.31eV以上では、OintはVoFからFを格子間に放出し(Fint)、Voを修復する方が、安定である。 Further, in the reaction formula (B), reactants and formation energy and the energy difference generated based a calculation result of (Delta] E B) shown in FIG. 28 (B). From the result shown in FIG. 28 (B), when the Fermi level is 1.31 eV or less, F release from VoF by Oint hardly occurs (that is, the reaction system is more stable), and at 1.31 eV or more, Oint is It is more stable to release F from VoF between lattices (Fint) and repair Vo.

したがって、VoFが形成された膜が、VoFのFが放出されるほどの過剰酸素を有すると、放出されたFが格子間に存在する、すなわちFintとなり、当該Fintが電子をギャップ内にトラップする可能性がある。 Therefore, if the film on which the VoF is formed has excess oxygen enough to release the F of VoF, the released F exists between the lattices, that is, becomes Fint, and the Fint traps electrons in the gap. there is a possibility.

このように、酸化物半導体膜中に形成された酸素欠損(Vo)は、格子間にFを有する(Fint)場合、VoFを形成し、当該VoFは電子を生成する。つまり、VoFを有する酸化物半導体は、n型となりうる。また、VoFは、過剰酸素(ex.O)がある場合には、格子間にFを放出しVoとなり、当該Voは、過剰酸素の修復を受ける。つまり、Fintを有する酸化物半導体となる。Fintは、電子をトラップし、負の固定電荷を形成する。 As described above, when oxygen vacancies (Vo) formed in the oxide semiconductor film have F between lattices (Fint), VoF is formed, and the VoF generates electrons. That is, the oxide semiconductor having VoF can be n-type. In addition, when there is excess oxygen (ex.O), VoF releases F between lattices to become Vo, and the Vo receives repair of excess oxygen. That is, an oxide semiconductor having Fint is obtained. Fint traps electrons and forms a negative fixed charge.

<2−7.Voに不純物が入った構造の安定性について>
次に、Voに不純物が入った構造の安定性について、計算を行った。ここでは、不純物をフッ素及び水素とした。なお、Voにフッ素が入った構造をVoF、Voに水素が入った構造をVoHとする。
<2-7. Regarding the stability of the structure in which impurities are contained in Vo>
Next, the stability of the structure in which impurities are contained in Vo was calculated. Here, the impurities are fluorine and hydrogen. A structure in which fluorine is contained in Vo is VoF, and a structure in which hydrogen is contained in Vo is VoH.

まず、Voから放出された不純物の安定配置を計算した。なお、Voから放出された不純物の安定配置の計算では、モデル全体の電荷を中性と仮定した。 First, the stable arrangement of impurities released from Vo was calculated. In the calculation of the stable arrangement of impurities released from Vo, the charge of the entire model was assumed to be neutral.

図29に計算に用いたモデルを、表5に計算条件を、それぞれ示す。 FIG. 29 shows the model used for the calculation, and Table 5 shows the calculation conditions.

なお、図29は、InGaZnO結晶(112原子)モデルである。当該モデルを用いて、不純物(FまたはH)が含まれるモデルを作製した。 FIG. 29 shows an InGaZnO 4 crystal (112 atoms) model. A model including impurities (F or H) was prepared using the model.

図30(A)(B)に、InGaZnO結晶モデルの格子間における不純物(FまたはH)の安定配置のモデル図を示す。なお、図30(A)がInGaZnO結晶モデルの格子間にFが安定配置するモデル図であり、図30(B)がInGaZnO結晶モデルの格子間にHが安定配置するモデル図である。 FIGS. 30A and 30B are model diagrams of stable arrangement of impurities (F or H) between lattices of the InGaZnO 4 crystal model. 30A is a model diagram in which F is stably arranged between the lattices of the InGaZnO 4 crystal model, and FIG. 30B is a model diagram in which H is stably arranged between the lattices of the InGaZnO 4 crystal model.

図30(A)においては、Fは6個の酸素を頂点とする八面体中心に位置した状態がエネルギー的に安定であった。また、図30(B)においては、HはInGaZnO結晶中のOと結合する状態がエネルギー的に安定であった。 In FIG. 30A, the state of F located in the center of the octahedron having six oxygen vertices was stable in terms of energy. In FIG. 30B, the state in which H is bonded to O in the InGaZnO 4 crystal is stable in terms of energy.

ここで、ポーリングの電気陰性度の関係を表6に示す。 Here, the relationship between the Pauling electronegativity is shown in Table 6.

表6に示す通り、Hの電気陰性度はOよりも小さく、電気陰性度の差が大きい。そのため、化学量論比を維持したInGaZnO結晶中に混入したHは、おそらくOとイオン性結合した状態で存在する。すなわち、Hが結合したOは負に、Hは正に帯電している。 As shown in Table 6, the electronegativity of H is smaller than O, and the difference in electronegativity is large. Therefore, H mixed in the InGaZnO 4 crystal maintaining the stoichiometric ratio probably exists in an ionic bond state with O. That is, O bonded with H is negatively charged and H is positively charged.

一方で、Fの電気陰性度はOよりも大きいため、Oに対してマイナスになりやすい。ただし、Hの場合よりも電気陰性度の差が小さいため、おそらく、共有結合性の寄与が大きくなる。そのため、IGZO結晶中では、Fは(Ga,Zn)O層の金属との結合力と、Oの反発力とが、釣り合う位置(格子間)で存在しやすい。 On the other hand, since the electronegativity of F is greater than O, it tends to be negative with respect to O. However, since the difference in electronegativity is smaller than in the case of H, the contribution of the covalent bond is probably greater. Therefore, in the IGZO crystal, F tends to exist at a position (interstitial) where the bonding force with the metal of the (Ga, Zn) O layer and the repulsive force of O are balanced.

次に、Voに不純物(FまたはH)がある状態とVoの外に不純物(FまたはH)がある状態との変化を熱力学的に評価するため、化学反応経路探索手法の一つであるNEB(Nudged Elastic Band)法を用いて、不純物(FまたはH)がVoに出入りするのに必要なエネルギーと拡散頻度とを計算した。 Next, in order to thermodynamically evaluate the change between a state where there is an impurity (F or H) in Vo and a state where there is an impurity (F or H) outside Vo, this is one of chemical reaction path search methods. The energy and diffusion frequency required for impurities (F or H) to enter and exit Vo were calculated using the NEB (Nudged Elastic Band) method.

なお、拡散頻度を見積もるのに必要な拡散障壁(Ea)の評価には、NEB法を援用した。また、拡散経路の始状態及び終状態に対応するモデルを準備した。始状態は、不純物(FまたはH)がVoに入っている状態とし、終状態は、不純物(FまたはH)がVoから放出された状態とした。すなわち、図29に示すようなInGaZnO結晶(112原子)モデルを用いて、不純物(FまたはH)が含まれるモデルを作製し、Voを含む結晶モデルに対し、不純物(FまたはH)がVoに入ったモデル(VoF、及びVoH)を始状態とし、不純物(FまたはH)がVoの外に位置するモデル(Vo+格子間F、及びVo+格子間H)を終状態とした。 Note that the NEB method was used to evaluate the diffusion barrier (Ea) necessary for estimating the diffusion frequency. A model corresponding to the start state and end state of the diffusion path was prepared. The initial state was a state in which impurities (F or H) were contained in Vo, and the final state was a state in which impurities (F or H) were released from Vo. That is, a model including an impurity (F or H) is produced using an InGaZnO 4 crystal (112 atoms) model as shown in FIG. 29, and the impurity (F or H) is Vo relative to the crystal model including Vo. The entered models (VoF and VoH) were in the initial state, and the models (Vo + interstitial F and Vo + interstitial H) in which impurities (F or H) are located outside Vo were in the final state.

また、ここでは、モデル全体の電荷を+1とし、計算条件は、先の表5に示す条件と同じとした。 Here, the charge of the entire model is +1, and the calculation conditions are the same as those shown in Table 5 above.

[VoFの安定性について]
まず、VoにFが入った構造であるVoFの安定性の計算結果を以下に説明する。まず、InGaZnO結晶中のFの拡散経路のモデルを図31に、Fの拡散経路に対応するエネルギーの変化の計算結果を図32に、それぞれ示す。なお、図31に示す矢印は、VoFからのFの放出経路を示す。
[Stability of VoF]
First, the calculation result of the stability of VoF which is a structure in which F is contained in Vo will be described below. First, FIG. 31 shows a model of the F diffusion path in the InGaZnO 4 crystal, and FIG. 32 shows calculation results of energy changes corresponding to the F diffusion path. In addition, the arrow shown in FIG. 31 shows the release route of F from VoF.

図31及び図32に示すように、Fの拡散経路には、少なくとも1つの拡散障壁が存在する。なお、図31において、VoにFが入った状態をVoFと、格子間にFがある状態をFintと、それぞれ表記する。また、図32において、VoにFが入った状態をVoFと、VoFからFが放出された状態をVo+Fintと、それぞれ表記する。なお、図32において、VoFから右側がVoFからのFの放出に相当し、Vo+Fintから左側がVoへのFの入り込み(トラップともいう)に相当する。 As shown in FIGS. 31 and 32, at least one diffusion barrier exists in the diffusion path of F. In FIG. 31, a state where F is in Vo is expressed as VoF, and a state where F is between the lattices is expressed as Fint. In FIG. 32, a state in which F enters Vo is expressed as VoF, and a state in which F is released from VoF is expressed as Vo + Fint. In FIG. 32, the right side from VoF corresponds to the release of F from VoF, and the left side from Vo + Fint corresponds to the entry of F into Vo (also referred to as a trap).

図32に示す結果より、VoFからFが放出される際に必要なエネルギー(拡散障壁)は、4.59eVであり、VoへのFの入り込みの際に必要なエネルギー(拡散障壁)は、0.90eVであった。したがって、VoFからFが放出するのに必要なエネルギーは、VoにFが入り込むエネルギーよりも高いため、Voに一旦Fが入り込むと放出しにくいと示唆される。 From the results shown in FIG. 32, the energy (diffusion barrier) required when F is released from VoF is 4.59 eV, and the energy (diffusion barrier) required when F enters Vo is 0. .90 eV. Therefore, since the energy required for F to be released from VoF is higher than the energy for F to enter into Vo, it is suggested that it is difficult to release once F enters into Vo.

[VoHの安定性について]
次に、VoにHが入った構造であるVoHの安定性の計算結果を以下に説明する。まず、InGaZnO結晶中のHの拡散経路のモデルを図33に、Hの拡散経路に対応するエネルギーの変化の計算結果を図34に、それぞれ示す。
[Stability of VoH]
Next, the calculation result of the stability of VoH having a structure in which H is contained in Vo will be described below. First, FIG. 33 shows a model of the H diffusion path in the InGaZnO 4 crystal, and FIG. 34 shows calculation results of changes in energy corresponding to the H diffusion path.

図33及び図34に示すように、Hの拡散経路には、少なくとも1つの拡散障壁が存在する。なお、図33において、VoにHが入った状態をVoHと、表記する。また、図34において、VoにHが入った状態をVoHと、VoHからHが放出された状態をVo+H complexと、それぞれ表記する。なお、図34において、VoHから右側がVoHからのHの放出に相当し、Vo+H complexから左側がVoへのHの入り込み(トラップともいう)に相当する。 As shown in FIGS. 33 and 34, at least one diffusion barrier exists in the diffusion path of H. In FIG. 33, a state where H is entered into Vo is expressed as VoH. Further, in FIG. 34, a state in which Vo enters H is expressed as VoH, and a state in which H is released from VoH is expressed as Vo + H complex. In FIG. 34, the right side from VoH corresponds to the release of H from VoH, and the left side from Vo + H complex corresponds to the entry of H into Vo (also referred to as a trap).

図34に示す結果より、VoHからHが放出される際に必要なエネルギー(拡散障壁)は、1.85eVであり、VoへのHの入り込みの際に必要なエネルギー(拡散障壁)は、1.01eVであった。したがって、VoHからHが放出するのに必要なエネルギーは、VoにHが入り込むエネルギーよりも高いため、Voに一旦Hが入り込むと放出しにくいと示唆される。 From the results shown in FIG. 34, the energy (diffusion barrier) required when H is released from VoH is 1.85 eV, and the energy (diffusion barrier) required for entry of H into Vo is 1 It was .01 eV. Therefore, since the energy required for H to be released from VoH is higher than the energy for H to enter into Vo, it is suggested that it is difficult to release once H enters into Vo.

[VoFとVoHとの安定性の比較について]
上記の計算の結果、VoFからFが放出される際に必要なエネルギー(拡散障壁)と、VoHからHが放出される際に必要なエネルギー(拡散障壁)とを比較した場合、以下の関係になることが分かる。
・F(4.59eV) > H(1.85eV)
[Comparison of stability between VoF and VoH]
As a result of the above calculation, when comparing the energy required when F is released from VoF (diffusion barrier) with the energy required when H is released from VoH (diffusion barrier), the following relationship is obtained. I understand that
・ F (4.59 eV)> H (1.85 eV)

次に、上記で示した拡散障壁から、不純物(FまたはH)の拡散頻度Γを以下の数式(8)を用いて計算した。 Next, the diffusion frequency Γ of the impurity (F or H) was calculated from the diffusion barrier shown above using the following formula (8).

数式(8)において、νは頻度因子を、Eaは拡散障壁を、kはボルツマン定数を、Tは絶対温度を、それぞれ表す。また、ν=1.0×1013 −1とした。 In Equation (8), ν represents a frequency factor, Ea represents a diffusion barrier, k B represents a Boltzmann constant, and T represents an absolute temperature. Moreover, it was set as (nu) = 1.0 * 10 < 13 > S- 1 .

数式(8)を用いて計算した結果を表7に示す。なお、表7では、350℃における不純物(FまたはH)の拡散頻度、及び350℃における不純物(FまたはH)の拡散障壁を表し、不純物(FまたはH)の経路としては、Voからの放出と、Voにトラップとの2種類とした。 Table 7 shows the result of calculation using Equation (8). Table 7 shows the diffusion frequency of the impurity (F or H) at 350 ° C. and the diffusion barrier of the impurity (F or H) at 350 ° C. The route of the impurity (F or H) is emitted from Vo. And Vo and trap.

以上のように、酸化物半導体中に形成されうるVoFと、酸化物半導体中に形成されうるVoHと、を比較した場合、VoFの方がVoHよりも安定に存在する。したがって、n型領域として機能するソース領域及びドレイン領域としては、水素を有する酸化物半導体よりもフッ素を有する酸化物半導体とした方が、n型領域の抵抗の変化が少なく、信頼性の高い半導体装置とすることができる。 As described above, when comparing VoF that can be formed in an oxide semiconductor and VoH that can be formed in an oxide semiconductor, VoF exists more stably than VoH. Therefore, as a source region and a drain region functioning as an n-type region, an oxide semiconductor having fluorine has less change in resistance in an n-type region and a highly reliable semiconductor than an oxide semiconductor having hydrogen. It can be a device.

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

(実施の形態3)
本実施の形態においては、酸化物半導体の構造等について、図35乃至図39を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, the structure and the like of an oxide semiconductor will be described with reference to FIGS.

<3−1.酸化物半導体の構造>
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)および非晶質酸化物半導体などがある。
<3-1. Structure of oxide semiconductor>
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-aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor) : Amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.

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およびnc−OSなどがある。 From another point of view, 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.

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。 Amorphous structures are generally isotropic, have no heterogeneous structure, are metastable, have no fixed atomic arrangement, have a flexible bond angle, have short-range order, but long-range order It is said that it does not have.

すなわち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体とは呼べない。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は呼べない。一方、a−like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。 In other words, a stable oxide semiconductor cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (for example, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. On the other hand, an a-like OS is not isotropic but has an unstable structure having a void (also referred to as a void). In terms of being unstable, a-like OS is physically close to an amorphous oxide semiconductor.

<3−2.CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
<3-2. 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種である。 A CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).

CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類される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35(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。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では、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、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、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、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。 A case where the CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) is described. For example, when CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal classified into the space group R-3m is subjected to structural analysis by an out-of-plane method, a diffraction angle (2θ) as illustrated in FIG. Shows a peak near 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has a c-axis orientation, and the plane on which the c-axis forms a CAAC-OS film (formation target) It can also be confirmed that it faces a direction substantially perpendicular to the upper surface. In addition to the peak where 2θ is around 31 °, a peak may also appear when 2θ is around 36 °. The peak where 2θ is around 36 ° is attributed to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, the CAAC-OS preferably does not show the peak.

一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向から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。そして、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35(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図35(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 parallel to a formation surface, a peak appears at 2θ of around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Even if 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and the analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 ° with respect to single crystal InGaZnO 4 , six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed as shown in FIG. Is done. 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、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図35(D)に示すような回折パターン(制限視野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35(E)に示す。図35(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた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35(E)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。また、図35(E)における第2リングは(110)面などに起因する。 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 including an InGaZnO 4 crystal in parallel with a formation surface of the CAAC-OS, a diffraction pattern (restricted field of view) illustrated in FIG. Sometimes referred to as an electron diffraction pattern). 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. 35E 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. From FIG. 35E, a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. Therefore, it can be seen that the a-axis and the b-axis of the pellet included in the CAAC-OS have no orientation even by electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm. Note that the first ring in FIG. 35E is derived from the (010) plane and the (100) plane of the crystal of InGaZnO 4 . Further, the second ring in FIG. 35E is attributed to the (110) plane and the like.

また、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像であっても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場合がある。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。 In addition, when 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 is observed with a transmission electron microscope (TEM), a plurality of pellets are confirmed. Can do. On the other hand, even in a high-resolution TEM image, the boundary between pellets, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) may not 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.

図36(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などによって観察することができる。 FIG. 36A shows a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS which is 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. The Cs-corrected high resolution TEM image can be observed, for example, with an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

図36(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。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。ペレットは、CAAC−OSの膜を被形成面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. 36A shows a pellet that is a region where metal atoms are arranged in a layered manner. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. 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). The pellet reflects the unevenness of the surface or top surface of the CAAC-OS film, and is parallel to the surface or top surface of the CAAC-OS.

また、図36(B)および図36(C)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36(D)および図36(E)は、それぞれ図36(B)および図36(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図36(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。 FIGS. 36B and 36C show Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of the CAAC-OS observed from the direction substantially perpendicular to the sample surface. 36D and 36E are images obtained by performing image processing on FIGS. 36B and 36C, respectively. Hereinafter, an image processing method will be described. First, an FFT image is acquired by performing Fast Fourier Transform (FFT) processing on FIG. Then, relative to the origin in the FFT image acquired, for masking leaves a range between 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Next, the FFT-processed mask image is subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT) process to obtain an image-processed image. The image acquired in this way is called an FFT filtered image. The FFT filtered image is an image obtained by extracting periodic components from the Cs-corrected high-resolution TEM image, and shows a lattice arrangement.

図36(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。 In FIG. 36 (D), the portion where the lattice arrangement is disturbed is indicated by a broken line. A region surrounded by a broken line is one pellet. And the location shown with the broken line is the connection part of a pellet and a pellet. Since the broken line has a hexagonal shape, it can be seen that the pellet has a hexagonal shape. In addition, the shape of a pellet is not necessarily a regular hexagonal shape, and is often a non-regular hexagonal shape.

図36(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形、歪んだ五角形、または歪んだ七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 In FIG. 36E, a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and another region where the lattice arrangement is aligned is indicated by a dotted line, and the change in the orientation of the lattice arrangement is shown. It is indicated by a broken line. A clear crystal grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. By connecting the surrounding lattice points with the lattice points near the dotted line as the center, a distorted hexagon, a distorted pentagon, or a distorted heptagon can be formed. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the atomic arrangement is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Conceivable.

以上に示すように、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)と称することもできる。 As described above, the CAAC-OS has a c-axis alignment and a crystal structure in which a plurality of pellets (nanocrystals) are connected in the ab plane direction to have a strain. Therefore, the CAAC-OS can also be referred to as a CAA crystal (c-axis-aligned ab-plane-anchored crystal).

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、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。 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, 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。例えば、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. For example, 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、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。 A CAAC-OS with few impurities and oxygen vacancies is an oxide semiconductor with low carrier density. Specifically, it is less than 8 × 10 11 pieces / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 pieces / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 pieces / cm 3 , and 1 × 10 −9 pieces / cm 3. An oxide semiconductor having a carrier density of 3 or more can be obtained. 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.

<3−3.nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
<3-3. nc-OS>
Next, the nc-OS will be described.

nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。 A case where the nc-OS is analyzed by XRD will be described. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS by an out-of-plane method, a peak indicating orientation does not appear. That is, the nc-OS crystal has no orientation.

また、例えば、InGaZnOの結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図37(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図37(B)に示す。図37(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。 For example, when an nc-OS including an InGaZnO 4 crystal is thinned and an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident on a region with a thickness of 34 nm parallel to the surface to be formed, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. FIG. 37B shows a diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) obtained when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. From FIG. 37B, a plurality of spots are observed in the ring-shaped region. Therefore, nc-OS does not confirm order when an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident, but confirms order when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident.

また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図37(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。 When an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on a region with a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagon is observed as shown in FIG. There is a case. Therefore, it can be seen that the nc-OS has a highly ordered region, that is, a crystal in a thickness range of less than 10 nm. Note that there are some regions where a regular electron diffraction pattern is not observed because the crystal faces in various directions.

図37(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように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以下の大きさであり、特に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(micro crystalline oxide semiconductor)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。 FIG. 37D shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of a cross section of the nc-OS observed from a direction substantially parallel to the formation surface. The nc-OS has a region in which a crystal part can be confirmed, such as a portion indicated by an auxiliary line, and a region in which a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. A crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, particularly a size of 1 nm to 3 nm in many cases. 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.

このように、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。 Thus, the nc-OS has a 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.

なお、ペレット(ナノ結晶)間で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。 Note that since the crystal orientation is not regular between pellets (nanocrystals), nc-OS is an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned Nanocrystals), or an oxide having NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called a 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.

<3−4.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。
<3-4. a-like OS>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.

図38に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図38(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図38(B)は4.3×10/nmの電子(e)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図38(A)および図38(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。 FIG. 38 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 38A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 38B is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS after irradiation with electrons (e ) of 4.3 × 10 8 e / nm 2 . 38A and 38B, it can be seen that the a-like OS has a striped bright region extending in the vertical direction from the start of electron irradiation. It can also be seen that the shape of the bright region changes after electron irradiation. The bright region is assumed to be a void or a low density region.

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.

試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。 As samples, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS 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。 First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. Each sample has a crystal part by a high-resolution cross-sectional TEM image.

なお、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、以下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnOの結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnOの結晶のa−b面に対応する。 Note that a 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, in the following, a portion where the interval between lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less is regarded as an InGaZnO 4 crystal part. Note that the lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.

図39は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図39より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る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。図39より、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、電子(e)の累積照射量が4.2×10/nmにおいては1.9nm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。図39より、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1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×10/(nm・s)、照射領域の直径を230nmとした。 FIG. 39 is an example in which the average size of the crystal parts (from 22 to 30) of each sample was investigated. Note that the length of the lattice stripes described above is the size of the crystal part. From FIG. 39, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger according to the cumulative dose of electrons related to the acquisition of the TEM image or the like. From FIG. 39, the crystal part (also referred to as the initial nucleus) having a size of about 1.2 nm in the initial observation by TEM has an electron (e ) cumulative irradiation dose of 4.2 × 10 8 e / nm. In FIG. 2 , it can be seen that the crystal has grown to a size of about 1.9 nm. 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. FIG. 39 indicates that the crystal part sizes of the nc-OS and the CAAC-OS are approximately 1.3 nm and 1.8 nm, respectively, regardless of the cumulative electron dose. Note that a Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used for electron beam irradiation and TEM observation. The electron beam irradiation conditions were an acceleration voltage of 300 kV, a current density of 6.7 × 10 5 e / (nm 2 · s), and an irradiation region diameter of 230 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。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%未満である。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%未満である。単結晶の密度の78%未満である酸化物半導体は、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 having a density of less than 78% of the 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である。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未満である。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未満である。 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、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 when single crystals having the same composition do not exist, it is possible to estimate a density corresponding to a single crystal having a desired composition 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は、他の実施の形態または他の実施例に示す構成と適宜、組み合わせて用いることができる。 As described above, the structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments or examples.

(実施の形態4)
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の一例について、図40乃至図42を用いて以下説明を行う。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a display device including the transistor described as an example in the above embodiment will be described below with reference to FIGS.

図40は、表示装置の一例を示す上面図である。図40に示す表示装置700は、第1の基板701上に設けられた画素部702と、第1の基板701に設けられたソースドライバ回路部704及びゲートドライバ回路部706と、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706を囲むように配置されるシール材712と、第1の基板701に対向するように設けられる第2の基板705と、を有する。なお、第1の基板701と第2の基板705は、シール材712によって封止されている。すなわち、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706は、第1の基板701とシール材712と第2の基板705によって封止されている。なお、図42には図示しないが、第1の基板701と第2の基板705の間には表示素子が設けられる。 FIG. 40 is a top view illustrating an example of the display device. A display device 700 illustrated in FIG. 40 includes a pixel portion 702 provided over a first substrate 701, a source driver circuit portion 704 and a gate driver circuit portion 706 provided over the first substrate 701, a pixel portion 702, The sealant 712 is disposed so as to surround the source driver circuit portion 704 and the gate driver circuit portion 706, and the second substrate 705 is provided so as to face the first substrate 701. Note that the first substrate 701 and the second substrate 705 are sealed with a sealant 712. That is, the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 are sealed with the first substrate 701, the sealant 712, and the second substrate 705. Note that although not illustrated in FIG. 42, a display element is provided between the first substrate 701 and the second substrate 705.

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

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

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

また、表示装置700は、様々な素子を有することが出来る。該素子の一例としては、例えば、エレクトロルミネッセンス(EL)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子、LEDなど)、発光トランジスタ素子(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、電子インク素子、電気泳動素子、エレクトロウェッティング素子、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)ディスプレイ(例えば、グレーティングライトバルブ(GLV)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、デジタル・マイクロ・シャッター(DMS)素子、インターフェアレンス・モジュレーション(IMOD)素子など)、圧電セラミックディスプレイなどが挙げられる。 In addition, the display device 700 can include various elements. Examples of the element include, for example, an electroluminescence (EL) element (an EL element including an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element, an LED, and the like), a light-emitting transistor element (a transistor that emits light in response to current), an electron Emission element, liquid crystal element, electronic ink element, electrophoretic element, electrowetting element, plasma display (PDP), MEMS (micro electro mechanical system) display (for example, grating light valve (GLV), digital micromirror device (DMD), digital micro shutter (DMS) element, interference modulation (IMOD) element, etc.), piezoelectric ceramic display and the like.

また、EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インク素子又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。 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-type display (SED), 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 an electronic ink element or an electrophoretic element is electronic paper. Note that in the case of realizing a transflective liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrode may have a function as a reflective electrode. For example, part or all of the pixel electrode may have aluminum, silver, or the like. Further, in that case, a memory circuit such as an SRAM can be provided under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced.

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

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

また、カラー化方式としては、上述の白色発光からの発光の一部をカラーフィルタを通すことで赤色、緑色、青色に変換する方式(カラーフィルタ方式)の他、赤色、緑色、青色の発光をそれぞれ用いる方式(3色方式)、または青色発光からの発光の一部を赤色や緑色に変換する方式(色変換方式、量子ドット方式)を適用してもよい。 In addition, as a colorization method, in addition to a method (color filter method) in which part of the light emission from the white light emission described above is converted into red, green, and blue through a color filter, red, green, and blue light emission is performed. A method of using each (three-color method) or a method of converting a part of light emission from blue light emission into red or green (color conversion method, quantum dot method) may be applied.

本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びEL素子を用いる構成について、図43及び図44を用いて説明する。なお、図41は、図40に示す一点鎖線Q−Rにおける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図42は、図40に示す一点鎖線Q−Rにおける断面図であり、表示素子としてEL素子を用いた構成である。 In this embodiment, a structure in which a liquid crystal element and an EL element are used as display elements will be described with reference to FIGS. 41 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line QR shown in FIG. 40 and has a configuration using a liquid crystal element as a display element. FIG. 42 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line QR shown in FIG. 40, and has a configuration using an EL element as a display element.

まず、図43及び図44に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分について以下説明する。 First, common parts shown in FIGS. 43 and 44 will be described first, and then different parts will be described below.

<4−1.表示装置の共通部分に関する説明>
図41及び図42に示す表示装置700は、引き回し配線部711と、画素部702と、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。また、引き回し配線部711は、信号線710を有する。また、画素部702は、トランジスタ750及び容量素子790を有する。また、ソースドライバ回路部704は、トランジスタ752を有する。
<4-1. Explanation of common parts of display device>
The display device 700 illustrated in FIGS. 41 and 42 includes a lead wiring portion 711, a pixel portion 702, a source driver circuit portion 704, and an FPC terminal portion 708. Further, the lead wiring portion 711 includes a signal line 710. In addition, the pixel portion 702 includes a transistor 750 and a capacitor 790. In addition, the source driver circuit portion 704 includes a transistor 752.

トランジスタ750及びトランジスタ752は、先に示すトランジスタ100と同様の構成である。なお、トランジスタ750及びトランジスタ752の構成については、先の実施の形態に示す、その他のトランジスタを用いてもよい。 The transistors 750 and 752 have a structure similar to that of the transistor 100 described above. Note that as the structures of the transistor 750 and the transistor 752, other transistors described in the above embodiment may be used.

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

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

容量素子790は、トランジスタ750が有する酸化物半導体膜と、同一の酸化物半導体膜を加工する工程を経て形成される下部電極と、トランジスタ750が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と、同一の導電膜を加工する工程を経て形成される上部電極と、を有する。また、下部電極と上部電極との間には、トランジスタ750が有する第3の絶縁膜及び第4の絶縁膜と、同一の絶縁膜を形成する工程を経て形成される絶縁膜が設けられる。すなわち、容量素子790は、一対の電極間に誘電体として機能する絶縁膜が挟持された積層型の構造である。 The capacitor 790 includes an oxide semiconductor film included in the transistor 750, a lower electrode formed through a step of processing the same oxide semiconductor film, a conductive film functioning as a source electrode and a drain electrode included in the transistor 750, And an upper electrode formed through a step of processing the same conductive film. Further, an insulating film formed through a step of forming the same insulating film as the third insulating film and the fourth insulating film included in the transistor 750 is provided between the lower electrode and the upper electrode. That is, the capacitor 790 has a stacked structure in which an insulating film functioning as a dielectric is sandwiched between a pair of electrodes.

また、図41及び図42において、トランジスタ750、トランジスタ752、及び容量素子790上に平坦化絶縁膜770が設けられている。 41 and 42, a planarization insulating film 770 is provided over the transistor 750, the transistor 752, and the capacitor 790.

平坦化絶縁膜770としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜770を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜770を設けない構成としてもよい。 As the planarization insulating film 770, an organic material having heat resistance such as polyimide resin, acrylic resin, polyimide amide resin, benzocyclobutene resin, polyamide resin, or epoxy resin can be used. Note that the planarization insulating film 770 may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials. Further, the planarization insulating film 770 may be omitted.

また、図41及び図42においては、画素部702が有するトランジスタ750と、ソースドライバ回路部704が有するトランジスタ752と、を同じ構造のトランジスタを用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、画素部702と、ソースドライバ回路部704とは、異なるトランジスタを用いてもよい。 41 and 42 illustrate the structure in which the transistor 750 included in the pixel portion 702 and the transistor 752 included in the source driver circuit portion 704 are configured to have the same structure; however, the present invention is not limited to this. For example, the pixel portion 702 and the source driver circuit portion 704 may use different transistors.

なお、画素部702と、ソースドライバ回路部704とに、異なるトランジスタを用いる場合においては、実施の形態1に示すトップゲート型のトランジスタと、ボトムゲート型のトランジスタとを組み合わせて用いてもよい。具体的には、画素部702にトップゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部704にボトムゲート型のトランジスタを用いる構成、あるいは画素部702にボトムゲート型のトランジスタを用い、ソースドライバ回路部704にトップゲート型のトランジスタを用いる構成などが挙げられる。なお、上記のソースドライバ回路部704を、ゲートドライバ回路部と読み替えてもよい。 Note that in the case where different transistors are used for the pixel portion 702 and the source driver circuit portion 704, the top-gate transistor and the bottom-gate transistor described in Embodiment 1 may be used in combination. Specifically, a top-gate transistor is used for the pixel portion 702 and a bottom-gate transistor is used for the source driver circuit portion 704, or a bottom-gate transistor is used for the pixel portion 702, and the source driver circuit portion 704 is used. In addition, a configuration using a top gate type transistor can be given. Note that the source driver circuit portion 704 may be replaced with a gate driver circuit portion.

ここで、画素部702またはソースドライバ回路部704に用いることのできる、ボトムゲート型のトランジスタを、図43乃至図47に示す。 Here, bottom-gate transistors that can be used for the pixel portion 702 or the source driver circuit portion 704 are illustrated in FIGS.

図43(A)は、トランジスタ300Aの上面図であり、図43(B)は、図43(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図43(C)は、図43(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。なお、図43(A)において、煩雑になることを避けるため、トランジスタ300Aの構成要素の一部(ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜等)を省略して図示している。また、一点鎖線X1−X2方向をチャネル長方向、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、トランジスタの上面図においては、以降の図面においても図43(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。 43A is a top view of the transistor 300A, and FIG. 43B corresponds to a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 43A. Corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along the dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG. Note that in FIG. 43A, some components (such as an insulating film functioning as a gate insulating film) are omitted in order to avoid complexity. The direction of the alternate long and short dash line X1-X2 may be referred to as a channel length direction, and the direction of the alternate long and short dash line Y1-Y2 may be referred to as a channel width direction. Note that in the top view of the transistor, some components may be omitted in the following drawings as in FIG. 43A.

トランジスタ300Aは、基板102上のゲート電極として機能する導電膜304と、基板302及び導電膜304上の絶縁膜306と、絶縁膜306上の絶縁膜307と、絶縁膜307上の酸化物半導体膜308と、酸化物半導体膜308に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜312aと、酸化物半導体膜308に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜312bと、を有する。また、トランジスタ300A上、より詳しくは、導電膜312a、312b及び酸化物半導体膜308上には絶縁膜314、316、及び絶縁膜318が設けられる。絶縁膜314、316、318は、トランジスタ300Aの保護絶縁膜としての機能を有する。 The transistor 300A includes a conductive film 304 functioning as a gate electrode over the substrate 102, an insulating film 306 over the substrate 302 and the conductive film 304, an insulating film 307 over the insulating film 306, and an oxide semiconductor film over the insulating film 307. 308, a conductive film 312a functioning as a source electrode electrically connected to the oxide semiconductor film 308, and a conductive film 312b functioning as a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film 308. Further, insulating films 314 and 316 and an insulating film 318 are provided over the transistor 300A, more specifically, over the conductive films 312a and 312b and the oxide semiconductor film 308. The insulating films 314, 316, and 318 function as protective insulating films for the transistor 300A.

図44(A)は、トランジスタ300Bの上面図であり、図44(B)は、図44(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図44(C)は、図44(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。 FIG. 44A is a top view of the transistor 300B, and FIG. 44B corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along dashed-dotted line X1-X2 in FIG. Corresponds to a cross-sectional view of a cut surface taken along the alternate long and short dash line Y1-Y2 shown in FIG.

トランジスタ300Bは、基板302上のゲート電極として機能する導電膜304と、基板302及び導電膜304上の絶縁膜306と、絶縁膜306上の絶縁膜307と、絶縁膜307上の酸化物半導体膜308と、酸化物半導体膜308上の絶縁膜314と、絶縁膜314上の絶縁膜316と、絶縁膜314及び絶縁膜316に設けられる開口部341aを介して酸化物半導体膜308に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜312aと、絶縁膜314及び絶縁膜316に設けられる開口部341bを介して酸化物半導体膜308に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜312bと、を有する。また、トランジスタ300B上、より詳しくは、導電膜312a、312b、及び絶縁膜316上には絶縁膜318が設けられる。絶縁膜314及び絶縁膜316は、酸化物半導体膜308の保護絶縁膜としての機能を有する。絶縁膜318は、トランジスタ300Bの保護絶縁膜としての機能を有する。 The transistor 300B includes a conductive film 304 functioning as a gate electrode over the substrate 302, an insulating film 306 over the substrate 302 and the conductive film 304, an insulating film 307 over the insulating film 306, and an oxide semiconductor film over the insulating film 307. 308, the insulating film 314 over the oxide semiconductor film 308, the insulating film 316 over the insulating film 314, and the opening 341a provided in the insulating film 314 and the insulating film 316 are electrically connected to the oxide semiconductor film 308. A conductive film 312a functioning as a source electrode to be connected; a conductive film 312b functioning as a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film 308 through an opening 341b provided in the insulating film 314 and the insulating film 316; Have. An insulating film 318 is provided over the transistor 300B, more specifically, over the conductive films 312a and 312b and the insulating film 316. The insulating film 314 and the insulating film 316 have a function as a protective insulating film of the oxide semiconductor film 308. The insulating film 318 functions as a protective insulating film of the transistor 300B.

トランジスタ300Aにおいては、チャネルエッチ型の構造であったのに対し、図44(A)(B)(C)に示すトランジスタ300Bは、チャネル保護型の構造である。 The transistor 300A has a channel etch type structure, whereas the transistor 300B illustrated in FIGS. 44A, 44B, and 44C has a channel protection type structure.

図45(A)は、トランジスタ300Cの上面図であり、図45(B)は、図45(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図45(C)は、図45(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。 45A is a top view of the transistor 300C, and FIG. 45B corresponds to a cross-sectional view along a dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 45A. Corresponds to a cross-sectional view of a cut surface taken along the alternate long and short dash line Y1-Y2 shown in FIG.

トランジスタ300Cは、図44(A)(B)(C)に示すトランジスタ300Bと絶縁膜314、316の形状が相違する。具体的には、トランジスタ300Cの絶縁膜314、316は、酸化物半導体膜308のチャネル領域上に島状に設けられる。その他の構成は、トランジスタ300Bと同様である。 The transistor 300C is different from the transistor 300B in FIGS. 44A, 44B, and 44C in the shapes of the insulating films 314 and 316. Specifically, the insulating films 314 and 316 of the transistor 300C are provided in an island shape over the channel region of the oxide semiconductor film 308. Other structures are similar to those of the transistor 300B.

図46(A)は、トランジスタ300Dの上面図であり、図46(B)は、図46(A)に示す一点鎖線X1−X2間における切断面の断面図に相当し、図46(C)は、図46(A)に示す一点鎖線Y1−Y2間における切断面の断面図に相当する。 46A is a top view of the transistor 300D, and FIG. 46B corresponds to a cross-sectional view of a cross section along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 46A. Corresponds to a cross-sectional view of a cut surface taken along the alternate long and short dash line Y1-Y2 shown in FIG.

トランジスタ300Dは、基板302上の第1のゲート電極として機能する導電膜304と、基板302及び導電膜304上の絶縁膜306と、絶縁膜306上の絶縁膜307と、絶縁膜307上の酸化物半導体膜308と、酸化物半導体膜308上の絶縁膜314と、絶縁膜314上の絶縁膜316と、酸化物半導体膜308に電気的に接続されるソース電極として機能する導電膜312aと、酸化物半導体膜308に電気的に接続されるドレイン電極として機能する導電膜312bと、導電膜312a、312b及び絶縁膜316上の絶縁膜318と、絶縁膜318上の導電膜320a、320bと、を有する。 The transistor 300D includes a conductive film 304 functioning as a first gate electrode over the substrate 302, an insulating film 306 over the substrate 302 and the conductive film 304, an insulating film 307 over the insulating film 306, and an oxidation over the insulating film 307. An oxide semiconductor film 308; an insulating film 314 over the oxide semiconductor film 308; an insulating film 316 over the insulating film 314; a conductive film 312a functioning as a source electrode electrically connected to the oxide semiconductor film 308; A conductive film 312b functioning as a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film 308; an insulating film 318 over the conductive films 312a and 312b and the insulating film 316; and conductive films 320a and 320b over the insulating film 318; Have

また、トランジスタ300Dにおいて、絶縁膜314、316、318は、トランジスタ300Dの第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。また、トランジスタ300Dにおいて、導電膜320aは、表示装置に用いる画素電極としての機能を有する。また、導電膜320aは、絶縁膜314、316、318に設けられる開口部342cを介して、導電膜312bと接続される。また、トランジスタ300Dにおいて、導電膜320bは、第2のゲート電極(バックゲート電極ともいう)として機能する。 In the transistor 300D, the insulating films 314, 316, and 318 function as a second gate insulating film of the transistor 300D. In the transistor 300D, the conductive film 320a functions as a pixel electrode used for the display device. In addition, the conductive film 320a is connected to the conductive film 312b through an opening 342c provided in the insulating films 314, 316, and 318. In the transistor 300D, the conductive film 320b functions as a second gate electrode (also referred to as a back gate electrode).

また、図46(C)に示すように導電膜320bは、絶縁膜306、307、314、316、318に設けられる開口部342a、342bにおいて、第1のゲート電極として機能する導電膜304に接続される。よって、導電膜320bと導電膜304とは、同じ電位が与えられる。 As shown in FIG. 46C, the conductive film 320b is connected to the conductive film 304 functioning as the first gate electrode in the openings 342a and 342b provided in the insulating films 306, 307, 314, 316, and 318. Is done. Therefore, the same potential is applied to the conductive film 320b and the conductive film 304.

なお、トランジスタ300Dにおいては、開口部342a、342bを設け、導電膜320bと導電膜304を接続する構成について例示したが、これに限定されない。例えば、開口部342aまたは開口部342bのいずれか一方の開口部のみを形成し、導電膜320bと導電膜304を接続する構成、または開口部342a及び開口部342bを設けずに、導電膜320bと導電膜304を接続しない構成としてもよい。なお、導電膜320bと導電膜304とを接続しない構成の場合、導電膜320bと導電膜304には、それぞれ異なる電位を与えることができる。 Note that in the transistor 300D, the opening portions 342a and 342b are provided and the conductive film 320b and the conductive film 304 are connected to each other, but the invention is not limited thereto. For example, a structure in which only one of the opening 342a and the opening 342b is formed and the conductive film 320b and the conductive film 304 are connected, or the conductive film 320b without the openings 342a and 342b is provided. The conductive film 304 may not be connected. Note that in the case where the conductive film 320b and the conductive film 304 are not connected to each other, different potentials can be applied to the conductive film 320b and the conductive film 304, respectively.

なお、トランジスタ300Dは、先に説明のS−channel構造を有する。 Note that the transistor 300D has the S-channel structure described above.

また、図43(A)(B)(C)に示すトランジスタ300Aが有する酸化物半導体膜308を複数の積層構造としてもよい。その場合の一例を図47(A)(B)(C)(D)に示す。 Alternatively, the oxide semiconductor film 308 included in the transistor 300A illustrated in FIGS. 43A to 43C may have a stacked structure. Examples of such cases are shown in FIGS. 47 (A), (B), (C), and (D).

図47(A)(B)は、トランジスタ300Eの断面図であり、図47(C)(D)は、トランジスタ300Fの断面図である。なお、トランジスタ300E、300Fの上面図としては、図43(A)に示すトランジスタ300Aと同様である。 47A and 47B are cross-sectional views of the transistor 300E, and FIGS. 47C and 47D are cross-sectional views of the transistor 300F. Note that top views of the transistors 300E and 300F are similar to those of the transistor 300A illustrated in FIG.

図47(A)(B)に示すトランジスタ300Eが有する酸化物半導体膜308は、酸化物半導体膜308_1と、酸化物半導体膜308_2と、酸化物半導体膜308_3と、を有する。また、図47(C)(D)に示すトランジスタ300Fが有する酸化物半導体膜308は、酸化物半導体膜308_2と、酸化物半導体膜308_3と、を有する。 An oxide semiconductor film 308 included in the transistor 300E illustrated in FIGS. 47A and 47B includes an oxide semiconductor film 308_1, an oxide semiconductor film 308_2, and an oxide semiconductor film 308_3. An oxide semiconductor film 308 included in the transistor 300F illustrated in FIGS. 47C and 47D includes an oxide semiconductor film 308_2 and an oxide semiconductor film 308_3.

なお、導電膜304、絶縁膜306、絶縁膜307、酸化物半導体膜308、導電膜312a、導電膜312b、絶縁膜314、絶縁膜316、絶縁膜318、及び導電膜320a、320bとしては、それぞれ先の実施の形態1に記載の導電膜114、絶縁膜116、絶縁膜110、酸化物半導体膜108、導電膜120a、導電膜120b、絶縁膜104、絶縁膜118、絶縁膜116、導電膜114に記載の材料及び形成方法を用いればよい。 Note that the conductive film 304, the insulating film 306, the insulating film 307, the oxide semiconductor film 308, the conductive film 312a, the conductive film 312b, the insulating film 314, the insulating film 316, the insulating film 318, and the conductive films 320a and 320b are respectively The conductive film 114, the insulating film 116, the insulating film 110, the oxide semiconductor film 108, the conductive film 120a, the conductive film 120b, the insulating film 104, the insulating film 118, the insulating film 116, and the conductive film 114 described in Embodiment 1 above. The material and the formation method described in the above may be used.

また、トランジスタ300A乃至トランジスタ300Fの構造を、それぞれ自由に組み合わせて用いてもよい。 Further, the structures of the transistors 300A to 300F may be used in any combination.

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

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

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

また、第1の基板701と第2の基板705の間には、構造体778が設けられる。構造体778は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第1の基板701と第2の基板705の間の距離(セルギャップ)を制御するために設けられる。なお、構造体778として、球状のスペーサを用いていても良い。 A structure body 778 is provided between the first substrate 701 and the second substrate 705. The structure body 778 is a columnar spacer obtained by selectively etching an insulating film, and is provided to control the distance (cell gap) between the first substrate 701 and the second substrate 705. Note that a spherical spacer may be used as the structure body 778.

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

<4−2.液晶素子を用いる表示装置の構成例>
図41に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、導電膜772、導電膜774、及び液晶層776を有する。導電膜774は、第2の基板705側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図41に示す表示装置700は、導電膜772と導電膜774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
<4-2. Configuration Example of Display Device Using Liquid Crystal Element>
A display device 700 illustrated in FIG. 41 includes a liquid crystal element 775. The liquid crystal element 775 includes a conductive film 772, a conductive film 774, and a liquid crystal layer 776. The conductive film 774 is provided on the second substrate 705 side and functions as a counter electrode. A display device 700 illustrated in FIG. 41 can display an image by controlling transmission and non-transmission of light by changing the alignment state of the liquid crystal layer 776 depending on voltages applied to the conductive films 772 and 774.

また、導電膜772は、トランジスタ750が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電膜772は、平坦化絶縁膜770上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。また、導電膜772は、反射電極としての機能を有する。図41に示す表示装置700は、外光を利用し導電膜772で光を反射して着色膜736を介して表示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。 The conductive film 772 is connected to a conductive film functioning as a source electrode and a drain electrode of the transistor 750. The conductive film 772 is formed over the planarization insulating film 770 and functions as a pixel electrode, that is, one electrode of a display element. The conductive film 772 functions as a reflective electrode. A display device 700 illustrated in FIG. 41 is a so-called reflective color liquid crystal display device that uses external light to reflect light through a conductive film 772 and display it through a colored film 736.

導電膜772としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。本実施の形態においては、導電膜772として、可視光において、反射性のある導電膜を用いる。 As the conductive film 772, a conductive film that transmits visible light or a conductive film that reflects visible light can be used. As the conductive film that transmits visible light, for example, a material containing one kind selected from indium (In), zinc (Zn), and tin (Sn) may be used. As the conductive film having reflectivity in visible light, for example, a material containing aluminum or silver is preferably used. In this embodiment, a conductive film that reflects visible light is used as the conductive film 772.

また、図41に示す表示装置700においては、画素部702の平坦化絶縁膜770の一部に凹凸が設けられている。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜770を樹脂膜で形成し、該樹脂膜の表面に凹凸を設けることで形成することができる。また、反射電極として機能する導電膜772は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が導電膜772に入射した場合において、導電膜772の表面で光を乱反射することが可能となり、視認性を向上させることができる。 In the display device 700 illustrated in FIG. 41, unevenness is provided in part of the planarization insulating film 770 in the pixel portion 702. The unevenness can be formed, for example, by forming the planarization insulating film 770 with a resin film and providing the unevenness on the surface of the resin film. In addition, the conductive film 772 functioning as a reflective electrode is formed along the unevenness. Accordingly, when external light is incident on the conductive film 772, light can be diffusely reflected on the surface of the conductive film 772, and visibility can be improved.

なお、図41に示す表示装置700は、反射型のカラー液晶表示装置について例示したが、これに限定されない、例えば、導電膜772を可視光において、透光性のある導電膜を用いることで透過型のカラー液晶表示装置としてもよい。透過型のカラー液晶表示装置の場合、平坦化絶縁膜770に設けられる凹凸については、設けない構成としてもよい。 Note that the display device 700 illustrated in FIG. 41 is described as an example of a reflective color liquid crystal display device; however, the present invention is not limited to this. For example, the conductive film 772 is transmitted by using a light-transmitting conductive film in visible light. Type color liquid crystal display device. In the case of a transmissive color liquid crystal display device, the unevenness provided in the planarization insulating film 770 may not be provided.

なお、図41において図示しないが、導電膜772、774の液晶層776と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図41において図示しないが、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。 Note that although not illustrated in FIG. 41, an alignment film may be provided on each of the conductive films 772 and 774 in contact with the liquid crystal layer 776. Further, although not shown in FIG. 41, an optical member (optical substrate) such as a polarizing member, a retardation member, or an antireflection member may be provided as appropriate. For example, circularly polarized light using a polarizing substrate and a retardation substrate may be used. Further, a backlight, a sidelight, or the like may be used as the light source.

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

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

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

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

<4−3.発光素子を用いる表示装置>
図42に示す表示装置700は、発光素子782を有する。発光素子782は、導電膜784、EL層786、及び導電膜788を有する。図42に示す表示装置700は、発光素子782が有するEL層786が発光することによって、画像を表示することができる。なお、EL層786は、有機化合物、または量子ドットなどの無機化合物を有する。
<4-3. Display device using light emitting element>
A display device 700 illustrated in FIG. 42 includes a light-emitting element 782. The light-emitting element 782 includes a conductive film 784, an EL layer 786, and a conductive film 788. The display device 700 illustrated in FIG. 42 can display an image when the EL layer 786 included in the light-emitting element 782 emits light. Note that the EL layer 786 includes an organic compound or an inorganic compound such as a quantum dot.

有機化合物に用いることのできる材料としては、蛍光性材料または燐光性材料などが挙げられる。また、量子ドットに用いることのできる材料としては、コロイド状量子ドット材料、合金型量子ドット材料、コア・シェル型量子ドット材料、コア型量子ドット材料、などが挙げられる。また、12族と16族、13族と15族、または14族と16族の元素グループを含む材料を用いてもよい。または、カドミウム(Cd)、セレン(Se)、亜鉛(Zn)、硫黄(S)、リン(P)、インジウム(In)、テルル(Te)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)、アルミニウム(Al)、等の元素を有する量子ドット材料を用いてもよい。 Examples of a material that can be used for the organic compound include a fluorescent material and a phosphorescent material. Examples of materials that can be used for the quantum dots include colloidal quantum dot materials, alloy type quantum dot materials, core / shell type quantum dot materials, and core type quantum dot materials. Alternatively, a material including an element group of Group 12 and Group 16, Group 13 and Group 15, or Group 14 and Group 16 may be used. Alternatively, cadmium (Cd), selenium (Se), zinc (Zn), sulfur (S), phosphorus (P), indium (In), tellurium (Te), lead (Pb), gallium (Ga), arsenic (As ), A quantum dot material having an element such as aluminum (Al) may be used.

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

また、図42に示す表示装置700には、平坦化絶縁膜770及び導電膜784上に絶縁膜730が設けられる。絶縁膜730は、導電膜784の一部を覆う。なお、発光素子782はトップエミッション構造である。したがって、導電膜788は透光性を有し、EL層786が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電膜784側に光を射出するボトムエミッション構造や、導電膜784及び導電膜788の双方に光を射出するデュアルエミッション構造にも適用することができる。 In the display device 700 illustrated in FIG. 42, the insulating film 730 is provided over the planarization insulating film 770 and the conductive film 784. The insulating film 730 covers part of the conductive film 784. Note that the light-emitting element 782 has a top emission structure. Therefore, the conductive film 788 has a light-transmitting property and transmits light emitted from the EL layer 786. In the present embodiment, the top emission structure is illustrated, but is not limited thereto. For example, a bottom emission structure in which light is emitted to the conductive film 784 side or a dual emission structure in which light is emitted to both the conductive film 784 and the conductive film 788 can be used.

また、発光素子782と重なる位置に、着色膜736が設けられ、絶縁膜730と重なる位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜738が設けられている。また、着色膜736及び遮光膜738は、絶縁膜734で覆われている。また、発光素子782と絶縁膜734の間は封止膜732で充填されている。なお、図42に示す表示装置700においては、着色膜736を設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、EL層786を塗り分けにより形成する場合においては、着色膜736を設けない構成としてもよい。 A colored film 736 is provided at a position overlapping with the light emitting element 782, and a light shielding film 738 is provided at a position overlapping with the insulating film 730, the lead wiring portion 711, and the source driver circuit portion 704. Further, the coloring film 736 and the light shielding film 738 are covered with an insulating film 734. A space between the light emitting element 782 and the insulating film 734 is filled with a sealing film 732. Note that in the display device 700 illustrated in FIG. 42, the structure in which the colored film 736 is provided is illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, in the case where the EL layer 786 is formed by separate coating, the coloring film 736 may not be provided.

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

(実施の形態5)
本実施の形態では、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、且つ書き込み回数にも制限が無い半導体装置の回路構成の一例について図48を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a circuit configuration of a semiconductor device in which stored contents can be held even when power is not supplied and the number of writings is not limited will be described with reference to FIGS.

<5−1.回路構成>
図48は、半導体装置の回路構成を説明する図である。図48において、第1の配線(1st Line)と、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の他方と、n型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、n型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の他方と、n型トランジスタ1280cのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。
<5-1. Circuit configuration>
FIG. 48 illustrates a circuit configuration of the semiconductor device. In FIG. 48, the first wiring (1st Line) and one of the source electrode and the drain electrode of the p-type transistor 1280a are electrically connected. In addition, the other of the source electrode and the drain electrode of the p-type transistor 1280a and one of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 1280b are electrically connected. In addition, the other of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 1280b is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 1280c.

また、第2の配線(2nd Line)と、トランジスタ1282のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、トランジスタ1282のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子1281の電極の一方及びn型トランジスタ1280cのゲート電極とは、電気的に接続されている。 The second wiring (2nd Line) and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1282 are electrically connected. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1282 is electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 1281 and the gate electrode of the n-type transistor 1280c.

また、第3の配線(3rd Line)と、p型トランジスタ1280a及びn型トランジスタ1280bのゲート電極とは、電気的に接続されている。また、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ1282のゲート電極とは、電気的に接続されている。また、第5の配線(5th Line)と、容量素子1281の電極の他方及びn型トランジスタ1280cのソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。また、第6の配線(6th Line)と、p型トランジスタ1280aのソース電極またはドレイン電極の他方及びn型トランジスタ1280bのソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。 The third wiring (3rd Line) and the gate electrodes of the p-type transistor 1280a and the n-type transistor 1280b are electrically connected. In addition, the fourth wiring (4th Line) and the gate electrode of the transistor 1282 are electrically connected. The fifth wiring (5th Line) is electrically connected to the other electrode of the capacitor 1281 and the other of the source electrode and the drain electrode of the n-type transistor 1280c. The sixth wiring (6th Line) is electrically connected to the other of the source and drain electrodes of the p-type transistor 1280a and one of the source and drain electrodes of the n-type transistor 1280b.

なお、トランジスタ1282は、酸化物半導体(OS:Oxide Semiconductor)により形成することができる。したがって、図48において、トランジスタ1282に「OS」の記号を付記してある。なお、トランジスタ1282を酸化物半導体以外の材料により形成してもよい。 Note that the transistor 1282 can be formed using an oxide semiconductor (OS: Oxide Semiconductor). Therefore, in FIG. 48, the symbol “OS” is added to the transistor 1282. Note that the transistor 1282 may be formed using a material other than an oxide semiconductor.

また、図48において、トランジスタ1282のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子1281の電極の一方と、n型トランジスタ1280cのゲート電極と、の接続箇所には、フローティングノード(FN)を付記してある。トランジスタ1282をオフ状態とすることで、フローティングノード、容量素子1281の電極の一方、及びn型トランジスタ1280cのゲート電極に与えられた電位を保持することができる。 In FIG. 48, a floating node (FN) is added to a connection point between the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1282, one of the electrodes of the capacitor 1281, and the gate electrode of the n-type transistor 1280c. It is. When the transistor 1282 is turned off, the potential applied to one of the floating node, the electrode of the capacitor 1281, and the gate electrode of the n-type transistor 1280c can be held.

図48に示す回路構成では、n型トランジスタ1280cのゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the circuit configuration shown in FIG. 48, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the n-type transistor 1280c can be held.

<5−2.情報の書き込み及び保持>
まず、情報の書き込み及び保持について説明する。第4の配線の電位を、トランジスタ1282がオン状態となる電位にして、トランジスタ1282をオン状態とする。これにより、第2の配線の電位がn型トランジスタ1280cのゲート電極、及び容量素子1281に与えられる。すなわち、n型トランジスタ1280cのゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ1282がオフ状態となる電位にして、トランジスタ1282をオフ状態とする。これにより、n型トランジスタ1280cのゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
<5-2. Writing and holding information>
First, writing and holding of information will be described. The potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 1282 is turned on, so that the transistor 1282 is turned on. Accordingly, the potential of the second wiring is supplied to the gate electrode of the n-type transistor 1280c and the capacitor 1281. That is, a predetermined charge is given to the gate electrode of the n-type transistor 1280c (writing). After that, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 1282 is turned off, so that the transistor 1282 is turned off. Thereby, the charge given to the gate electrode of the n-type transistor 1280c is held (held).

トランジスタ1282のオフ電流は極めて小さいため、n型トランジスタ1280cのゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 1282 is extremely small, the charge of the gate electrode of the n-type transistor 1280c is held for a long time.

<5−3.情報の読み出し>
次に、情報の読み出しについて説明する。第3の配線の電位をLowレベル電位とした際、p型トランジスタ1280aがオン状態となり、n型トランジスタ1280bがオフ状態となる。この時、第1の配線の電位は第6の配線に与えられる。一方、第3の配線の電位をHighレベル電位とした際、p型トランジスタ1280aがオフ状態となり、n型トランジスタ1280bがオン状態となる。この時、フローティングノード(FN)に保持された電荷量に応じて、第6の配線は異なる電位をとる。このため、第6の配線の電位をみることで、保持されている情報を読み出すことができる(読み出し)。
<5-3. Reading information>
Next, reading of information will be described. When the potential of the third wiring is set to a low level potential, the p-type transistor 1280a is turned on and the n-type transistor 1280b is turned off. At this time, the potential of the first wiring is supplied to the sixth wiring. On the other hand, when the potential of the third wiring is set to a high level potential, the p-type transistor 1280a is turned off and the n-type transistor 1280b is turned on. At this time, the sixth wiring has different potentials depending on the amount of charge held in the floating node (FN). Therefore, the held information can be read (read) by looking at the potential of the sixth wiring.

また、トランジスタ1282は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いるため、極めてオフ電流が小さいトランジスタである。酸化物半導体を用いたトランジスタ1282のオフ電流は、シリコン半導体などで形成されるトランジスタの10万分の1以下のオフ電流であるため、トランジスタ1282のリークによる、フローティングノード(FN)に蓄積される電荷の消失を無視することが可能である。つまり、酸化物半導体を用いたトランジスタ1282により、電力の供給が無くても情報の保持が可能な不揮発性の記憶回路を実現することが可能である。 The transistor 1282 is an extremely low off-state transistor because an oxide semiconductor is used for a channel formation region. Since the off-state current of the transistor 1282 including an oxide semiconductor is 1 / 100,000 or less than that of a transistor formed using a silicon semiconductor or the like, charge accumulated in the floating node (FN) due to leakage of the transistor 1282 It is possible to ignore the disappearance of In other words, the transistor 1282 including an oxide semiconductor can realize a nonvolatile memory circuit that can retain information even when power is not supplied.

また、このような回路構成を用いた半導体装置を、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、記憶装置全体、もしくは記憶装置を構成する一または複数の論理回路において、待機状態のときに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。 In addition, by using a semiconductor device using such a circuit configuration for a storage device such as a register or a cache memory, loss of data in the storage device due to supply of power supply voltage can be prevented. In addition, after the supply of the power supply voltage is resumed, the state before the power supply stop can be restored in a short time. Therefore, power consumption can be suppressed because the entire storage device or one or a plurality of logic circuits included in the storage device can be stopped in a short time in a standby state.

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

(実施の形態6)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることのできる撮像装置の画素回路の構成について、図49(A)を用いて以下説明を行う。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a structure of a pixel circuit of an imaging device that can be used for the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

<6−1.画素回路の構成>
図49(A)は、画素回路の構成を説明する図である。図49(A)に示す回路は、光電変換素子1360、トランジスタ1351、トランジスタ1352、トランジスタ1353、及びトランジスタ1354を有する。
<6-1. Configuration of pixel circuit>
FIG. 49A is a diagram illustrating a configuration of a pixel circuit. The circuit illustrated in FIG. 49A includes a photoelectric conversion element 1360, a transistor 1351, a transistor 1352, a transistor 1353, and a transistor 1354.

光電変換素子1360のアノードは配線1316に接続され、カソードはトランジスタ1351のソース電極またはドレイン電極の一方と接続される。トランジスタ1351のソース電極またはドレイン電極の他方は電荷蓄積部(FD)と接続され、ゲート電極は配線1312(TX)と接続される。トランジスタ1352のソース電極またはドレイン電極の一方は配線1314(GND)と接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方はトランジスタ1354のソース電極またはドレイン電極の一方と接続され、ゲート電極は電荷蓄積部(FD)と接続される。トランジスタ1353のソース電極またはドレイン電極の一方は電荷蓄積部(FD)と接続され、ソース電極またはドレイン電極の他方は配線1317と接続され、ゲート電極は配線1311(RS)と接続される。トランジスタ1354のソース電極またはドレイン電極の他方は配線1315(OUT)と接続され、ゲート電極は配線1313(SE)に接続される。なお、上記接続は全て電気的な接続とする。 The anode of the photoelectric conversion element 1360 is connected to the wiring 1316 and the cathode is connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1351. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1351 is connected to the charge accumulation portion (FD), and the gate electrode is connected to the wiring 1312 (TX). One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 1352 is connected to the wiring 1314 (GND), the other of the source electrode and the drain electrode is connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1354, and the gate electrode is a charge storage portion (FD). ). One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 1353 is connected to the charge accumulation portion (FD), the other of the source electrode and the drain electrode is connected to a wiring 1317, and a gate electrode is connected to the wiring 1311 (RS). The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1354 is connected to the wiring 1315 (OUT), and the gate electrode is connected to the wiring 1313 (SE). All the above connections are electrical connections.

なお、配線1314には、GND、VSS、VDDなどの電位が供給されていてもよい。ここで、電位や電圧は相対的なものである。そのため、GNDの電位の大きさは、必ずしも、0ボルトであるとは限らないものとする。 Note that a potential such as GND, VSS, or VDD may be supplied to the wiring 1314. Here, the potential and voltage are relative. Therefore, the magnitude of the potential of GND is not necessarily 0 volts.

光電変換素子1360は受光素子であり、画素回路に入射した光に応じた電流を生成する機能を有する。トランジスタ1353は、光電変換素子1360による電荷蓄積部(FD)への電荷蓄積を制御する機能を有する。トランジスタ1354は、電荷蓄積部(FD)の電位に応じた信号を出力する機能を有する。トランジスタ1352は、電荷蓄積部(FD)の電位のリセットする機能を有する。トランジスタ1352は、読み出し時に画素回路の選択を制御する機能を有する。 The photoelectric conversion element 1360 is a light receiving element and has a function of generating a current corresponding to light incident on the pixel circuit. The transistor 1353 has a function of controlling charge accumulation in the charge accumulation portion (FD) by the photoelectric conversion element 1360. The transistor 1354 has a function of outputting a signal corresponding to the potential of the charge accumulation portion (FD). The transistor 1352 has a function of resetting the potential of the charge accumulation portion (FD). The transistor 1352 has a function of controlling selection of a pixel circuit at the time of reading.

なお、電荷蓄積部(FD)は、電荷保持ノードであり、光電変換素子1360が受ける光の量に応じて変化する電荷を保持する。 Note that the charge accumulation portion (FD) is a charge retention node and retains a charge that varies depending on the amount of light received by the photoelectric conversion element 1360.

なお、トランジスタ1352とトランジスタ1354とは、配線1315と配線1314との間で、直列接続されていればよい。したがって、配線1314、トランジスタ1352、トランジスタ1354、配線1315の順で並んでもよいし、配線1314、トランジスタ1354、トランジスタ1352、配線1315の順で並んでもよい。 Note that the transistor 1352 and the transistor 1354 may be connected in series between the wiring 1315 and the wiring 1314. Therefore, the wiring 1314, the transistor 1352, the transistor 1354, and the wiring 1315 may be arranged in this order, or the wiring 1314, the transistor 1354, the transistor 1352, and the wiring 1315 may be arranged in this order.

配線1311(RS)は、トランジスタ1353を制御するための信号線としての機能を有する。配線1312(TX)は、トランジスタ1351を制御するための信号線としての機能を有する。配線1313(SE)は、トランジスタ1354を制御するための信号線としての機能を有する。配線1314(GND)は、基準電位(例えばGND)を設定する信号線としての機能を有する。配線1315(OUT)は、トランジスタ1352から出力される信号を読み出すための信号線としての機能を有する。配線1316は電荷蓄積部(FD)から光電変換素子1360を介して電荷を出力するための信号線としての機能を有し、図49(A)の回路においては低電位線である。また、配線1317は電荷蓄積部(FD)の電位をリセットするための信号線としての機能を有し、図49(A)の回路においては高電位線である。 The wiring 1311 (RS) functions as a signal line for controlling the transistor 1353. The wiring 1312 (TX) functions as a signal line for controlling the transistor 1351. The wiring 1313 (SE) functions as a signal line for controlling the transistor 1354. The wiring 1314 (GND) functions as a signal line for setting a reference potential (for example, GND). The wiring 1315 (OUT) functions as a signal line for reading a signal output from the transistor 1352. The wiring 1316 functions as a signal line for outputting charge from the charge accumulation portion (FD) through the photoelectric conversion element 1360, and is a low potential line in the circuit in FIG. The wiring 1317 functions as a signal line for resetting the potential of the charge accumulation portion (FD), and is a high potential line in the circuit in FIG.

次に、図49(A)に示す各素子の構成について説明する。 Next, the structure of each element illustrated in FIG.

<6−2.光電変換素子>
光電変換素子1360には、セレンまたはセレンを含む化合物(以下、セレン系材料とする)を有する素子、あるいはシリコンを有する素子(例えば、pin型の接合が形成された素子)を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と、セレン系材料を用いた光電変換素子とを組み合わせることで信頼性を高くすることができるため好ましい。
<6-2. Photoelectric conversion element>
As the photoelectric conversion element 1360, an element including selenium or a compound containing selenium (hereinafter referred to as a selenium-based material) or an element including silicon (for example, an element in which a pin-type junction is formed) can be used. In addition, a combination of a transistor including an oxide semiconductor and a photoelectric conversion element including a selenium-based material is preferable because reliability can be increased.

<6−3.トランジスタ>
トランジスタ1351、トランジスタ1352、トランジスタ1353、およびトランジスタ1354は、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのシリコン半導体を用いて形成することも可能であるが、酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することが好ましい。酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタは、極めてオフ電流が低い特性を示す特徴を有している。また、酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタとしては、例えば、実施の形態1に示すトランジスタを用いることができる。
<6-3. Transistor>
Although the transistor 1351, the transistor 1352, the transistor 1353, and the transistor 1354 can be formed using a silicon semiconductor such as amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or single crystal silicon, an oxide semiconductor is used. It is preferable to use the transistor used. A transistor in which a channel formation region is formed using an oxide semiconductor has a characteristic of extremely low off-state current. For example, the transistor described in Embodiment 1 can be used as a transistor in which a channel formation region is formed using an oxide semiconductor.

特に、電荷蓄積部(FD)と接続されているトランジスタ1351、及びトランジスタ1353のリーク電流が大きいと、電荷蓄積部(FD)に蓄積された電荷が保持できる時間が十分でなくなる。したがって、少なくとも当該二つのトランジスタに酸化物半導体を用いたトランジスタを使用することで、電荷蓄積部(FD)からの不要な電荷の流出を防止することができる。 In particular, when the leakage current of the transistor 1351 and the transistor 1353 connected to the charge accumulation portion (FD) is large, the time for holding the charge accumulated in the charge accumulation portion (FD) becomes insufficient. Therefore, by using a transistor including an oxide semiconductor for at least the two transistors, unnecessary charge can be prevented from flowing out from the charge storage portion (FD).

また、トランジスタ1352、及びトランジスタ1354においても、リーク電流が大きいと、配線1314または配線1315に不必要な電荷の出力が起こるため、これらのトランジスタとして、酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタを用いることが好ましい。 Further, in the transistor 1352 and the transistor 1354, if the leakage current is large, unnecessary charge is output to the wiring 1314 or the wiring 1315. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed using an oxide semiconductor is used as these transistors. It is preferable to use it.

また、図49(A)において、ゲート電極が一つの構成のトランジスタについて例示したが、これに限定されず、例えば、複数のゲート電極を有する構成としてもよい。複数のゲート電極を有するトランジスタとしては、例えば、チャネル形成領域が形成される半導体膜重なる、第1のゲート電極と、第2のゲート電極(バックゲート電極ともいう)と、有する構成とすればよい。バックゲート電極としては、例えば、第1のゲート電極と同じ電位、フローティング、または第1のゲート電極と異なる電位を与えればよい。 FIG. 49A illustrates a transistor with one gate electrode structure; however, the present invention is not limited to this, and a structure having a plurality of gate electrodes may be employed, for example. As the transistor having a plurality of gate electrodes, for example, a structure in which a first gate electrode and a second gate electrode (also referred to as a back gate electrode) overlap with a semiconductor film in which a channel formation region is formed may be used. . As the back gate electrode, for example, the same potential as that of the first gate electrode, floating, or a potential different from that of the first gate electrode may be applied.

<7−4.回路動作のタイミングチャート>
次に、図49(A)に示す回路の回路動作の一例について図49(B)に示すタイミングチャートを用いて説明する。
<7-4. Circuit operation timing chart>
Next, an example of circuit operation of the circuit illustrated in FIG. 49A is described with reference to a timing chart illustrated in FIG.

図49(B)では簡易に説明するため、各配線の電位は、二値変化する信号として与える。ただし、各電位はアナログ信号であるため、実際には状況に応じて二値に限らず種々の値を取り得る。なお、図49(B)に示す信号1401は配線1311(RS)の電位、信号1402は配線1312(TX)の電位、信号1403は配線1313(SE)の電位、信号1404は電荷蓄積部(FD)の電位、信号1405は配線1315(OUT)の電位に相当する。なお、配線1316の電位は常時”Low”、配線1317の電位は常時”High”とする。 For the sake of simplicity in FIG. 49B, the potential of each wiring is given as a binary change signal. However, since each potential is an analog signal, actually, it can take various values without being limited to binary values depending on the situation. 49B, the signal 1401 is the potential of the wiring 1311 (RS), the signal 1402 is the potential of the wiring 1312 (TX), the signal 1403 is the potential of the wiring 1313 (SE), and the signal 1404 is the charge storage portion (FD). ) And a signal 1405 correspond to the potential of the wiring 1315 (OUT). Note that the potential of the wiring 1316 is always “Low”, and the potential of the wiring 1317 is always “High”.

時刻Aにおいて、配線1311の電位(信号1401)を”High”、配線1312の電位(信号1402)を”High”とすると、電荷蓄積部(FD)の電位(信号1404)は配線1317の電位(”High”)に初期化され、リセット動作が開始される。なお、配線1315の電位(信号1405)は、”High”にプリチャージしておく。 At time A, when the potential of the wiring 1311 (signal 1401) is “High” and the potential of the wiring 1312 (signal 1402) is “High”, the potential of the charge accumulation portion (FD) (signal 1404) is the potential of the wiring 1317 (signal 1404). It is initialized to “High”) and the reset operation is started. Note that the potential of the wiring 1315 (signal 1405) is precharged to “High”.

時刻Bにおいて、配線1311の電位(信号1401)を”Low”とするとリセット動作が終了し、蓄積動作が開始される。ここで、光電変換素子1360には逆方向バイアスが印加されるため、逆方向電流により、配電荷蓄積部(FD)(信号1404)が低下し始める。光電変換素子1360は、光が照射されると逆方向電流が増大するので、照射される光の量に応じて電荷蓄積部(FD)の電位(信号1404)の低下速度は変化する。すなわち、光電変換素子1360に照射する光の量に応じて、トランジスタ1354のソースとドレイン間のチャネル抵抗が変化する。 At time B, when the potential of the wiring 1311 (the signal 1401) is set to “Low”, the reset operation is completed and the accumulation operation is started. Here, since a reverse bias is applied to the photoelectric conversion element 1360, the charge distribution accumulation unit (FD) (signal 1404) starts to decrease due to the reverse current. When the photoelectric conversion element 1360 is irradiated with light, the reverse current increases, so that the rate of decrease of the potential (signal 1404) of the charge storage portion (FD) changes in accordance with the amount of light irradiated. That is, the channel resistance between the source and the drain of the transistor 1354 changes in accordance with the amount of light with which the photoelectric conversion element 1360 is irradiated.

時刻Cにおいて、配線1312の電位(信号1402)を”Low”とすると蓄積動作が終了し、電荷蓄積部(FD)の電位(信号1404)は一定となる。ここで、当該電位は、蓄積動作中に光電変換素子1360が生成した電荷量により決まる。すなわち、光電変換素子1360に照射されていた光の量に応じて変化する。また、トランジスタ1351およびトランジスタ1353は、酸化膜半導体でチャネル形成領域を形成したオフ電流が極めて低いトランジスタで構成されているため、後の選択動作(読み出し動作)を行うまで、電荷蓄積部(FD)の電位を一定に保つことが可能である。 At time C, when the potential of the wiring 1312 (signal 1402) is set to “Low”, the accumulation operation ends, and the potential of the charge accumulation portion (FD) (signal 1404) becomes constant. Here, the potential is determined by the amount of charge generated by the photoelectric conversion element 1360 during the accumulation operation. That is, it changes in accordance with the amount of light applied to the photoelectric conversion element 1360. In addition, since the transistor 1351 and the transistor 1353 are formed using an oxide film semiconductor and a channel formation region is formed with a very low off-state current, the charge accumulation portion (FD) is used until a subsequent selection operation (read operation) is performed. Can be kept constant.

なお、配線1312の電位(信号1402)を”Low”とする際に、配線1312と電荷蓄積部(FD)との間における寄生容量により、電荷蓄積部(FD)の電位に変化が生じることがある。当該電位の変化量が大きい場合は、蓄積動作中に光電変換素子1360が生成した電荷量を正確に取得できないことになる。当該電位の変化量を低減するには、トランジスタ1351のゲート電極−ソース電極(もしくはゲート電極−ドレイン電極)間容量を低減する、トランジスタ1352のゲート容量を増大する、電荷蓄積部(FD)に保持容量を設ける、などの対策が有効である。なお、本実施の形態では、これらの対策により当該電位の変化を無視できるものとしている。 Note that when the potential of the wiring 1312 (the signal 1402) is set to “Low”, a change in the potential of the charge storage portion (FD) occurs due to parasitic capacitance between the wiring 1312 and the charge storage portion (FD). is there. When the amount of change in potential is large, the amount of charge generated by the photoelectric conversion element 1360 during the accumulation operation cannot be acquired accurately. In order to reduce the amount of change in the potential, the capacitance between the gate electrode and the source electrode (or the gate electrode and the drain electrode) of the transistor 1351 is reduced, the gate capacitance of the transistor 1352 is increased, and held in the charge accumulation portion (FD). Measures such as providing capacity are effective. Note that in this embodiment, the potential change can be ignored by these measures.

時刻Dに、配線1313の電位(信号1403)を”High”にすると、トランジスタ1354が導通して選択動作が開始され、配線1314と配線1315が、トランジスタ1352とトランジスタ1354とを介して導通する。そして、配線1315の電位(信号1405)は、低下していく。なお、配線1315のプリチャージは、時刻D以前に終了しておけばよい。ここで、配線1315の電位(信号1405)が低下する速さは、トランジスタ1352のソース電極とドレイン電極間の電流に依存する。すなわち、蓄積動作中に光電変換素子1360に照射されている光の量に応じて変化する。 At the time D, when the potential of the wiring 1313 (the signal 1403) is set to “High”, the transistor 1354 is turned on to start a selection operation, and the wiring 1314 and the wiring 1315 are turned on through the transistor 1352 and the transistor 1354. Then, the potential of the wiring 1315 (signal 1405) decreases. Note that the precharge of the wiring 1315 may be completed before the time D. Here, the rate at which the potential of the wiring 1315 (the signal 1405) decreases depends on the current between the source electrode and the drain electrode of the transistor 1352. That is, it changes in accordance with the amount of light applied to the photoelectric conversion element 1360 during the accumulation operation.

時刻Eにおいて、配線1313の電位(信号1403)を”Low”にすると、トランジスタ1354が遮断されて選択動作は終了し、配線1315の電位(信号1405)は、一定値となる。ここで、一定値となる値は、光電変換素子1360に照射されていた光の量に応じて変化する。したがって、配線1315の電位を取得することで、蓄積動作中に光電変換素子1360に照射されていた光の量を知ることができる。 At time E, when the potential of the wiring 1313 (signal 1403) is set to “Low”, the transistor 1354 is cut off, the selection operation is finished, and the potential of the wiring 1315 (signal 1405) becomes a constant value. Here, the constant value changes in accordance with the amount of light that has been applied to the photoelectric conversion element 1360. Therefore, by acquiring the potential of the wiring 1315, the amount of light applied to the photoelectric conversion element 1360 during the accumulation operation can be known.

より具体的には、光電変換素子1360に照射されている光が強いと、電荷蓄積部(FD)の電位、すなわちトランジスタ1352のゲート電圧は低下する。そのため、トランジスタ1352のソース電極−ドレイン電極間に流れる電流は小さくなり、配線1315の電位(信号1405)はゆっくりと低下する。したがって、配線1315からは比較的高い電位を読み出すことができる。 More specifically, when the light applied to the photoelectric conversion element 1360 is strong, the potential of the charge accumulation portion (FD), that is, the gate voltage of the transistor 1352 is decreased. Therefore, the current flowing between the source electrode and the drain electrode of the transistor 1352 is reduced, and the potential of the wiring 1315 (signal 1405) is slowly decreased. Accordingly, a relatively high potential can be read from the wiring 1315.

逆に、光電変換素子1360に照射されている光が弱いと、電荷蓄積部(FD)の電位、すなわち、トランジスタ1352のゲート電圧は高くなる。そのため、トランジスタ1352のソース電極−ドレイン電極間に流れる電流は大きくなり、配線1315の電位(信号1405)は速く低下する。したがって、配線1315からは比較的低い電位を読み出すことができる。 On the other hand, when the light applied to the photoelectric conversion element 1360 is weak, the potential of the charge accumulation portion (FD), that is, the gate voltage of the transistor 1352 increases. Therefore, a current flowing between the source electrode and the drain electrode of the transistor 1352 is increased, and the potential of the wiring 1315 (signal 1405) is quickly decreased. Accordingly, a relatively low potential can be read from the wiring 1315.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図50を用いて説明を行う。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a display device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<6.表示装置の回路構成>
図50(A)に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域(以下、画素部502という)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路506という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成としてもよい。
<6. Circuit configuration of display device>
A display device illustrated in FIG. 50A includes a region (hereinafter, referred to as a pixel portion 502) including a pixel of a display element, and a circuit portion (hereinafter, referred to as a pixel portion 502) that is disposed outside the pixel portion 502 and includes a circuit for driving the pixel. , A driver circuit portion 504), a circuit having a function of protecting an element (hereinafter referred to as a protection circuit 506), and a terminal portion 507. Note that the protection circuit 506 may be omitted.

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

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

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

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

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

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

図50(A)に示す保護回路506は、例えば、ゲートドライバ504aと画素回路501の間の配線である走査線GLに接続される。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと画素回路501の間の配線であるデータ線DLに接続される。または、保護回路506は、ゲートドライバ504aと端子部507との間の配線に接続することができる。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと端子部507との間の配線に接続することができる。なお、端子部507は、外部の回路から表示装置に電源及び制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。 The protection circuit 506 illustrated in FIG. 50A is connected to, for example, the scanning line GL that is a wiring between the gate driver 504a and the pixel circuit 501. Alternatively, the protection circuit 506 is connected to a data line DL that is a wiring between the source driver 504 b and the pixel circuit 501. Alternatively, the protection circuit 506 can be connected to a wiring between the gate driver 504 a and the terminal portion 507. Alternatively, the protection circuit 506 can be connected to a wiring between the source driver 504 b and the terminal portion 507. Note that the terminal portion 507 is a portion where a terminal for inputting a power supply, a control signal, and an image signal from an external circuit to the display device is provided.

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

図50(A)に示すように、画素部502と駆動回路部504にそれぞれ保護回路506を設けることにより、ESD(Electro Static Discharge:静電気放電)などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。ただし、保護回路506の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ504aに保護回路506を接続した構成、またはソースドライバ504bに保護回路506を接続した構成とすることもできる。あるいは、端子部507に保護回路506を接続した構成とすることもできる。 As shown in FIG. 50A, by providing a protection circuit 506 in each of the pixel portion 502 and the driver circuit portion 504, resistance of the display device to an overcurrent generated by ESD (Electro Static Discharge) or the like is increased. be able to. However, the configuration of the protection circuit 506 is not limited thereto, and for example, a configuration in which the protection circuit 506 is connected to the gate driver 504a or a configuration in which the protection circuit 506 is connected to the source driver 504b may be employed. Alternatively, the protection circuit 506 may be connected to the terminal portion 507.

また、図50(A)においては、ゲートドライバ504aとソースドライバ504bによって駆動回路部504を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ504aのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を実装する構成としても良い。 FIG. 50A illustrates an example in which the driver circuit portion 504 is formed using the gate driver 504a and the source driver 504b; however, the present invention is not limited to this structure. For example, only the gate driver 504a may be formed, and a substrate on which a separately prepared source driver circuit is formed (for example, a driver circuit substrate formed using a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film) may be mounted.

また、図50(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図50(B)に示す構成とすることができる。 In addition, the plurality of pixel circuits 501 illustrated in FIG. 50A can have a structure illustrated in FIG. 50B, for example.

図50(B)に示す画素回路501は、液晶素子570と、トランジスタ550と、容量素子560と、を有する。トランジスタ550に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。 A pixel circuit 501 illustrated in FIG. 50B includes a liquid crystal element 570, a transistor 550, and a capacitor 560. The transistor described in the above embodiment can be applied to the transistor 550.

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

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

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

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

例えば、図50(B)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図50(A)に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。 For example, in a display device including the pixel circuit 501 in FIG. 50B, for example, the pixel circuits 501 in each row are sequentially selected by the gate driver 504a illustrated in FIG. Write data.

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

また、図50(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図50(C)に示す構成とすることができる。 In addition, the plurality of pixel circuits 501 illustrated in FIG. 50A can have a structure illustrated in FIG. 50C, for example.

また、図50(C)に示す画素回路501は、トランジスタ552、554と、容量素子562と、発光素子572と、を有する。トランジスタ552及びトランジスタ554のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる。 A pixel circuit 501 illustrated in FIG. 50C includes transistors 552 and 554, a capacitor 562, and a light-emitting element 572. The transistor described in any of the above embodiments can be applied to one or both of the transistor 552 and the transistor 554.

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

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

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

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

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

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

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

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

図50(C)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図50(A)に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ552をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。 In the display device including the pixel circuit 501 in FIG. 50C, for example, the pixel circuits 501 in each row are sequentially selected by the gate driver 504a illustrated in FIG. Write.

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

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

(実施の形態8)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したトランジスタの適用可能な回路構成の一例について、図51乃至図54を用いて説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, an example of a circuit configuration to which the transistor described in any of the above embodiments can be applied will be described with reference to FIGS.

なお、本実施の形態においては、先の実施の形態で説明した酸化物半導体を有するトランジスタを、OSトランジスタと呼称して以下説明を行う。 Note that in this embodiment, the transistor including an oxide semiconductor described in the above embodiment is referred to as an OS transistor and is described below.

<8.インバータ回路の構成例>
図51(A)には、駆動回路が有するシフトレジスタやバッファ等に適用することができるインバータの回路図を示す。インバータ800は、入力端子INの論理を反転した信号を出力端子OUTに出力する。インバータ800は、複数のOSトランジスタを有する。信号SBGは、OSトランジスタの電気特性を可変するための信号である。
<8. Example of inverter circuit configuration>
FIG. 51A is a circuit diagram of an inverter that can be applied to a shift register, a buffer, or the like included in a driver circuit. The inverter 800 outputs a signal obtained by inverting the logic of the input terminal IN to the output terminal OUT. The inverter 800 includes a plurality of OS transistors. The signal SBG is a signal for changing the electrical characteristics of the OS transistor.

図51(B)は、インバータ800の一例となる回路図である。インバータ800は、OSトランジスタ810、およびOSトランジスタ820を有する。インバータ800は、nチャネル型で作製することができ、所謂単極性の回路構成とすることができる。そのため、CMOSインバータと比較して、低コストで作製することが可能である。 FIG. 51B is a circuit diagram illustrating an example of the inverter 800. The inverter 800 includes an OS transistor 810 and an OS transistor 820. The inverter 800 can be manufactured in an n-channel type and can have a so-called unipolar circuit configuration. Therefore, it can be manufactured at a lower cost than a CMOS inverter.

OSトランジスタ810、820は、フロントゲートとして機能する第1ゲートと、バックゲートとして機能する第2ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第1端子、ソースまたはドレインの他方として機能する第2端子を有する。 The OS transistors 810 and 820 include a first gate that functions as a front gate, a second gate that functions as a back gate, a first terminal that functions as one of a source and a drain, and a second terminal that functions as the other of a source and a drain. Have

OSトランジスタ810の第1ゲートは、第2端子に接続される。OSトランジスタ810の第2ゲートは、信号SBGを伝える配線に接続される。OSトランジスタ810の第1端子は、電圧VDDを与える配線に接続される。OSトランジスタ810の第2端子は、出力端子OUTに接続される。 The first gate of the OS transistor 810 is connected to the second terminal. A second gate of the OS transistor 810 is connected to a wiring that transmits the signal SBG . A first terminal of the OS transistor 810 is connected to a wiring that supplies the voltage VDD. The second terminal of the OS transistor 810 is connected to the output terminal OUT.

OSトランジスタ820の第1ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジスタ820の第2ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジスタ820の第1端子は、出力端子OUTに接続される。OSトランジスタ820の第2端子は、電圧VSSを与える配線に接続される。 A first gate of the OS transistor 820 is connected to the input terminal IN. A second gate of the OS transistor 820 is connected to the input terminal IN. The first terminal of the OS transistor 820 is connected to the output terminal OUT. A second terminal of the OS transistor 820 is connected to a wiring that supplies the voltage VSS.

図51(C)は、インバータ800の動作を説明するためのタイミングチャートである。図51(C)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信号波形、信号SBGの信号波形、およびOSトランジスタ810のしきい値電圧の変化について示している。 FIG. 51C is a timing chart for explaining the operation of the inverter 800. The timing chart in FIG. 51C shows changes in the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, the signal waveform of the signal SBG, and the threshold voltage of the OS transistor 810.

信号SBGはOSトランジスタ810の第2ゲートに与えることで、OSトランジスタ810のしきい値電圧(VTH)を制御することができる。 The signal S BG is supplied to the second gate of the OS transistor 810, whereby the threshold voltage (V TH ) of the OS transistor 810 can be controlled.

信号SBGは、VTHをマイナスシフトさせるための電圧VBG_A、VTHをプラスシフトさせるための電圧VBG_Bを有する。第2ゲートに電圧VBG_Aを与えることで、OSトランジスタ810はしきい値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることができる。また、第2ゲートに電圧VBG_Bを与えることで、OSトランジスタ810は、しきい値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることができる。 Signal S BG has a voltage V BG_B for voltage V BG_A for causing negative shift the V TH, the V TH is positive shift. By applying the voltage V BG_A to the second gate, the OS transistor 810 can be negatively shifted to the threshold voltage V TH_A . Further, by applying the voltage VBG_B to the second gate, the OS transistor 810 can be positively shifted to the threshold voltage VTH_B .

つまりOSトランジスタ810は、図52(A)に示すグラフのように、第2ゲートの電圧を大きくすることで、破線840で表される曲線にシフトさせることができる。また第2ゲートの電圧を小さくすることで、実線841で表される曲線にシフトさせることができる。 That is, the OS transistor 810 can be shifted to a curve represented by a broken line 840 by increasing the voltage of the second gate as in the graph illustrated in FIG. Further, by reducing the voltage of the second gate, the curve can be shifted to a curve represented by a solid line 841.

しきい値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることで、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とすることができる。図52(B)に図示するように、このとき流れる電流Iを極めて小さくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態(ON)のとき、出力端子OUTの電圧の上昇を急峻に行うことができる。したがって、図51(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形831を急峻な変化にすることができる。また電圧VDDを与える配線と、電圧VSSを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動作を行うことができる。 By positively shifting to the threshold voltage V TH_B , the OS transistor 810 can be in a state in which current does not easily flow. As shown in FIG. 52 (B), it can be extremely small current I B that flows at this time. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 820 is in an on state (ON), the voltage of the output terminal OUT can be rapidly increased. Therefore, the signal waveform 831 at the output terminal in the timing chart shown in FIG. 51C can be changed steeply. In addition, since the through current flowing between the wiring that supplies the voltage VDD and the wiring that supplies the voltage VSS can be reduced, operation with low power consumption can be performed.

また、しきい値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることで、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができる。図52(C)に図示するように、このとき流れる電流Iを少なくとも電流Iよりも大きくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態(OFF)のとき、出力端子OUTの電圧の下降を急峻に行うことができる。したがって、図51(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形832を急峻な変化にすることができる。 In addition, the OS transistor 810 can be in a state in which current easily flows by being negatively shifted to the threshold voltage V TH_A . As shown in FIG. 52 (C), it can be larger than at least the current I B of the current I A flowing at this time. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is at a low level and the OS transistor 820 is in an off state (OFF), the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased. Therefore, the signal waveform 832 at the output terminal in the timing chart shown in FIG. 51C can be changed steeply.

なお、信号SBGによるOSトランジスタ810のVTH制御は、OSトランジスタ820の状態が切り替わる以前、すなわち時刻T1やT2よりも前に行うことが好ましい。例えば、図51(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻T1よりも前に、しきい値電圧VTH_Aから、しきい値電圧VTH_BにOSトランジスタ810のしきい値電圧を切り替えることが好ましい。また、図51(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がローレベルに切り替わる時刻T2よりも前に、しきい値電圧VTH_Bからしきい値電圧VTH_AにOSトランジスタ810のしきい値電圧を切り替えることが好ましい。 Note that the V TH control of the OS transistor 810 by the signal S BG is preferably performed before the state of the OS transistor 820 is switched, that is, before the times T1 and T2. For example, as illustrated in FIG. 51C , the threshold voltage V TH_A is changed from the threshold voltage V TH_A to the threshold voltage V TH_B before the time T1 when the signal applied to the input terminal IN switches to the high level. It is preferable to switch the threshold voltage. Further, as shown in FIG. 51C , the OS transistor 810 is switched from the threshold voltage V TH_B to the threshold voltage V TH_A before the time T2 when the signal applied to the input terminal IN switches to the low level. It is preferable to switch the threshold voltage.

なお、図51(C)のタイミングチャートでは、入力端子INに与える信号に応じて信号SBGを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。例えば、しきい値電圧を制御するための電圧は、フローティング状態としたOSトランジスタ810の第2ゲートに保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図53(A)に示す。 Note that although the structure in which the signal SBG is switched in accordance with the signal applied to the input terminal IN is illustrated in the timing chart in FIG. 51C , another structure may be employed. For example, the voltage for controlling the threshold voltage may be held in the second gate of the OS transistor 810 in a floating state. An example of a circuit configuration that can realize this configuration is illustrated in FIG.

図53(A)では、図51(B)で示した回路構成に加えて、OSトランジスタ850を有する。OSトランジスタ850の第1端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。またOSトランジスタ850の第2端子は、電圧VBG_B(あるいは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第1ゲートは、信号Sを与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第2ゲートは、電圧VBG_B(あるいは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。 53A includes an OS transistor 850 in addition to the circuit configuration illustrated in FIG. The first terminal of the OS transistor 850 is connected to the second gate of the OS transistor 810. The second terminal of the OS transistor 850 is connected to a wiring for applying the voltage V BG_B (or voltage V BG_A ). The first gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring for providing signal S F. A second gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring that supplies the voltage V BG_B (or the voltage V BG_A ).

図53(A)の動作について、図53(B)のタイミングチャートを用いて説明する。 The operation in FIG. 53A will be described with reference to a timing chart in FIG.

図51(C)と同様に、OSトランジスタ810のしきい値電圧を制御するための電圧は、入力端子INに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻T3よりも前に、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える構成とする。信号SをハイレベルとしてOSトランジスタ850をオン状態とし、ノードNBGにしきい値電圧を制御するための電圧VBG_Bを与える。 As in FIG. 51C, the voltage for controlling the threshold voltage of the OS transistor 810 is the second gate of the OS transistor 810 before the time T3 when the signal applied to the input terminal IN switches to the high level. The configuration given to The OS transistor 850 is turned on the signal S F to the high level, providing a voltage V BG_B for controlling a threshold voltage in the node N BG.

ノードNBGが電圧VBG_Bとなった後は、OSトランジスタ850をオフ状態とする。OSトランジスタ850は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けることで、一旦ノードに保持させたしきい値電圧VTH_Aを保持することができる。そのため、OSトランジスタ850の第2ゲートに電圧VBG_Bを与える動作の回数が減るため、電圧VBG_Bの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。 After the node N BG becomes voltage V BG_B is turned off the OS transistor 850. Since the off-state current of the OS transistor 850 is extremely small, the threshold voltage V TH_A once held at the node can be held by continuing the off state. Therefore, the number of operations for applying the voltage V BG_B to the second gate of the OS transistor 850 is reduced, so that power consumption required for rewriting the voltage V BG_B can be reduced.

なお、図51(B)及び図53(A)の回路構成では、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成としてもよい。例えば、しきい値電圧を制御するための電圧を、入力端子INに与える信号を基に生成し、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図54(A)に示す。 Note that in the circuit configurations in FIGS. 51B and 53A, a configuration is described in which the voltage supplied to the second gate of the OS transistor 810 is supplied from the outside, but another configuration may be used. For example, a voltage for controlling the threshold voltage may be generated based on a signal supplied to the input terminal IN and supplied to the second gate of the OS transistor 810. An example of a circuit configuration that can realize this configuration is illustrated in FIG.

図54(A)では、図51(B)で示した回路構成において、入力端子INとOSトランジスタ810の第2ゲートとの間にCMOSインバータ860を有する。CMOSインバータ860の入力端子は、入力端子INに接続される。CMOSインバータ860の出力端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。 54A, in the circuit configuration shown in FIG. 51B, a CMOS inverter 860 is provided between the input terminal IN and the second gate of the OS transistor 810. In FIG. The input terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the input terminal IN. The output terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the second gate of the OS transistor 810.

図54(A)の動作について、図54(B)のタイミングチャートを用いて説明する。図54(B)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信号波形、CMOSインバータ860の出力波形IN_B、及びOSトランジスタ810のしきい値電圧の変化について示している。 The operation in FIG. 54A is described with reference to a timing chart in FIG. The timing chart in FIG. 54B shows changes in the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, the output waveform IN_B of the CMOS inverter 860, and the threshold voltage of the OS transistor 810.

入力端子INに与える信号の論理を反転した信号である出力波形IN_Bは、図51(C)と同様に、OSトランジスタ810のしきい値電圧を制御できる。したがって、電圧が異なるものの、図52(A)乃至図52(C)で説明したように、OSトランジスタ810のしきい値電圧を制御できる。例えば、図54(B)における時刻T4となるとき、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態となる。このとき、出力波形IN_Bはローレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧の上昇を急峻に行うことができる。 An output waveform IN_B that is a signal obtained by inverting the logic of a signal supplied to the input terminal IN can control the threshold voltage of the OS transistor 810 as in FIG. Accordingly, although the voltages are different, the threshold voltage of the OS transistor 810 can be controlled as described with reference to FIGS. For example, at time T4 in FIG. 54B, the signal applied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 820 is turned on. At this time, the output waveform IN_B is at a low level. Therefore, the OS transistor 810 can be set in a state in which current does not easily flow, and the voltage of the output terminal OUT can be rapidly increased.

また、図54(B)における時刻T5となるとき、入力端子INに与える信号がローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態となる。このとき、出力波形IN_Bはハイレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧の上昇を急峻に行うことができる。 At time T5 in FIG. 54B, the signal supplied to the input terminal IN is low and the OS transistor 820 is turned off. At this time, the output waveform IN_B is at a high level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which current easily flows, and the voltage of the output terminal OUT can be sharply increased.

以上説明したように本実施の形態の構成では、OSトランジスタを有するインバータにおける、バックゲートの電圧を入力端子INの信号の論理にしたがって切り替える。当該構成とすることで、OSトランジスタのしきい値電圧を制御することができる。OSトランジスタのしきい値電圧の制御を入力端子INに与える信号に併せて制御することで、出力端子OUTの電圧の変化を急峻にすることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電流を小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。 As described above, in the configuration of this embodiment, the voltage of the back gate in the inverter having the OS transistor is switched according to the logic of the signal at the input terminal IN. With this structure, the threshold voltage of the OS transistor can be controlled. By controlling the threshold voltage of the OS transistor together with the signal applied to the input terminal IN, the change in the voltage at the output terminal OUT can be made steep. In addition, the through current between the wirings supplying the power supply voltage can be reduced. Therefore, low power consumption can be achieved.

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

(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様の入出力装置について図55を用いて説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, an input / output device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<9.入出力装置の構成例>
本発明の一態様の入出力装置は、画像を表示する機能と、タッチセンサとしての機能と、を有する、インセル型のタッチパネルである。
<9. Configuration example of input / output device>
The input / output device of one embodiment of the present invention is an in-cell touch panel having a function of displaying an image and a function of a touch sensor.

本発明の一態様の入出力装置が有する表示素子に限定は無い。液晶素子、MEMS(Micro Electro Mechanical System)を利用した光学素子、有機EL(Electro Luminescence)素子や発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の発光素子、電気泳動素子など、様々な素子を、表示素子として適用することができる。 There is no limitation on the display element included in the input / output device of one embodiment of the present invention. Various elements such as liquid crystal elements, optical elements using MEMS (Micro Electro Mechanical System), light emitting elements such as organic EL (Electro Luminescence) elements and light emitting diodes (LEDs), and electrophoretic elements, display elements Can be applied as

本実施の形態では、横電界方式の液晶素子を用いた透過型の液晶表示装置を例に挙げて説明する。 In this embodiment, a transmissive liquid crystal display device using a horizontal electric field liquid crystal element is described as an example.

本発明の一態様の入出力装置が有する検知素子(センサ素子ともいう)に限定は無い。指やスタイラスなどの被検知体の近接又は接触を検知することのできる様々なセンサを、検知素子として適用することができる。 There is no limitation on a detection element (also referred to as a sensor element) included in the input / output device of one embodiment of the present invention. Various sensors that can detect the proximity or contact of an object to be detected, such as a finger or a stylus, can be used as the detection element.

例えばセンサの方式としては、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、光学方式、感圧方式など様々な方式を用いることができる。 For example, various methods such as a capacitance method, a resistance film method, a surface acoustic wave method, an infrared method, an optical method, and a pressure-sensitive method can be used as a sensor method.

本実施の形態では、静電容量方式の検知素子を有する入出力装置を例に挙げて説明する。 In this embodiment, an input / output device having a capacitive detection element will be described as an example.

静電容量方式としては、表面型静電容量方式、投影型静電容量方式等がある。また、投影型静電容量方式としては、自己容量方式、相互容量方式等がある。相互容量方式を用いると、同時多点検出が可能となるため好ましい。 Examples of the electrostatic capacity method include a surface electrostatic capacity method and a projection electrostatic capacity method. In addition, examples of the projected capacitance method include a self-capacitance method and a mutual capacitance method. Use of the mutual capacitance method is preferable because simultaneous multipoint detection is possible.

インセル型のタッチパネルとしては、代表的にはハイブリッドインセル型と、フルインセル型とがある。ハイブリッドインセル型は、表示素子を支持する基板と対向基板の両方又は対向基板のみに、検知素子を構成する電極等が設けられた構成をいう。一方、フルインセル型は、表示素子を支持する基板のみに、検知素子を構成する電極等を設けた構成をいう。本発明の一態様の入出力装置は、フルインセル型のタッチパネルである。フルインセル型のタッチパネルは、対向基板の構成を簡略化できるため、好ましい。 As an in-cell type touch panel, there are typically a hybrid in-cell type and a full-in-cell type. The hybrid in-cell type refers to a configuration in which an electrode or the like constituting a detection element is provided on both a substrate supporting a display element and a counter substrate or only on the counter substrate. On the other hand, the full-in-cell type refers to a configuration in which an electrode or the like constituting a detection element is provided only on a substrate that supports a display element. The input / output device of one embodiment of the present invention is a full-in-cell touch panel. A full-in-cell touch panel is preferable because the structure of the counter substrate can be simplified.

また、本発明の一態様の入出力装置は、表示素子を構成する電極が、検知素子を構成する電極を兼ねるため、作製工程を簡略化でき、かつ、作製コストを低減でき、好ましい。 The input / output device of one embodiment of the present invention is preferable because the electrode included in the display element also serves as the electrode included in the detection element, so that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.

また、本発明の一態様を適用することで、別々に作製された表示パネルと検知素子とを貼り合わせる構成や、対向基板側に検知素子を作製する構成に比べて、入出力装置を薄型化もしくは軽量化することができる、又は、入出力装置の部品点数を少なくすることができる。 In addition, by applying one embodiment of the present invention, the input / output device can be thinned compared to a structure in which a separately manufactured display panel and a detection element are attached to each other or a structure in which a detection element is formed on the counter substrate side. Alternatively, the weight can be reduced, or the number of parts of the input / output device can be reduced.

また、本発明の一態様の入出力装置は、画素を駆動する信号を供給するFPCと、検知素子を駆動する信号を供給するFPCの両方を、一方の基板側に配置する。これにより、電子機器に組み込みやすく、また、部品点数を削減することが可能となる。なお、一つのFPCにより、画素を駆動する信号と検知素子を駆動する信号が供給されてもよい。 In the input / output device of one embodiment of the present invention, both an FPC that supplies a signal for driving a pixel and an FPC that supplies a signal for driving a detection element are arranged on one substrate side. Thereby, it becomes easy to incorporate in an electronic device, and the number of parts can be reduced. Note that a signal for driving a pixel and a signal for driving a detection element may be supplied by one FPC.

以下では、本発明の一態様の入出力装置の構成について説明する。 The structure of the input / output device of one embodiment of the present invention is described below.

[入出力装置の断面構成例1]
図55(A)に、入出力装置の隣り合う2つの副画素の断面図を示す。図55(A)に示す2つの副画素はそれぞれ異なる画素が有する副画素である。
[Cross-sectional configuration example 1 of input / output device]
FIG. 55A is a cross-sectional view of two adjacent subpixels of the input / output device. The two subpixels illustrated in FIG. 55A are subpixels included in different pixels.

図55(A)に示すように、入出力装置は、基板211上に、トランジスタ201、トランジスタ203、及び液晶素子207a等を有する。また基板211上には、絶縁膜212、絶縁膜213、絶縁膜215、絶縁膜219等の絶縁膜が設けられている。 As shown in FIG. 55A, the input / output device includes a transistor 201, a transistor 203, a liquid crystal element 207a, and the like over a substrate 211. In addition, an insulating film such as an insulating film 212, an insulating film 213, an insulating film 215, and an insulating film 219 is provided over the substrate 211.

例えば、赤色を呈する副画素、緑色を呈する副画素、及び青色を呈する副画素によって1つの画素が構成されることで、表示部ではフルカラーの表示を行うことができる。なお、副画素が呈する色は、赤、緑、及び青に限られない。画素には、例えば、白、黄、マゼンタ、又はシアン等の色を呈する副画素を用いてもよい。 For example, a single pixel includes a sub-pixel that exhibits red, a sub-pixel that exhibits green, and a sub-pixel that exhibits blue, so that a full-color display can be performed on the display unit. In addition, the color which a subpixel exhibits is not restricted to red, green, and blue. As the pixel, for example, a sub-pixel exhibiting a color such as white, yellow, magenta, or cyan may be used.

副画素が有するトランジスタ201、203には、上記実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。 The transistors described in the above embodiments can be applied to the transistors 201 and 203 included in the subpixel.

液晶素子207aは、FFS(Fringe Field Switching)モードが適用された液晶素子である。液晶素子207aは、導電膜251、導電膜252、及び液晶249を有する。導電膜251と導電膜252との間に生じる電界により、液晶249の配向を制御することができる。導電膜251は、画素電極として機能することができる。導電膜252は、共通電極として機能することができる。 The liquid crystal element 207a is a liquid crystal element to which an FFS (Fringe Field Switching) mode is applied. The liquid crystal element 207 a includes a conductive film 251, a conductive film 252, and a liquid crystal 249. The alignment of the liquid crystal 249 can be controlled by an electric field generated between the conductive films 251 and 252. The conductive film 251 can function as a pixel electrode. The conductive film 252 can function as a common electrode.

導電膜251及び導電膜252に、可視光を透過する導電性材料を用いることで、入出力装置を、透過型の液晶表示装置として機能させることができる。また、導電膜251に、可視光を反射する導電性材料を用い、導電膜252に可視光を透過する導電性材料を用いることで、入出力装置を、反射型の液晶表示装置として機能させることができる。 By using a conductive material that transmits visible light for the conductive films 251 and 252, the input / output device can function as a transmissive liquid crystal display device. In addition, by using a conductive material that reflects visible light for the conductive film 251 and a conductive material that transmits visible light for the conductive film 252, the input / output device can function as a reflective liquid crystal display device. Can do.

可視光を透過する導電性材料としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。具体的には、酸化インジウム、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、インジウム亜鉛酸化物、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などが挙げられる。なお、グラフェンを含む膜を用いることもできる。グラフェンを含む膜は、例えば膜状に形成された酸化グラフェンを含む膜を還元して形成することができる。 As the conductive material that transmits visible light, for example, a material containing one kind selected from indium (In), zinc (Zn), and tin (Sn) may be used. Specifically, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, Examples thereof include indium tin oxide containing titanium oxide, indium tin oxide added with silicon oxide, zinc oxide, and zinc oxide added with gallium. Note that a film containing graphene can also be used. The film containing graphene can be formed, for example, by reducing a film containing graphene oxide formed in a film shape.

導電膜251に酸化物導電膜を用いることが好ましい。また、導電膜252に酸化物導電膜を用いることが好ましい。酸化物導電膜は、酸化物半導体膜223に含まれる金属元素を一種類以上有することが好ましい。例えば、導電膜251は、インジウムを含むことが好ましく、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、またはSn)であることがさらに好ましい。同様に、導電膜252は、インジウムを含むことが好ましく、In−M−Zn酸化物であることがさらに好ましい。 An oxide conductive film is preferably used for the conductive film 251. The conductive film 252 is preferably an oxide conductive film. The oxide conductive film preferably includes one or more metal elements contained in the oxide semiconductor film 223. For example, the conductive film 251 preferably contains indium, and more preferably is an In—M—Zn oxide (M is Al, Ga, Y, or Sn). Similarly, the conductive film 252 preferably contains indium, and more preferably an In-M-Zn oxide.

なお、導電膜251と導電膜252のうち、少なくとも一方を、酸化物半導体を用いて形成してもよい。上述の通り、同一の金属元素を有する酸化物半導体を、入出力装置を構成する層のうち2層以上に用いることで、製造装置(例えば、成膜装置、加工装置等)を2以上の工程で共通で用いることが可能となるため、製造コストを抑制することができる。 Note that at least one of the conductive film 251 and the conductive film 252 may be formed using an oxide semiconductor. As described above, a manufacturing apparatus (e.g., a film formation apparatus or a processing apparatus) can be manufactured in two or more steps by using an oxide semiconductor including the same metal element for two or more layers included in the input / output device. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.

例えば、絶縁膜253に水素を含む窒化シリコン膜を用い、導電膜251に酸化物半導体を用いると、絶縁膜253から供給される水素によって、酸化物半導体の導電率を高めることができる。 For example, when a silicon nitride film containing hydrogen is used for the insulating film 253 and an oxide semiconductor is used for the conductive film 251, the conductivity of the oxide semiconductor can be increased by hydrogen supplied from the insulating film 253.

可視光を反射する導電性材料としては、例えば、アルミニウム、銀、又はこれらの金属材料を含む合金等が挙げられる。 Examples of the conductive material that reflects visible light include aluminum, silver, and alloys containing these metal materials.

画素電極として機能する導電膜251は、トランジスタ203のソース又はドレインと電気的に接続される。 The conductive film 251 functioning as a pixel electrode is electrically connected to the source or drain of the transistor 203.

導電膜252は、櫛歯状の上面形状(平面形状ともいう)、又はスリットが設けられた上面形状を有する。導電膜251と導電膜252の間には、絶縁膜253が設けられている。導電膜251は、絶縁膜253を介して導電膜252と重なる部分を有する。また、導電膜251と着色膜241とが重なる領域において、導電膜251上に導電膜252が配置されていない部分を有する。 The conductive film 252 has a comb-like upper surface shape (also referred to as a planar shape) or an upper surface shape provided with a slit. An insulating film 253 is provided between the conductive films 251 and 252. The conductive film 251 has a portion overlapping with the conductive film 252 with the insulating film 253 provided therebetween. In addition, in a region where the conductive film 251 and the coloring film 241 overlap with each other, a portion where the conductive film 252 is not provided over the conductive film 251 is included.

絶縁膜253上には、導電膜255が設けられている。導電膜255は、導電膜252と電気的に接続されており、導電膜252の補助配線として機能することができる。共通電極と電気的に接続する補助配線を設けることで、共通電極の抵抗に起因する電圧降下を抑制することができる。また、このとき、金属酸化物を含む導電膜と、金属を含む導電膜の積層構造とする場合には、ハーフトーンマスクを用いたパターニング技術により形成すると、工程を簡略化できるため好ましい。 A conductive film 255 is provided over the insulating film 253. The conductive film 255 is electrically connected to the conductive film 252 and can function as an auxiliary wiring of the conductive film 252. By providing the auxiliary wiring electrically connected to the common electrode, a voltage drop due to the resistance of the common electrode can be suppressed. At this time, in the case where a stacked structure of a conductive film including a metal oxide and a conductive film including a metal is used, it is preferable to form by a patterning technique using a halftone mask because the process can be simplified.

導電膜255は、導電膜252よりも抵抗値の低い膜とすればよい。導電膜255は、例えば、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、銀、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらの元素を含む合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。 The conductive film 255 may be a film having a lower resistance value than the conductive film 252. The conductive film 255 is formed with a single layer or a stacked layer using a metal material such as molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, silver, neodymium, or scandium, or an alloy material containing these elements, for example. can do.

入出力装置の使用者から視認されないよう、導電膜255は、遮光膜243等と重なる位置に設けられることが好ましい。 The conductive film 255 is preferably provided at a position overlapping the light-shielding film 243 and the like so that the user of the input / output device cannot see the conductive film 255.

着色膜241は、液晶素子207aと重なる部分を有する。遮光膜243は、トランジスタ201、203のうち、少なくとも一方と重なる部分を有する。 The colored film 241 has a portion overlapping with the liquid crystal element 207a. The light-shielding film 243 has a portion overlapping with at least one of the transistors 201 and 203.

絶縁膜245は、着色膜241や遮光膜243等に含まれる不純物が液晶249に拡散することを防ぐオーバーコートとしての機能を有することが好ましい。絶縁膜245は、不要であれば設けなくてもよい。 The insulating film 245 preferably has a function as an overcoat that prevents impurities contained in the coloring film 241, the light-shielding film 243, and the like from diffusing into the liquid crystal 249. The insulating film 245 is not necessarily provided if not necessary.

なお、基板211及び基板261の液晶249と接する表面には、配向膜が設けられていてもよい。配向膜は、液晶249の配向を制御することができる。例えば、図55(A)において、導電膜252を覆う配向膜を形成してもよい。また、図55(A)において、絶縁膜245と液晶249の間に、配向膜を有していてもよい。また、絶縁膜245が、配向膜としての機能と、オーバーコートとしての機能の双方を有していてもよい。 Note that an alignment film may be provided on surfaces of the substrate 211 and the substrate 261 in contact with the liquid crystal 249. The alignment film can control the alignment of the liquid crystal 249. For example, an alignment film that covers the conductive film 252 may be formed in FIG. In FIG. 55A, an alignment film may be provided between the insulating film 245 and the liquid crystal 249. The insulating film 245 may have both a function as an alignment film and a function as an overcoat.

また、入出力装置は、スペーサ247を有する。スペーサ247は、基板211と基板261との距離が一定以上近づくことを防ぐ機能を有する。 In addition, the input / output device includes a spacer 247. The spacer 247 has a function of preventing the distance between the substrate 211 and the substrate 261 from approaching a certain distance.

図55(A)では、スペーサ247は、絶縁膜253上及び導電膜252上に設けられている例を示すが、本発明の一態様はこれに限られない。スペーサ247は、基板211側に設けられていてもよいし、基板261側に設けられていてもよい。例えば、絶縁膜245上にスペーサ247を形成してもよい。また、図55(A)では、スペーサ247が、絶縁膜253及び絶縁膜245と接する例を示すが、基板211側又は基板261側のいずれかに設けられた構造物と接していなくてもよい。 FIG. 55A illustrates an example in which the spacer 247 is provided over the insulating film 253 and the conductive film 252, but one embodiment of the present invention is not limited thereto. The spacer 247 may be provided on the substrate 211 side or may be provided on the substrate 261 side. For example, the spacer 247 may be formed over the insulating film 245. FIG. 55A illustrates an example in which the spacer 247 is in contact with the insulating film 253 and the insulating film 245; however, the spacer 247 may not be in contact with a structure provided on either the substrate 211 side or the substrate 261 side. .

スペーサ247として粒状のスペーサを用いてもよい。粒状のスペーサとしては、シリカなどの材料を用いることもできるが、樹脂やゴムなどの弾性を有する材料を用いることが好ましい。このとき、粒状のスペーサは上下方向に潰れた形状となる場合がある。 A granular spacer may be used as the spacer 247. As the granular spacer, a material such as silica can be used, but an elastic material such as resin or rubber is preferably used. At this time, the granular spacer may be crushed in the vertical direction.

基板211及び基板261は、図示しない接着層によって貼り合わされている。基板211、基板261、及び接着層に囲まれた領域に、液晶249が封止されている。 The board | substrate 211 and the board | substrate 261 are bonded together by the contact bonding layer which is not shown in figure. A liquid crystal 249 is sealed in a region surrounded by the substrate 211, the substrate 261, and the adhesive layer.

なお、入出力装置を、透過型の液晶表示装置として機能させる場合、偏光板を、表示部を挟むように2つ配置する。偏光板よりも外側に配置されたバックライトからの光は偏光板を介して入射される。このとき、導電膜251と導電膜252の間に与える電圧によって液晶249の配向を制御し、光の光学変調を制御することができる。すなわち、偏光板を介して射出される光の強度を制御することができる。また、入射光は着色膜241によって特定の波長領域以外の光が吸収されるため、射出される光は例えば赤色、青色、又は緑色を呈する光となる。 Note that in the case where the input / output device functions as a transmissive liquid crystal display device, two polarizing plates are arranged so as to sandwich the display portion. Light from a backlight disposed outside the polarizing plate is incident through the polarizing plate. At this time, the alignment of the liquid crystal 249 can be controlled by the voltage applied between the conductive films 251 and 252, and the optical modulation of light can be controlled. That is, the intensity of light emitted through the polarizing plate can be controlled. In addition, since the incident light is absorbed by the colored film 241 in a region other than the specific wavelength region, the emitted light is, for example, light exhibiting red, blue, or green.

また、偏光板に加えて、例えば円偏光板を用いることができる。円偏光板としては、例えば直線偏光板と1/4波長位相差板を積層したものを用いることができる。円偏光板により、入出力装置の表示の視野角依存を低減することができる。 In addition to the polarizing plate, for example, a circular polarizing plate can be used. As a circularly-polarizing plate, what laminated | stacked the linearly-polarizing plate and the quarter wavelength phase difference plate, for example can be used. The circularly polarizing plate can reduce the viewing angle dependency of the display of the input / output device.

なお、ここでは液晶素子207aとしてFFSモードが適用された素子を用いたが、これに限られず様々なモードが適用された液晶素子を用いることができる。例えば、VA(Vertical Alignment)モード、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード等が適用された液晶素子を用いることができる。 Note that although an element to which the FFS mode is applied is used here as the liquid crystal element 207a, liquid crystal elements to which various modes are applied can be used without being limited thereto. For example, VA (Vertical Alignment), TN (Twisted Nematic) mode, IPS (In-Plane-Switching) mode, ASM (Axially Symmetrically Aligned Micro-cell) mode, OCB (Optical Aligned Coding mode) ) Mode, an AFLC (Antiferroelectric Liquid Crystal) mode, or the like can be used.

また、入出力装置にノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用した透過型の液晶表示装置を適用してもよい。垂直配向モードとしては、MVA(Multi−Domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASVモードなどを用いることができる。 Alternatively, a normally black liquid crystal display device such as a transmissive liquid crystal display device employing a vertical alignment (VA) mode may be applied to the input / output device. As the vertical alignment mode, an MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) mode, a PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, an ASV mode, or the like can be used.

なお、液晶素子は、液晶の光学変調作用によって光の透過又は非透過を制御する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界(横方向の電界、縦方向の電界又は斜め方向の電界を含む)によって制御される。なお、液晶素子に用いる液晶としては、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶(PDLC:Polymer Dispersed Liquid Crystal)、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。 Note that the liquid crystal element is an element that controls transmission or non-transmission of light by an optical modulation action of liquid crystal. Note that the optical modulation action of the liquid crystal is controlled by an electric field applied to the liquid crystal (including a horizontal electric field, a vertical electric field, or an oblique electric field). As the liquid crystal used in the liquid crystal element, a thermotropic liquid crystal, a low molecular liquid crystal, a polymer liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal (PDLC), a ferroelectric liquid crystal, an antiferroelectric liquid crystal, or the like is used. Can do. These liquid crystal materials exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, and the like depending on conditions.

また、液晶材料としては、ポジ型の液晶又はネガ型の液晶のいずれを用いてもよく、適用するモードや設計に応じて最適な液晶材料を用いればよい。 Further, as the liquid crystal material, either a positive liquid crystal or a negative liquid crystal may be used, and an optimal liquid crystal material may be used depending on the mode and design to be applied.

また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために5重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶249に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性である。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。 In the case of employing a horizontal electric field method, a liquid crystal exhibiting a blue phase for which an alignment film is unnecessary may be used. The blue phase is one of the liquid crystal phases. When the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased, the blue phase appears immediately before the transition from the cholesteric phase to the isotropic phase. Since the blue phase appears only in a narrow temperature range, a liquid crystal composition in which 5% by weight or more of a chiral agent is mixed is used for the liquid crystal 249 in order to improve the temperature range. A liquid crystal composition containing a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent has a short response speed and is optically isotropic. In addition, a liquid crystal composition including a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent does not require alignment treatment and has a small viewing angle dependency. Further, since it is not necessary to provide an alignment film, a rubbing process is not required, so that electrostatic breakdown caused by the rubbing process can be prevented, and defects or breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. .

ここで、基板261よりも上部に、指又はスタイラスなどの被検知体が直接触れる基板を設けてもよい。またこのとき、基板261と当該基板との間に偏光板又は円偏光板を設けることが好ましい。その場合、当該基板上に保護層(セラミックコート等)を設けることが好ましい。保護層は、例えば酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの無機絶縁材料を用いることができる。また、当該基板に強化ガラスを用いてもよい。強化ガラスは、イオン交換法や風冷強化法等により物理的、又は化学的な処理が施され、その表面に圧縮応力を加えたものを用いることができる。 Here, a substrate directly touched by a detection target such as a finger or a stylus may be provided above the substrate 261. At this time, a polarizing plate or a circular polarizing plate is preferably provided between the substrate 261 and the substrate. In that case, it is preferable to provide a protective layer (ceramic coating or the like) on the substrate. For the protective layer, for example, an inorganic insulating material such as silicon oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, and yttria-stabilized zirconia (YSZ) can be used. Further, tempered glass may be used for the substrate. As the tempered glass, it is possible to use glass that has been subjected to physical or chemical treatment by an ion exchange method, an air-cooling tempering method, or the like and to which a compressive stress is applied to the surface.

図55(A)では、左の副画素が有する導電膜252と、右の副画素が有する導電膜252との間に形成される容量を利用して、被検知体の近接又は接触等を検知することができる。すなわち本発明の一態様の入出力装置において、導電膜252は、液晶素子の共通電極と、検知素子の電極と、の両方を兼ねる。 In FIG. 55A, proximity or contact of an object to be detected is detected using a capacitor formed between the conductive film 252 included in the left subpixel and the conductive film 252 included in the right subpixel. can do. That is, in the input / output device of one embodiment of the present invention, the conductive film 252 serves as both the common electrode of the liquid crystal element and the electrode of the detection element.

このように、本発明の一態様の入出力装置では、液晶素子を構成する電極が、検知素子を構成する電極を兼ねるため、作製工程を簡略化でき、かつ作製コストを低減できる。また、入出力装置の薄型化、軽量化を図ることができる。 As described above, in the input / output device of one embodiment of the present invention, the electrode included in the liquid crystal element also serves as the electrode included in the detection element; therefore, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In addition, the input / output device can be reduced in thickness and weight.

導電膜252は、補助配線として機能する導電膜255と電気的に接続されている。導電膜255を設けることで、検知素子の電極の抵抗を低減させることができる。検知素子の電極の抵抗の抵抗が低下することで、検知素子の電極の時定数を小さくすることができる。検知素子の電極の時定数が小さいほど、検出感度を高めることができ、さらには、検出の精度を高めることができる。 The conductive film 252 is electrically connected to the conductive film 255 functioning as an auxiliary wiring. By providing the conductive film 255, the resistance of the electrode of the detection element can be reduced. By reducing the resistance of the electrode of the sensing element, the time constant of the electrode of the sensing element can be reduced. The smaller the time constant of the electrode of the sensing element, the higher the detection sensitivity, and the higher the detection accuracy.

また、検知素子の電極と信号線との間の容量が大きすぎると、検知素子の電極の時定数が大きくなる場合がある。そのため、トランジスタと検知素子の電極との間に、平坦化機能を有する絶縁膜を設け、検知素子の電極と信号線との間の容量を削減することが好ましい。例えば、図55(A)では、平坦化機能を有する絶縁膜として絶縁膜219を有する。絶縁膜219を設けることで、導電膜252と信号線との容量を小さくすることができる。これにより、検知素子の電極の時定数を小さくすることができる。前述の通り、検知素子の電極の時定数が小さいほど、検出感度を高めることができ、さらには、検出の精度を高めることができる。 In addition, if the capacitance between the sensing element electrode and the signal line is too large, the time constant of the sensing element electrode may increase. Therefore, it is preferable to provide an insulating film having a planarization function between the transistor and the electrode of the detection element to reduce the capacitance between the electrode of the detection element and the signal line. For example, in FIG. 55A, the insulating film 219 is provided as the insulating film having a planarization function. By providing the insulating film 219, the capacitance between the conductive film 252 and the signal line can be reduced. Thereby, the time constant of the electrode of a detection element can be made small. As described above, the smaller the time constant of the electrodes of the sensing element, the higher the detection sensitivity and the higher the detection accuracy.

例えば、検知素子の電極の時定数は、0秒より大きく1×10−4秒以下、好ましくは0秒より大きく5×10−5秒以下、より好ましくは0秒より大きく5×10−6秒以下、より好ましくは0秒より大きく5×10−7秒以下、より好ましくは0秒より大きく2×10−7秒以下であるとよい。特に、時定数を1×10−6秒以下とすることで、ノイズの影響を抑制しつつ高い検出感度を実現することができる。 For example, the time constant of the electrodes of the sensing element is greater than 0 seconds and 1 × 10 −4 seconds or less, preferably greater than 0 seconds and 5 × 10 −5 seconds or less, more preferably greater than 0 seconds and 5 × 10 −6 seconds. In the following, it is more preferably greater than 0 seconds and 5 × 10 −7 seconds or less, and more preferably greater than 0 seconds and 2 × 10 −7 seconds or less. In particular, by setting the time constant to 1 × 10 −6 seconds or less, high detection sensitivity can be realized while suppressing the influence of noise.

[入出力装置の断面構成例2]
図55(B)に、図55(A)とは異なる、隣り合う2つの画素の断面図を示す。図55(B)に示す2つの副画素はそれぞれ異なる画素が有する副画素である。
[Cross-sectional configuration example 2 of input / output device]
FIG. 55B is a cross-sectional view of two adjacent pixels, which is different from FIG. The two subpixels illustrated in FIG. 55B are subpixels included in different pixels.

図55(B)に示す構成例2は、導電膜251、導電膜252、絶縁膜253、及び導電膜255の積層順が、図55(A)に示す構成例1と異なる。なお、構成例2において、構成例1と同様の部分に関しては、上記を参照することができる。 In the structural example 2 illustrated in FIG. 55B, the stacking order of the conductive film 251, the conductive film 252, the insulating film 253, and the conductive film 255 is different from that in the structural example 1 illustrated in FIG. In the second configuration example, the above can be referred to for the same parts as the first configuration example.

具体的には、構成例2は、絶縁膜219上に導電膜255を有し、導電膜255上に導電膜252を有し、導電膜252上に絶縁膜253を有し、絶縁膜253上に導電膜251を有する。 Specifically, in Structural Example 2, the conductive film 255 is provided over the insulating film 219, the conductive film 252 is provided over the conductive film 255, the insulating film 253 is provided over the conductive film 252, and the insulating film 253 is provided over the insulating film 253. Has a conductive film 251.

図55(B)に示す液晶素子207bのように、上層に設けられ、櫛歯状又はスリット状の上面形状を有する導電膜251を画素電極とし、下層に設けられる導電膜252を共通電極として用いることもできる。その場合にも、導電膜251がトランジスタ203のソース又はドレインと電気的に接続されればよい。 As in the liquid crystal element 207b illustrated in FIG. 55B, the conductive film 251 provided in the upper layer and having a comb-shaped or slit-like upper surface shape is used as the pixel electrode, and the conductive film 252 provided in the lower layer is used as the common electrode. You can also. In that case also, the conductive film 251 only needs to be electrically connected to the source or the drain of the transistor 203.

図55(B)では、左の副画素が有する導電膜252と、右の副画素が有する導電膜252との間に形成される容量を利用して、被検知体の近接又は接触等を検知することができる。すなわち本発明の一態様の入出力装置において、導電膜252は、液晶素子の共通電極と、検知素子の電極と、の両方を兼ねる。 In FIG. 55B, proximity or contact of a detection object is detected using a capacitor formed between the conductive film 252 included in the left subpixel and the conductive film 252 included in the right subpixel. can do. That is, in the input / output device of one embodiment of the present invention, the conductive film 252 serves as both the common electrode of the liquid crystal element and the electrode of the detection element.

なお、構成例1(図55(A))では、検知素子の電極と共通電極を兼ねる導電膜252が、画素電極として機能する導電膜251よりも表示面側(被検知体に近い側)に位置する。これにより、導電膜251が導電膜252よりも表示面側に位置する構成例2よりも、構成例1では、検出感度が向上する場合がある。 Note that in Structural Example 1 (FIG. 55A), the conductive film 252 serving as both the electrode of the detection element and the common electrode is closer to the display surface (the side closer to the detection target) than the conductive film 251 functioning as a pixel electrode. To position. Thereby, in the configuration example 1, the detection sensitivity may be improved compared to the configuration example 2 in which the conductive film 251 is located closer to the display surface than the conductive film 252.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態10)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.
(Embodiment 10)
In this embodiment, an example of a circuit of a semiconductor device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.

<記憶装置1>
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、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56に示す。
<Storage device 1>
FIG. 56 illustrates an example of a semiconductor device (memory device) using the transistor according to one embodiment of the present invention, which can retain stored data even in a state where power is not supplied and has no limit on the number of times of writing.

図56(A)に示す半導体装置は、第1の半導体を用いたトランジスタ3200と第2の半導体を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、上述のトランジスタ2100と同様のトランジスタを用いることができる。ここで、トランジスタ3200を上記素子層50で構成し、トランジスタ3300を上記素子層30で構成し、容量素子3400を上記素子層40で構成することで、図56(A)に示す回路は、後述の図58および59に示す半導体装置などで形成することができる。 A semiconductor device illustrated in FIG. 56A includes a transistor 3200 including a first semiconductor, a transistor 3300 including a second semiconductor, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, a transistor similar to the above-described transistor 2100 can be used. Here, the transistor 3200 is formed using the element layer 50, the transistor 3300 is formed using the element layer 30, and the capacitor 3400 is formed using the element layer 40, so that a circuit illustrated in FIG. The semiconductor device shown in FIGS. 58 and 59 can be used.

トランジスタ3300は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ3300は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジスタ3300のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに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、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。 The transistor 3300 is preferably a transistor with low off-state current. As the transistor 3300, for example, a transistor including an oxide semiconductor can be used. Since the off-state current of the transistor 3300 is small, stored data can be held in a specific node of the semiconductor device for a long time. That is, a refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that the semiconductor device with low power consumption is obtained.

図56(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソースと電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続される。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース、ドレイン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、およびトランジスタ3300のソース、ドレインの他方は、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。 In FIG. 56A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to the gate of the transistor 3300. The gate of the transistor 3200 and the other of the source and the drain of the transistor 3300 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 3400. Has been.

図56(A)に示す半導体装置は、トランジスタ3200のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 The semiconductor device illustrated in FIG. 56A has a characteristic that the potential of the gate of the transistor 3200 can be held; thus, information can be written, held, and read as described below.

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が導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を導通状態とする。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、および容量素子3400の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、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。)のどちら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が非導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を非導通状態とすることにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。 Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the node FG electrically connected to one of the gate of the transistor 3200 and the electrode of the capacitor 3400. That is, predetermined charge is supplied to the gate of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that one of two charges that give two different potential levels (hereinafter referred to as a Low level charge and a High level charge) is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off and the transistor 3300 is turned off, so that charge is held at the node FG (holding).

トランジスタ3300のオフ電流が小さいため、ノードFGの電荷は長期間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 3300 is small, the charge of the node FG is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、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のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ3200のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「導通状態」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、ノードFG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、ノードFGにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「導通状態」となる。一方、ノードFGにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「非導通状態」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、ノードFGに保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, the second wiring 3002 has a charge held in the node FG. Take a potential according to the amount. This is because, when the transistor 3200 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th_H when a high level charge is applied to the gate of the transistor 3200 is the low level charge applied to the gate of the transistor 3200. This is because it becomes lower than the apparent threshold voltage V th_L in the case of being present. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for bringing the transistor 3200 into a “conducting state”. 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 node FG can be determined. For example, in the case where a high-level charge is applied to the node FG in writing, the transistor 3200 is in a “conducting state” if the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). On the other hand, when a low-level charge is supplied to the node FG, the transistor 3200 remains in the “non-conductive state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, information held in the node FG can be read.

なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を第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、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を第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。 Note that when memory cells are arranged in an array, information of a desired memory cell must be read at the time of reading. In order not to read data in other memory cells, the fifth wiring 3005 is supplied with a potential at which the transistor 3200 is in a “non-conducting state” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential lower than V th_H. It is sufficient that only the information of a desired memory cell can be read by providing to the above. Alternatively , only information on a desired memory cell can be obtained by applying to the fifth wiring 3005 a potential at which the transistor 3200 becomes “conductive” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential higher than V th_L. It may be configured to be readable.

なお、上記においては、2種類の電荷をノードFGに保持する例について示したが、本発明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードFGに3種類以上の電荷をノードに保持できる構成としてもよい。このような構成とすることにより、当該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。 Note that, in the above, an example in which two types of charges are held in the node FG has been described, but the semiconductor device according to the present invention is not limited to this. For example, a structure in which three or more kinds of electric charges can be held in the node FG of the semiconductor device may be employed. With such a structure, the semiconductor device can be multi-valued and the storage capacity can be increased.

<記憶装置2>
図56(B)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を有さない点で図56(A)に示した半導体装置と異なる。この場合も図56(A)に示した半導体装置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。さらに、図56(B)に示す半導体装置の下層にセンスアンプなどを設ける構成としてもよい。
<Storage device 2>
The semiconductor device illustrated in FIG. 56B is different from the semiconductor device illustrated in FIG. 56A in that the transistor 3200 is not provided. In this case also, data can be written and held in the same manner as the semiconductor device shown in FIG. Further, a structure in which a sense amplifier or the like is provided in a lower layer of the semiconductor device illustrated in FIG.

図56(B)に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300が導通状態になると、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の電極の一方の電位(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。 Information reading in the semiconductor device illustrated in FIG. 56B is described. When the transistor 3300 is turned on, the floating third wiring 3003 and the capacitor 3400 are turned on, 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 one potential of the electrode of the capacitor 3400 (or charge accumulated in the capacitor 3400).

例えば、容量素子3400の電極の一方の電位を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+CV)/(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の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの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+CV1)/(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+CV0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。 For example, the potential of one electrode 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 the charge is redistributed. Assuming VB0, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB × VB0 + CV) / (CB + C). Therefore, if the potential of one of the electrodes 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. It can be seen that the potential (= (CB × VB0 + CV1) / (CB + C)) is higher than the potential of the third wiring 3003 when the potential V0 is held (= (CB × VB0 + CV0) / (CB + C)). .

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

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

以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。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、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。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好ましい)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。 The semiconductor device described above can hold stored data for a long time by using a transistor with an off-state current that includes an oxide semiconductor. That is, a refresh operation is unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that a semiconductor device with low power consumption can be realized. 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、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。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わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、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した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。 In addition, since the semiconductor device does not require a high voltage for writing information, the element hardly deteriorates. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, since electrons are not injected into the floating gate and electrons are not extracted from the floating gate, there is no problem of deterioration of the insulator. In other words, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the number of rewritable times which is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited and the reliability is drastically improved. Further, since data is written depending on the conductive state and non-conductive state of the transistor, high-speed operation is possible.

<記憶装置3>
図56(A)に示す半導体装置(記憶装置)の変形例について、図57に示す回路図を用いて説明する。
<Storage device 3>
A modification of the semiconductor device (memory device) illustrated in FIG. 56A is described with reference to a circuit diagram illustrated in FIG.

図57に示す半導体装置は、トランジスタ4100乃至トランジスタ4400と、容量素子4500及び容量素子4600と、を有する。ここでトランジスタ4100は、上述のトランジスタ3200と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ4200乃至4400は、上述のトランジスタ3300と同様のトランジスタを用いることができる。なお、図57に示す半導体装置は、図57では図示を省略したが、マトリクス状に複数設けられる。図57に示す半導体装置は、配線4001、配線4003、配線4005乃至4009に与える信号又は電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御することができる。 The semiconductor device illustrated in FIG. 57 includes transistors 4100 to 4400, a capacitor 4500, and a capacitor 4600. Here, the transistor 4100 can be a transistor similar to the above-described transistor 3200, and the transistors 4200 to 4400 can be the same transistor as the above-described transistor 3300. Note that the semiconductor device illustrated in FIG. 57 is not illustrated in FIG. 57 but is provided in a matrix. The semiconductor device illustrated in FIG. 57 can control writing and reading of a data voltage in accordance with a signal or a potential supplied to the wiring 4001, the wiring 4003, and the wirings 4005 to 4009.

トランジスタ4100のソース又はドレインの一方は、配線4003に接続される。トランジスタ4100のソース又はドレインの他方は、配線4001に接続される。なお図57では、トランジスタ4100の導電型をpチャネル型として示すが、nチャネル型でもよい。 One of a source and a drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4003. The other of the source and the drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4001. Note that although the conductivity type of the transistor 4100 is shown as a p-channel type in FIG. 57, it may be an n-channel type.

図57に示す半導体装置は、2つのデータ保持部を有する。例えば第1のデータ保持部は、ノードFG1に接続されるトランジスタ4400のソース又はドレインの一方、容量素子4600の一方の電極、及びトランジスタ4200のソース又はドレインの一方の間で電荷を保持する。また、第2のデータ保持部は、ノードFG2に接続されるトランジスタ4100のゲート、トランジスタ4200のソース又はドレインの他方、トランジスタ4300のソース又はドレインの一方、及び容量素子4500の一方の電極の間で電荷を保持する。 The semiconductor device illustrated in FIG. 57 includes two data holding units. For example, the first data holding portion holds charge between one of a source and a drain of the transistor 4400 connected to the node FG1, one electrode of the capacitor 4600, and one of the source and the drain of the transistor 4200. The second data holding portion is between the gate of the transistor 4100 connected to the node FG2, the other of the source and the drain of the transistor 4200, one of the source and the drain of the transistor 4300, and one electrode of the capacitor 4500. Holds charge.

トランジスタ4300のソース又はドレインの他方は、配線4003に接続される。トランジスタ4400のソース又はドレインの他方は、配線4001に接続される。トランジスタ4400のゲートは、配線4005に接続される。トランジスタ4200のゲートは、配線4006に接続される。トランジスタ4300のゲートは、配線4007に接続される。容量素子4600の他方の電極は、配線4008に接続される。容量素子4500の他方の電極は、配線4009に接続される。 The other of the source and the drain of the transistor 4300 is connected to the wiring 4003. The other of the source and the drain of the transistor 4400 is connected to the wiring 4001. A gate of the transistor 4400 is connected to the wiring 4005. A gate of the transistor 4200 is connected to the wiring 4006. A gate of the transistor 4300 is connected to the wiring 4007. The other electrode of the capacitor 4600 is connected to the wiring 4008. The other electrode of the capacitor 4500 is connected to the wiring 4009.

トランジスタ4200乃至4400は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するスイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ4200乃至4400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)が低いトランジスタが用いられることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)であることが好ましい。OSトランジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点がある。なお図57では、トランジスタ4200乃至4400の導電型をnチャネル型として示すが、pチャネル型でもよい。 The transistors 4200 to 4400 function as switches for controlling writing of data voltages and holding of electric charges. Note that as the transistors 4200 to 4400, transistors with low current (off-state current) flowing between the source and the drain in a non-conduction state are preferably used. The transistor with low off-state current is preferably a transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region (OS transistor). An OS transistor has advantages such as low off-state current and that it can be formed over a transistor including silicon. Note that although the conductivity types of the transistors 4200 to 4400 are shown as n-channel types in FIG. 57, they may be p-channel types.

トランジスタ4200及びトランジスタ4300と、トランジスタ4400とは、酸化物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図57に示す半導体装置は、図57に示すように、トランジスタ4100を有する第1の層4021と、トランジスタ4200及びトランジスタ4300を有する第2の層4022と、トランジスタ4400を有する第3の層4023と、で構成されることが好ましい。トランジスタを有する層を積層して設けることで、回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。 The transistor 4200, the transistor 4300, and the transistor 4400 are preferably provided in different layers even when a transistor including an oxide semiconductor is used. That is, the semiconductor device illustrated in FIG. 57 includes a first layer 4021 including a transistor 4100, a second layer 4022 including a transistor 4200 and a transistor 4300, and a third layer including a transistor 4400 as illustrated in FIG. 4023. By stacking layers including transistors, the circuit area can be reduced and the semiconductor device can be downsized.

次いで、図57に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。 Next, an operation of writing information to the semiconductor device illustrated in FIG. 57 is described.

最初に、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作(以下、書き込み動作1とよぶ。)について説明する。なお、以下において、ノードFG1に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をVD1とし、トランジスタ4100の閾値電圧をVthとする。 First, a data voltage write operation (hereinafter referred to as a write operation 1) to the data holding portion connected to the node FG1 will be described. Note that in the following description, the data voltage written to the data holding portion connected to the node FG1 is V D1, and the threshold voltage of the transistor 4100 is Vth.

書き込み動作1では、配線4003をVD1とし、配線4001を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線4005、4006をハイレベルにする。また配線4007乃至4009をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、配線4001の電位が上昇する。またトランジスタ4400、トランジスタ4200が導通状態となる。そのため、配線4001の電位の上昇につれて、ノードFG1、FG2の電位が上昇する。ノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100でゲートとソースとの間の電圧(Vgs)がトランジスタ4100の閾値電圧Vthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。そのため、配線4001、ノードFG1、FG2の電位の上昇は止まり、VD1からVthだけ下がった「VD1−Vth」で一定となる。 In the writing operation 1, after the wiring 4003 is set to V D1 and the wiring 4001 is set to the ground potential, the wiring 4001 is electrically floated. In addition, the wirings 4005 and 4006 are set to a high level. In addition, the wirings 4007 to 4009 are set to a low level. Then, the potential of the node FG2 which is in an electrically floating state is increased, and a current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4001 increases. In addition, the transistors 4400 and 4200 are turned on. Therefore, the potentials of the nodes FG1 and FG2 increase as the potential of the wiring 4001 increases. When the potential of the node FG2 rises and the voltage (Vgs) between the gate and the source in the transistor 4100 becomes the threshold voltage Vth of the transistor 4100, the current flowing through the transistor 4100 decreases. Therefore, the potential increase of the wiring 4001 and the nodes FG1 and FG2 stops and becomes constant at “V D1 −Vth” which is lower than V D1 by Vth.

つまり、配線4003に与えたVD1は、トランジスタ4100に電流が流れることで、配線4001に与えられ、ノードFG1、FG2の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードFG2の電位が「VD1−Vth」となると、トランジスタ4100のVgsがVthとなるため、電流が止まる。 That is, V D1 applied to the wiring 4003 is supplied to the wiring 4001 when current flows through the transistor 4100, so that the potentials of the nodes FG1 and FG2 are increased. When the potential of the node FG2 becomes “V D1 −Vth” due to the rise in potential, Vgs of the transistor 4100 becomes Vth, so that the current stops.

次に、ノードFG2に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作(以下、書き込み動作2とよぶ。)について説明する。なお、ノードFG2に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をVD2として説明する。 Next, a data voltage writing operation (hereinafter referred to as writing operation 2) to the data holding portion connected to the node FG2 will be described. Incidentally, illustrating a data voltage to be written to the data holding unit connected to the node FG2 as V D2.

書き込み動作2では、配線4001をVD2とし、配線4003を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線4007をハイレベルにする。また配線4005、4006、4008、4009をローレベルにする。トランジスタ4300を導通状態として配線4003をローレベルにする。そのため、ノードFG2の電位もローレベルにまで低下し、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、配線4003の電位が上昇する。またトランジスタ4300が導通状態となる。そのため、配線4003の電位の上昇につれて、ノードFG2の電位が上昇する。ノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100でVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。そのため、配線4003、FG2の電位の上昇は止まり、VD2からVthだけ下がった「VD2−Vth」で一定となる。 In the write operation 2, after the wiring 4001 is set to V D2 and the wiring 4003 is set to the ground potential, the wiring 4001 is electrically floated. Further, the wiring 4007 is set to a high level. In addition, the wirings 4005, 4006, 4008, and 4009 are set to a low level. The transistor 4300 is turned on and the wiring 4003 is set to a low level. Therefore, the potential of the node FG2 also decreases to a low level, and a current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4003 increases. In addition, the transistor 4300 is turned on. Therefore, the potential of the node FG2 increases as the potential of the wiring 4003 increases. When the potential of the node FG2 rises and Vgs becomes Vth of the transistor 4100 in the transistor 4100, the current flowing through the transistor 4100 decreases. Therefore, the increase in the potentials of the wirings 4003 and FG2 stops and becomes constant at “V D2 −Vth”, which is lower than V D2 by Vth.

つまり、配線4001に与えたVD2は、トランジスタ4100に電流が流れることで、配線4003に与えられ、ノードFG2の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードFG2の電位が「VD2−Vth」となると、トランジスタ4100のVgsがVthとなるため、電流が止まる。このとき、ノードFG1の電位は、トランジスタ4200、4400共に非導通状態であり、書き込み動作1で書きこんだ「VD1−Vth」が保持される。 That is, V D2 applied to the wiring 4001 is supplied to the wiring 4003 when a current flows through the transistor 4100, so that the potential of the node FG2 increases. When the potential of the node FG2 becomes “V D2 −Vth” due to the rise in potential, Vgs of the transistor 4100 becomes Vth, so that the current stops. At this time, the potential of the node FG1 is non-conductive in the transistors 4200 and 4400, and “V D1 −Vth” written in the writing operation 1 is held.

図57に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線4009をハイレベルにして、ノードFG1、FG2の電位を上昇させる。そして、各トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 57, after data voltages are written in a plurality of data holding portions, the wiring 4009 is set to a high level to increase the potentials of the nodes FG1 and FG2. Then, each transistor is brought into a non-conducting state to eliminate the movement of electric charges and to hold the written data voltage.

以上説明したノードFG1、FG2へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデータ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「VD1−Vth」や「VD2−Vth」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデータに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で4ビットのデータを保持する場合、16値の「VD1−Vth」や「VD2−Vth」を取り得る。 By the data voltage writing operation to the nodes FG1 and FG2 described above, the data voltages can be held in the plurality of data holding units. Note that although “V D1 −Vth” and “V D2 −Vth” have been described as examples of potentials to be written, these are data voltages corresponding to multi-value data. Therefore, when 4-bit data is held in each data holding unit, 16 values of “V D1 −Vth” and “V D2 −Vth” can be taken.

次いで、図57に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。 Next, an operation of reading information from the semiconductor device illustrated in FIG. 57 is described.

最初に、ノードFG2に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作(以下、読み出し動作1とよぶ。)について説明する。 First, a data voltage read operation (hereinafter referred to as a read operation 1) to a data holding portion connected to the node FG2 will be described.

読み出し動作1では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線4003を放電させる。配線4005乃至4008をローレベルにする。また、配線4009をローレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードFG2の電位を「VD2−Vth」とする。ノードFG2の電位が下がることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線4003の電位が低下する。配線4003の電位の低下につれて、トランジスタ4100のVgsが小さくなる。トランジスタ4100のVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線4003の電位が、ノードFG2の電位「VD2−Vth」からVthだけ大きい値である「VD2」となる。この配線4003の電位は、ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はA/D変換を行い、ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータを取得する。 In the reading operation 1, the wiring 4003 that has been electrically floated after precharging is discharged. The wirings 4005 to 4008 are set to a low level. Further, the wiring 4009 is set to a low level, and the potential of the node FG2 in an electrically floating state is set to “V D2 −Vth”. A current flows through the transistor 4100 when the potential of the node FG2 is decreased. When the current flows, the potential of the electrically floating wiring 4003 is decreased. As the potential of the wiring 4003 decreases, Vgs of the transistor 4100 decreases. When Vgs of the transistor 4100 becomes Vth of the transistor 4100, a current flowing through the transistor 4100 is reduced. That is, the potential of the wiring 4003 becomes “V D2 ” that is a value larger by Vth than the potential “V D2 −Vth” of the node FG2. The potential of the wiring 4003 corresponds to the data voltage of the data holding portion connected to the node FG2. The read data voltage of the analog value is subjected to A / D conversion, and data of a data holding unit connected to the node FG2 is acquired.

つまり、プリチャージ後の配線4003を浮遊状態とし、配線4009の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線4003の電位は低下して「VD2」となる。トランジスタ4100では、ノードFG2の「VD2−Vth」との間のVgsがVthとなるため、電流が止まる。そして、配線4003には、書き込み動作2で書きこんだ「VD2」が読み出される。 In other words, a current flows through the transistor 4100 when the wiring 4003 after precharging is in a floating state and the potential of the wiring 4009 is switched from a high level to a low level. When the current flows, the potential of the wiring 4003 in the floating state is decreased to “V D2 ”. In the transistor 4100, Vgs between “V D2 −Vth” of the node FG2 becomes Vth, so that the current stops. Then, “V D2 ” written in the writing operation 2 is read out to the wiring 4003.

ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ4300を導通状態として、ノードFG2の「VD2−Vth」を放電させる。 When data in the data holding portion connected to the node FG2 is acquired, the transistor 4300 is turned on to discharge “V D2 −Vth” of the node FG2.

次に、ノードFG1に保持される電荷をノードFG2に分配し、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータ電圧を、ノードFG2に接続されるデータ保持部に移す。ここで、配線4001、4003をローレベルとする。配線4006をハイレベルにする。また、配線4005、配線4007乃至4009をローレベルにする。トランジスタ4200が導通状態となることで、ノードFG1の電荷が、ノードFG2との間で分配される。 Next, the charge held in the node FG1 is distributed to the node FG2, and the data voltage of the data holding unit connected to the node FG1 is transferred to the data holding unit connected to the node FG2. Here, the wirings 4001 and 4003 are set to a low level. The wiring 4006 is set to a high level. In addition, the wiring 4005 and the wirings 4007 to 4009 are set to a low level. When the transistor 4200 is turned on, the charge of the node FG1 is distributed to and from the node FG2.

ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「VD1−Vth」から低下する。そのため、容量素子4600の容量値は、容量素子4500の容量値よりも大きくしておくことが好ましい。あるいは、ノードFG1に書きこむ電位「VD1−Vth」は、同じデータを表す電位「VD2−Vth」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。 Here, the potential after the charge distribution is lowered from the written potential “V D1 −Vth”. Therefore, the capacitance value of the capacitor 4600 is preferably larger than the capacitance value of the capacitor 4500. Alternatively, the potential “V D1 −Vth” written to the node FG1 is preferably higher than the potential “V D2 −Vth” representing the same data. In this way, by changing the ratio of the capacitance values and increasing the potential to be written in advance, it is possible to suppress a decrease in potential after the charge is distributed. The fluctuation of the potential due to the charge distribution will be described later.

次に、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作(以下、読み出し動作2とよぶ。)について説明する。 Next, a data voltage read operation (hereinafter referred to as read operation 2) to the data holding portion connected to the node FG1 will be described.

読み出し動作2では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線4003を放電させる。配線4005乃至4008をローレベルにする。また、配線4009は、プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線4009をローレベルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードFG2を電位「VD1−Vth」とする。ノードFG2の電位が下がることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線4003の電位が低下する。配線4003の電位の低下につれて、トランジスタ4100のVgsが小さくなる。トランジスタ4100のVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線4003の電位が、ノードFG2の電位「VD1−Vth」からVthだけ大きい値である「VD1」となる。この配線4003の電位は、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はA/D変換を行い、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータを取得する。以上が、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。 In the reading operation 2, the wiring 4003 that has been electrically floated after precharging is discharged. The wirings 4005 to 4008 are set to a low level. Further, the wiring 4009 is set to a high level at the time of precharging and then set to a low level. By setting the wiring 4009 to a low level, the node FG2 in an electrically floating state is set to a potential “V D1 −Vth”. A current flows through the transistor 4100 when the potential of the node FG2 is decreased. When the current flows, the potential of the electrically floating wiring 4003 is decreased. As the potential of the wiring 4003 decreases, Vgs of the transistor 4100 decreases. When Vgs of the transistor 4100 becomes Vth of the transistor 4100, a current flowing through the transistor 4100 is reduced. That is, the potential of the wiring 4003 becomes “V D1 ” that is a value larger by Vth than the potential “V D1 −Vth” of the node FG2. The potential of the wiring 4003 corresponds to the data voltage of the data holding portion connected to the node FG1. The read data voltage of the analog value performs A / D conversion, and acquires data of the data holding unit connected to the node FG1. The above is the data voltage reading operation to the data holding portion connected to the node FG1.

つまり、プリチャージ後の配線4003を浮遊状態とし、配線4009の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線4003の電位は低下して「VD1」となる。トランジスタ4100では、ノードFG2の「VD1−Vth」との間のVgsがVthとなるため、電流が止まる。そして、配線4003には、書き込み動作1で書きこんだ「VD1」が読み出される。 In other words, a current flows through the transistor 4100 when the wiring 4003 after precharging is in a floating state and the potential of the wiring 4009 is switched from a high level to a low level. When the current flows, the potential of the wiring 4003 in the floating state is decreased to “V D1 ”. In the transistor 4100, the current stops because Vgs between the node FG2 and “V D1 −Vth” becomes Vth. Then, “V D1 ” written in the writing operation 1 is read out to the wiring 4003.

以上説明したノードFG1、FG2からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードFG1及びノードFG2にそれぞれ4ビット(16値)のデータを保持することで計8ビット(256値)のデータを保持することができる。また、図57においては、第1の層4021乃至第3の層4023からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。 The data voltage can be read from the plurality of data holding units by the data voltage reading operation from the nodes FG1 and FG2 described above. For example, a total of 8 bits (256 values) of data can be held by holding 4 bits (16 values) of data in each of the nodes FG1 and FG2. In FIG. 57, the first layer 4021 to the third layer 4023 are used. However, by forming additional layers, the storage capacity can be increased without increasing the area of the semiconductor device. .

なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりVthだけ大きい電圧として読み出すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「VD1−Vth」や「VD2−Vth」のVthを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあたりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけることができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。 Note that the read potential can be read as a voltage higher than the written data voltage by Vth. Therefore, it is possible to adopt a configuration in which Vth of “V D1 −Vth” or “V D2 −Vth” written by the write operation is canceled and read. As a result, the storage capacity per memory cell can be improved and the read data can be brought close to the correct data, so that the data reliability can be improved.

<記憶装置4>
図56(C)に示す半導体装置は、トランジスタ3500、第6の配線3006を有する点で図57(A)に示した半導体装置と異なる。この場合も図56(A)に示した半導体装置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。また、トランジスタ3500としては上記のトランジスタ3200と同様のトランジスタを用いればよい。
<Storage device 4>
The semiconductor device illustrated in FIG. 56C is different from the semiconductor device illustrated in FIG. 57A in that the transistor 3500 and the sixth wiring 3006 are provided. In this case also, data can be written and held in the same manner as the semiconductor device shown in FIG. The transistor 3500 may be a transistor similar to the transistor 3200 described above.

第6の配線3006は、トランジスタ3500のゲートと電気的に接続され、トランジスタ3500のソース、ドレインの一方はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続され、トランジスタ3500のソース、ドレインの他方は第3の配線3003と電気的に接続される。
<半導体装置の構造1>
図58は、図56(A)に対応する半導体装置の断面図である。図58に示す半導体装置は、トランジスタ3200と、トランジスタ3300と、容量素子3400と、を有する。また、トランジスタ3300および容量素子3400は、トランジスタ3200の上方に配置する。なお、トランジスタ3300としては、図2に示したトランジスタを用いた例を示しているが、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。よって適宜上述したトランジスタの記載を参酌する。
The sixth wiring 3006 is electrically connected to the gate of the transistor 3500, one of the source and the drain of the transistor 3500 is electrically connected to the drain of the transistor 3200, and the other of the source and the drain of the transistor 3500 is the third It is electrically connected to the wiring 3003.
<Structure 1 of Semiconductor Device>
FIG. 58 is a cross-sectional view of the semiconductor device corresponding to FIG. The semiconductor device illustrated in FIG. 58 includes a transistor 3200, a transistor 3300, and a capacitor 3400. The transistor 3300 and the capacitor 3400 are provided above the transistor 3200. Note that although an example in which the transistor illustrated in FIG. 2 is used as the transistor 3300 is described, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited to this. Therefore, the above description of the transistor is referred to as appropriate.

また、図58に示す半導体装置は、トランジスタ3200がFin型である場合を示している。トランジスタ3200をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ3200のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ3200のオフ特性を向上させることができる。トランジスタ3200は、半導体基板450を用いたトランジスタである。トランジスタ3200は、半導体基板450中の領域474aと、半導体基板450中の領域474bと、絶縁体462と、導電体454と、を有する。 The semiconductor device illustrated in FIG. 58 illustrates the case where the transistor 3200 is a Fin type. By setting the transistor 3200 to a Fin type, an effective channel width can be increased, whereby the on-state characteristics of the transistor 3200 can be improved. In addition, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, off characteristics of the transistor 3200 can be improved. The transistor 3200 is a transistor using the semiconductor substrate 450. The transistor 3200 includes a region 474a in the semiconductor substrate 450, a region 474b in the semiconductor substrate 450, an insulator 462, and a conductor 454.

トランジスタ3200において、領域474aおよび領域474bは、ソース領域およびドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体462は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体454は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電体454に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即ち、導電体454に印加する電位によって、領域474aと領域474bとの間の導通・非導通を制御することができる。 In the transistor 3200, the region 474a and the region 474b function as a source region and a drain region. The insulator 462 functions as a gate insulator. The conductor 454 functions as a gate electrode. Therefore, the resistance of the channel formation region can be controlled by the potential applied to the conductor 454. That is, conduction / non-conduction between the region 474a and the region 474b can be controlled by a potential applied to the conductor 454.

半導体基板450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を用いればよい。好ましくは、半導体基板450として単結晶シリコン基板を用いる。 As the semiconductor substrate 450, for example, 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 may be used. A single crystal silicon substrate is preferably used as the semiconductor substrate 450.

半導体基板450は、n型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただし、半導体基板450として、p型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いても構わない。その場合、トランジスタ3200となる領域には、n型の導電型を付与する不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板450がi型であっても構わない。 As the semiconductor substrate 450, a semiconductor substrate having an impurity imparting n-type conductivity is used. However, as the semiconductor substrate 450, a semiconductor substrate having an impurity imparting p-type conductivity may be used. In that case, a well having an impurity imparting n-type conductivity may be provided in a region to be the transistor 3200. Alternatively, the semiconductor substrate 450 may be i-type.

半導体基板450の上面は、(110)面を有することが好ましい。こうすることで、トランジスタ3200のオン特性を向上させることができる。 The upper surface of the semiconductor substrate 450 preferably has a (110) plane. Thus, the on-state characteristics of the transistor 3200 can be improved.

領域474aおよび領域474bは、p型の導電型を付与する不純物を有する領域である。このようにして、トランジスタ3200はpチャネル型トランジスタを構成する。 The region 474a and the region 474b are regions having an impurity imparting p-type conductivity. In this manner, the transistor 3200 constitutes a p-channel transistor.

トランジスタ3200がpチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ3200がnチャネル型トランジスタであっても構わない。 Although the case where the transistor 3200 is a p-channel transistor has been described, the transistor 3200 may be an n-channel transistor.

なお、トランジスタ3200は、領域460などによって隣接するトランジスタと分離される。領域460は、絶縁性を有する領域である。 Note that the transistor 3200 is separated from an adjacent transistor by the region 460 or the like. The region 460 is a region having an insulating property.

図58に示す半導体装置は、絶縁体464と、絶縁体466と、絶縁体468と、絶縁体470と、絶縁体472と、絶縁体475と、絶縁体402と、絶縁体410と、絶縁体408と、絶縁体428と、絶縁体465と、絶縁体467と、絶縁体469と、絶縁体498と、導電体480aと、導電体480bと、導電体480cと、導電体478aと、導電体478bと、導電体478cと、導電体476aと、導電体476bと、導電体476cと、導電体479aと、導電体479bと、導電体479cと、導電体477aと、導電体477bと、導電体477cと、導電体484aと、導電体484bと、導電体484cと、導電体484dと、導電体483aと、導電体483bと、導電体483cと、導電体483dと、導電体483eと、導電体483fと、導電体485aと、導電体485bと、導電体485cと、導電体485dと、導電体487aと、導電体487bと、導電体487cと、導電体488aと、導電体488bと、導電体488cと、導電体490aと、導電体490bと、導電体489aと、導電体489bと、導電体491aと、導電体491bと、導電体491cと、導電体492aと、導電体492bと、導電体492cと、導電体494と、導電体496と、絶縁体406a、半導体406b、絶縁体406cと、を有する。 58 includes an insulator 464, an insulator 466, an insulator 468, an insulator 470, an insulator 472, an insulator 475, an insulator 402, an insulator 410, and an insulator. 408, an insulator 428, an insulator 465, an insulator 467, an insulator 469, an insulator 498, a conductor 480a, a conductor 480b, a conductor 480c, a conductor 478a, and a conductor 478b, a conductor 478c, a conductor 476a, a conductor 476b, a conductor 476c, a conductor 479a, a conductor 479b, a conductor 479c, a conductor 477a, a conductor 477b, and a conductor 477c, a conductor 484a, a conductor 484b, a conductor 484c, a conductor 484d, a conductor 483a, a conductor 483b, a conductor 483c, a conductor 483d, a conductor, A conductor 483e, a conductor 483f, a conductor 485a, a conductor 485b, a conductor 485c, a conductor 485d, a conductor 487a, a conductor 487b, a conductor 487c, a conductor 488a, and a conductor Body 488b, conductor 488c, conductor 490a, conductor 490b, conductor 489a, conductor 489b, conductor 491a, conductor 491b, conductor 491c, conductor 492a, conductor A body 492b, a conductor 492c, a conductor 494, a conductor 496, an insulator 406a, a semiconductor 406b, and an insulator 406c are included.

絶縁体464は、トランジスタ3200上に配置する。また、絶縁体466は、絶縁体464上に配置する。また、絶縁体468は、絶縁体466上に配置する。また、絶縁体470は、絶縁体468上に配置する。また、絶縁体472は、絶縁体470上に配置する。また、絶縁体475は、絶縁体472上に配置する。また、トランジスタ3300は、絶縁体475上に配置する。また、絶縁体408は、トランジスタ3300上に配置する。また、絶縁体428は、絶縁体408上に配置する。また、絶縁体465は、絶縁体428上に配置される。また、容量素子3400は、絶縁体465上に配置される。また、絶縁体469は、容量素子3400上に配置される。 The insulator 464 is provided over the transistor 3200. The insulator 466 is provided over the insulator 464. The insulator 468 is provided over the insulator 466. The insulator 470 is provided over the insulator 468. The insulator 472 is provided over the insulator 470. The insulator 475 is disposed over the insulator 472. The transistor 3300 is provided over the insulator 475. The insulator 408 is provided over the transistor 3300. The insulator 428 is provided over the insulator 408. Further, the insulator 465 is disposed over the insulator 428. In addition, the capacitor 3400 is provided over the insulator 465. The insulator 469 is provided over the capacitor 3400.

絶縁体464は、領域474aに達する開口部と、領域474bに達する開口部と、導電体454に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体480a、導電体480bまたは導電体480cが埋め込まれている。 The insulator 464 includes an opening reaching the region 474a, an opening reaching the region 474b, and an opening reaching the conductor 454. In addition, a conductor 480a, a conductor 480b, or a conductor 480c is embedded in each opening.

また、絶縁体466は、導電体480aに達する開口部と、導電体480bに達する開口部と、導電体480cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体478a、導電体478bまたは導電体478cが埋め込まれている。 The insulator 466 includes an opening reaching the conductor 480a, an opening reaching the conductor 480b, and an opening reaching the conductor 480c. In addition, a conductor 478a, a conductor 478b, or a conductor 478c is embedded in each opening.

また、絶縁体468は、導電体478aに達する開口部と、導電体478bに達する開口部と、導電体478cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体476a、導電体476bまたは導電体476cが埋め込まれている。 The insulator 468 includes an opening reaching the conductor 478a, an opening reaching the conductor 478b, and an opening reaching the conductor 478c. In addition, a conductor 476a, a conductor 476b, or a conductor 476c is embedded in each opening.

また、絶縁体468上に、導電体476aと接する導電体479aと、導電体476bと接する導電体479bと、導電体476cと接する導電体479cと、を有する。また、絶縁体472は、絶縁体470を通って導電体479aに達する開口部と、絶縁体470通って導電体479bに達する開口部と、絶縁体470を通って導電体479cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体477a、477bまたは477cが埋め込まれている。 Further, over the insulator 468, a conductor 479a in contact with the conductor 476a, a conductor 479b in contact with the conductor 476b, and a conductor 479c in contact with the conductor 476c are provided. The insulator 472 includes an opening reaching the conductor 479a through the insulator 470, an opening reaching the conductor 479b through the insulator 470, and an opening reaching the conductor 479c through the insulator 470. Have. In addition, conductors 477a, 477b, or 477c are embedded in the openings, respectively.

また、絶縁体475は、トランジスタ3300のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電体477aに達する開口部と、導電体477bに達する開口部と、導電体477cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体484d、導電体484a、導電体484bまたは導電体484cが埋め込まれている。 The insulator 475 includes an opening overlapping with the channel formation region of the transistor 3300, an opening reaching the conductor 477a, an opening reaching the conductor 477b, and an opening reaching the conductor 477c. In addition, a conductor 484d, a conductor 484a, a conductor 484b, or a conductor 484c is embedded in each opening.

また、導電体484dは、トランジスタ3300のボトムゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電体484dに一定の電位を印加することで、トランジスタ3300のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体484dとトランジスタ3300のトップゲート電極とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ3300のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ3300の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。 The conductor 484d may function as a bottom gate electrode of the transistor 3300. Alternatively, for example, electrical characteristics such as a threshold voltage of the transistor 3300 may be controlled by applying a certain potential to the conductor 484d. Alternatively, for example, the conductor 484d and the top gate electrode of the transistor 3300 may be electrically connected. Thus, the on-state current of the transistor 3300 can be increased. In addition, since the punch-through phenomenon can be suppressed, electrical characteristics in the saturation region of the transistor 3300 can be stabilized.

また、絶縁体402は、導電体484aに達する開口部と、導電体484cに達する開口部と、を有する。 The insulator 402 includes an opening reaching the conductor 484a and an opening reaching the conductor 484c.

また、絶縁体428は、絶縁体408、絶縁体410および絶縁体402を通って導電体484aに達する3つの開口部と、絶縁体408および絶縁体410を通ってトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方の導電体に達する2つの開口部と、絶縁体408通ってトランジスタ3300のゲート電極の導電体に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体483a、導電体483b、導電体483c、導電体483e、導電体483fまたは導電体483dが埋め込まれている。 The insulator 428 includes three openings reaching the conductor 484a through the insulator 408, the insulator 410, and the insulator 402, and the source electrode or the drain electrode of the transistor 3300 through the insulator 408 and the insulator 410. And two openings reaching one of the conductors, and an opening reaching the conductor of the gate electrode of the transistor 3300 through the insulator 408. In addition, a conductor 483a, a conductor 483b, a conductor 483c, a conductor 483e, a conductor 483f, or a conductor 483d are embedded in the openings.

また、絶縁体428上に、導電体483aおよび483eと接する導電体485aと、導電体483bと接する導電体485bと、導電体483cおよび導電体483fと接する導電体485cと、導電体483dと接する導電体485dと、を有する。また、絶縁体465は、導電体485aに達する開口部と、導電体485bに達する開口部と、導電体485cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体487a、導電体487bまたは導電体487cが埋め込まれている。 Further, over the insulator 428, a conductor 485a in contact with the conductors 483a and 483e, a conductor 485b in contact with the conductor 483b, a conductor 485c in contact with the conductor 483c and the conductor 483f, and a conductor in contact with the conductor 483d And a body 485d. The insulator 465 includes an opening reaching the conductor 485a, an opening reaching the conductor 485b, and an opening reaching the conductor 485c. In addition, a conductor 487a, a conductor 487b, or a conductor 487c is embedded in each opening.

また絶縁体465上に、導電体487aと接する導電体488aと、導電体487bと接する導電体488bと、導電体487cと接する導電体488cと、を有する。また、絶縁体467は、導電体488aに達する開口部と、導電体488bに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体490aまたは導電体490bが埋め込まれている。また、導電体488cは容量素子3400の一方の電極の導電体494と接している。 Further, over the insulator 465, a conductor 488a in contact with the conductor 487a, a conductor 488b in contact with the conductor 487b, and a conductor 488c in contact with the conductor 487c are provided. The insulator 467 includes an opening reaching the conductor 488a and an opening reaching the conductor 488b. In addition, a conductor 490a or a conductor 490b is embedded in each opening. In addition, the conductor 488c is in contact with the conductor 494 of one electrode of the capacitor 3400.

また、絶縁体467上に、導電体490aと接する導電体489aと、導電体490bと接する導電体489bと、を有する。また、絶縁体469は、導電体489aに達する開口部と、導電体489bに達する開口部と、容量素子3400の他方の電極である導電体496に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体491a、導電体491bまたは導電体491cが埋め込まれている。 Further, over the insulator 467, a conductor 489a in contact with the conductor 490a and a conductor 489b in contact with the conductor 490b are provided. The insulator 469 includes an opening reaching the conductor 489a, an opening reaching the conductor 489b, and an opening reaching the conductor 496 which is the other electrode of the capacitor 3400. In addition, a conductor 491a, a conductor 491b, or a conductor 491c is embedded in each opening.

また、絶縁体469上には、導電体491aと接する導電体492aと、導電体491bと接する導電体492bと、導電体491cと接する導電体492cと、を有する。 Further, over the insulator 469, a conductor 492a in contact with the conductor 491a, a conductor 492b in contact with the conductor 491b, and a conductor 492c in contact with the conductor 491c are provided.

絶縁体464、絶縁体466、絶縁体468、絶縁体470、絶縁体472、絶縁体475、絶縁体402、絶縁体410、絶縁体408、絶縁体428、絶縁体465、絶縁体467、絶縁体469および絶縁体498としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。特に、絶縁体498としては、例えば導電体494を酸化して形成した絶縁体を用いても良い。また、該絶縁体と酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、酸化シリコン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどとの多層膜とすることもできる。例えば、絶縁体401としては、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。 Insulator 464, insulator 466, insulator 468, insulator 470, insulator 472, insulator 475, insulator 402, insulator 410, insulator 408, insulator 428, insulator 465, insulator 467, insulator Examples of the insulating material 469 and the insulator 498 include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum. The body may be used in a single layer or a stack. In particular, as the insulator 498, for example, an insulator formed by oxidizing the conductor 494 may be used. In addition, the insulator and metal oxide such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide, silicon oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride It can also be a multilayer film. For example, as the insulator 401, 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, or oxide Tantalum may be used.

絶縁体464、絶縁体466、絶縁体468、絶縁体470、絶縁体472、絶縁体475、絶縁体402、絶縁体410、絶縁体408、絶縁体428、絶縁体465、絶縁体467、絶縁体469または絶縁体498の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ3300の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ3300の電気特性を安定にすることができる。 Insulator 464, insulator 466, insulator 468, insulator 470, insulator 472, insulator 475, insulator 402, insulator 410, insulator 408, insulator 428, insulator 465, insulator 467, insulator One or more of 469 or the insulator 498 preferably includes an insulator having a function of blocking impurities such as hydrogen and oxygen. When an insulator having a function of blocking impurities such as hydrogen and oxygen is provided in the vicinity of the transistor 3300, electrical characteristics of the transistor 3300 can be stabilized.

水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 Examples of the insulator having a function of blocking impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, and lanthanum. An insulator containing neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer.

導電体480a、導電体480bと、導電体480c、導電体478a、導電体478b、導電体478c、導電体476a、導電体476b、導電体476c、導電体479a、導電体479b、導電体479c、導電体477a、導電体477b、導電体477c、導電体484a、導電体484b、導電体484c、導電体484d、導電体483a、導電体483bと、導電体483c、導電体483d、導電体483e、導電体483f、導電体485a、導電体485b、導電体485c、導電体485d、導電体487a、導電体487b、導電体487c、導電体488a、導電体488b、導電体488c、導電体490a、導電体490bと、導電体489a、導電体489bと、導電体491a、導電体491b、導電体491c、導電体492a、導電体492b、導電体492c、導電体494および導電体496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、合金や化合物であってもよく、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、タングステンおよびシリコンを含む導電体などを用いてもよい。 Conductor 480a, conductor 480b, conductor 480c, conductor 478a, conductor 478b, conductor 478c, conductor 476a, conductor 476b, conductor 476c, conductor 479a, conductor 479b, conductor 479c, conductor Body 477a, conductor 477b, conductor 477c, conductor 484a, conductor 484b, conductor 484c, conductor 484d, conductor 483a, conductor 483b, conductor 483c, conductor 483d, conductor 483e, conductor 483f, conductor 485a, conductor 485b, conductor 485c, conductor 485d, conductor 487a, conductor 487b, conductor 487c, conductor 488a, conductor 488b, conductor 488c, conductor 490a, conductor 490b , Conductor 489a, conductor 489b, conductor 491a, conductor 491b, conductor Examples of the body 491c, the conductor 492a, the conductor 492b, the conductor 492c, the conductor 494, and the conductor 496 include boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, and nickel. A conductor containing one or more of copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, indium, tin, tantalum, and tungsten may be used in a single layer or a stacked layer. For example, it may be an alloy or a compound, a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, a conductor containing titanium and nitrogen Alternatively, a conductor containing tungsten and silicon may be used.

半導体406bとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。ただし、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、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。 An oxide semiconductor is preferably used as the semiconductor 406b. However, silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, an organic semiconductor, or the like may be used.

絶縁体406aおよび絶縁体406cとしては、半導体406b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を用いることが望ましい。ただし、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、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。 As the insulator 406a and the insulator 406c, an oxide including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor 406b or two or more elements is preferably used. However, silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, an organic semiconductor, or the like may be used.

トランジスタ3200のソースまたはドレインは、導電体480aと、導電体478aと、導電体476aと、導電体479aと、導電体477aと、導電体484aと、導電体483aと、導電体485aと、導電体483eと、を介してトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体と電気的に接続する。また、トランジスタ3200のゲート電極である導電体454は、導電体480cと、導電体478cと、導電体476cと、導電体479cと、導電体477cと、導電体484cと、導電体483cと、導電体485cと、導電体483fと、を介してトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体と電気的に接続する。 The source or the drain of the transistor 3200 includes a conductor 480a, a conductor 478a, a conductor 476a, a conductor 479a, a conductor 477a, a conductor 484a, a conductor 483a, a conductor 485a, and a conductor 483e is electrically connected to a conductor which is one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300. The conductor 454 that is a gate electrode of the transistor 3200 includes a conductor 480c, a conductor 478c, a conductor 476c, a conductor 479c, a conductor 477c, a conductor 484c, a conductor 483c, and a conductor 483c. It is electrically connected to a conductor which is the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 3300 through the body 485c and the conductor 483f.

容量素子3400は、トランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方の電極と、導電体483cと、導電体485cと、導電体487cと、導電体488cと、を介して容量素子3400の一方の電極と電気的に接続する導電体494と、絶縁体498と、容量素子3400の他方の電極である導電体496と、を有する。なお、容量素子3400は、トランジスタ3300の上方または下方に形成することで、半導体装置の大きさを縮小することができて好適である。 The capacitor 3400 includes one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300, a conductor 483c, a conductor 485c, a conductor 487c, and a conductor 488c, and one electrode of the capacitor 3400 A conductor 494 which is electrically connected, an insulator 498, and a conductor 496 which is the other electrode of the capacitor 3400 are included. Note that it is preferable that the capacitor 3400 be formed above or below the transistor 3300 because the size of the semiconductor device can be reduced.

本実施の形態では、トランジスタ3200上にトランジスタ3300を有し、トランジスタ3300上に容量素子3400を有する半導体装置の一例を示したが、トランジスタ3200上にトランジスタ3300と同様の半導体を有するトランジスタを一以上有する構成としても構わない。または、トランジスタ3200の上に容量素子3400を有し、容量素子3400上にトランジスタ3300を有してもよい。このような構成とすることで半導体装置の集積度をより高めることができる(図59参照。)。 Although an example of a semiconductor device including the transistor 3300 over the transistor 3200 and the capacitor 3400 over the transistor 3300 is described in this embodiment, one or more transistors including the same semiconductor as the transistor 3300 are included over the transistor 3200. It does not matter even if it has a configuration. Alternatively, the capacitor 3400 may be provided over the transistor 3200 and the transistor 3300 may be provided over the capacitor 3400. With such a structure, the degree of integration of the semiconductor device can be further increased (see FIG. 59).

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

(実施の形態11)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の一例について説明する。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of an imaging device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.

<撮像装置>
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
<Imaging device>
The imaging device according to one embodiment of the present invention is described below.

図60(A)は、本発明の一態様に係る撮像装置600の例を示す平面図である。撮像装置600は、画素部610と、画素部610を駆動するための周辺回路660と、周辺回路670、周辺回路680と、周辺回路690と、を有する。画素部610は、p行q列(pおよびqは2以上の整数)のマトリクス状に配置された複数の画素611を有する。周辺回路660、周辺回路670、周辺回路680および周辺回路690は、それぞれ複数の画素611に接続し、複数の画素611を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路660、周辺回路670、周辺回路680および周辺回路690などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路660は周辺回路の一部といえる。 FIG. 60A is a plan view illustrating an example of an imaging device 600 according to one embodiment of the present invention. The imaging device 600 includes a pixel portion 610, a peripheral circuit 660 for driving the pixel portion 610, a peripheral circuit 670, a peripheral circuit 680, and a peripheral circuit 690. The pixel portion 610 includes a plurality of pixels 611 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are integers of 2 or more). The peripheral circuit 660, the peripheral circuit 670, the peripheral circuit 680, and the peripheral circuit 690 are each connected to the plurality of pixels 611 and have a function of supplying signals for driving the plurality of pixels 611. Note that in this specification and the like, the peripheral circuit 660, the peripheral circuit 670, the peripheral circuit 680, the peripheral circuit 690, and the like are all referred to as “peripheral circuits” or “driving circuits” in some cases. For example, the peripheral circuit 660 can be said to be part of the peripheral circuit.

また、撮像装置600は、光源691を有することが好ましい。光源691は、検出光P1を放射することができる。 In addition, the imaging apparatus 600 preferably includes a light source 691. The light source 691 can emit detection light P1.

また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の1つを有する。また、周辺回路は、画素部610を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路の一部または全部にICチップ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路660、周辺回路670、周辺回路680および周辺回路690のいずれか一以上を省略してもよい。 The peripheral circuit includes at least one of a logic circuit, a switch, a buffer, an amplifier circuit, and a conversion circuit. The peripheral circuit may be formed over a substrate over which the pixel portion 610 is formed. Further, a semiconductor device such as an IC chip may be used for part or all of the peripheral circuit. Note that one or more of the peripheral circuit 660, the peripheral circuit 670, the peripheral circuit 680, and the peripheral circuit 690 may be omitted as the peripheral circuit.

また、図60(B)に示すように、撮像装置600が有する画素部610において、画素611を傾けて配置してもよい。画素611を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔(ピッチ)を短くすることができる。これにより、撮像装置600における撮像の品質をより高めることができる。 In addition, as illustrated in FIG. 60B, in the pixel portion 610 included in the imaging device 600, the pixel 611 may be arranged to be inclined. By arranging the pixels 611 at an angle, the pixel interval (pitch) in the row direction and the column direction can be shortened. Thereby, the quality of imaging in the imaging apparatus 600 can be further improved.

<画素の構成例1>
撮像装置600が有する1つの画素611を複数の副画素612で構成し、それぞれの副画素612に特定の波長域の光を透過するフィルタ(カラーフィルタ)を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
<Pixel Configuration Example 1>
A single pixel 611 included in the imaging device 600 is configured by a plurality of subpixels 612, and a color image display is realized by combining each subpixel 612 with a filter (color filter) that transmits light in a specific wavelength range. Information can be acquired.

図61(A)は、カラー画像を取得するための画素611の一例を示す平面図である。図61(A)に示す画素611は、赤(R)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612(以下、「副画素612R」ともいう)、緑(G)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612(以下、「副画素612G」ともいう)および青(B)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612(以下、「副画素612B」ともいう)を有する。副画素612は、フォトセンサとして機能させることができる。 FIG. 61A is a plan view illustrating an example of a pixel 611 for obtaining a color image. A pixel 611 illustrated in FIG. 61A includes a subpixel 612 (hereinafter also referred to as “subpixel 612R”) provided with a color filter that transmits light in the red (R) wavelength region, and a green (G) wavelength. A subpixel 612 (hereinafter also referred to as “subpixel 612G”) provided with a color filter that transmits light in the region and a subpixel 612 (hereinafter referred to as color filter that transmits light in the blue (B) wavelength region). , Also referred to as “sub-pixel 612B”. The sub-pixel 612 can function as a photosensor.

副画素612(副画素612R、副画素612G、および副画素612B)は、配線631、配線647、配線648、配線649、配線650と電気的に接続される。また、副画素612R、副画素612G、および副画素612Bは、それぞれが独立した配線653に接続している。また、本明細書等において、例えばn行目の画素611に接続された配線648および配線649を、それぞれ配線648[n]および配線649[n]と記載する。また、例えばm列目の画素611に接続された配線653を、配線653[m]と記載する。なお、図60(A)において、m列目の画素611が有する副画素612Rに接続する配線653を配線653[m]R、副画素612Gに接続する配線653を配線653[m]G、および副画素612Bに接続する配線653を配線653[m]Bと記載している。副画素612は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。 The sub-pixel 612 (the sub-pixel 612R, the sub-pixel 612G, and the sub-pixel 612B) is electrically connected to the wiring 631, the wiring 647, the wiring 648, the wiring 649, and the wiring 650. In addition, the subpixel 612R, the subpixel 612G, and the subpixel 612B are each connected to an independent wiring 653. In this specification and the like, for example, the wiring 648 and the wiring 649 connected to the pixel 611 in the n-th row are referred to as a wiring 648 [n] and a wiring 649 [n], respectively. For example, the wiring 653 connected to the pixel 611 in the m-th column is referred to as a wiring 653 [m]. 60A, the wiring 653 connected to the subpixel 612R included in the pixel 611 in the m-th column is the wiring 653 [m] R, the wiring 653 connected to the subpixel 612G is the wiring 653 [m] G, and A wiring 653 connected to the subpixel 612B is described as a wiring 653 [m] B. The sub-pixel 612 is electrically connected to the peripheral circuit through the wiring.

また、撮像装置600は、隣接する画素611の、同じ波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図61(B)に、n行(nは1以上p以下の整数)m列(mは1以上q以下の整数)に配置された画素611が有する副画素612と、該画素611に隣接するn+1行m列に配置された画素611が有する副画素612の接続例を示す。図61(B)において、n行m列に配置された副画素612Rと、n+1行m列に配置された副画素612Rがスイッチ601を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素612Gと、n+1行m列に配置された副画素612Gがスイッチ602を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素612Bと、n+1行m列に配置された副画素612Bがスイッチ603を介して接続されている。 In addition, the imaging device 600 has a configuration in which the sub-pixels 612 provided with color filters that transmit light in the same wavelength region of the adjacent pixels 611 are electrically connected via a switch. FIG. 61B illustrates a subpixel 612 included in a pixel 611 arranged in n rows (n is an integer of 1 to p) and m columns (m is an integer of 1 to q), and is adjacent to the pixel 611. An example of connection of sub-pixels 612 included in pixels 611 arranged in n + 1 rows and m columns is shown. In FIG. 61B, a subpixel 612R arranged in n rows and m columns and a subpixel 612R arranged in n + 1 rows and m columns are connected through a switch 601. Further, the sub-pixel 612G arranged in n rows and m columns and the sub-pixel 612G arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 602. In addition, a subpixel 612B arranged in n rows and m columns and a subpixel 612B arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 603.

なお、副画素612に用いるカラーフィルタは、赤(R)、緑(G)、青(B)に限定されず、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。1つの画素611に3種類の異なる波長域の光を検出する副画素612を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。 Note that the color filter used for the sub-pixel 612 is not limited to red (R), green (G), and blue (B), and transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, respectively. A color filter may be used. A full-color image can be acquired by providing the sub-pixel 612 that detects light of three different wavelength ranges in one pixel 611.

または、それぞれ赤(R)、緑(G)および青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612に加えて、黄(Y)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612を有する画素611を用いてもよい。または、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612に加えて、青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素612を有する画素611を用いてもよい。1つの画素611に4種類の異なる波長域の光を検出する副画素612を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。 Alternatively, in addition to the sub-pixel 612 provided with a color filter that transmits red (R), green (G), and blue (B) light, a color filter that transmits yellow (Y) light is provided. A pixel 611 including the sub-pixel 612 may be used. Alternatively, in addition to the sub-pixel 612 provided with a color filter that transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, a color filter that transmits blue (B) light is provided. A pixel 611 including the sub-pixel 612 may be used. By providing the sub-pixel 612 for detecting light of four different wavelength ranges in one pixel 611, the color reproducibility of the acquired image can be further improved.

また、例えば、図61(A)において、赤の波長域を検出する副画素612、緑の波長域を検出する副画素612、および青の波長域を検出する副画素612の画素数比(または受光面積比)は、1:1:1でなくても構わない。例えば、画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:2:1とするBayer配列としてもよい。または、画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:6:1としてもよい。 Further, for example, in FIG. 61A, a pixel number ratio (or a sub-pixel 612 that detects a red wavelength range, a sub-pixel 612 that detects a green wavelength range, and a sub-pixel 612 that detects a blue wavelength range) (or (Light receiving area ratio) may not be 1: 1: 1. For example, a Bayer array in which the pixel number ratio (light receiving area ratio) is red: green: blue = 1: 2: 1 may be used. Alternatively, the pixel number ratio (light receiving area ratio) may be red: green: blue = 1: 6: 1.

なお、画素611に設ける副画素612は1つでもよいが、2つ以上が好ましい。例えば、同じ波長域を検出する副画素612を2つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置600の信頼性を高めることができる。 Note that the number of subpixels 612 provided in the pixel 611 may be one, but two or more are preferable. For example, by providing two or more subpixels 612 that detect the same wavelength region, redundancy can be increased and the reliability of the imaging apparatus 600 can be increased.

また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するIR(IR:Infrared)フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置600を実現することができる。 In addition, by using an IR (IR: Infrared) filter that absorbs or reflects visible light and transmits infrared light, an imaging device 600 that detects infrared light can be realized.

また、ND(ND:Neutral Density)フィルタ(減光フィルタ)を用いることで、光電変換素子(受光素子)に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるNDフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。 Further, by using an ND (ND: Neutral Density) filter (a neutral density filter), it is possible to prevent output saturation that occurs when a large amount of light enters the photoelectric conversion element (light receiving element). By using a combination of ND filters having different light reduction amounts, the dynamic range of the imaging apparatus can be increased.

また、前述したフィルタ以外に、画素611にレンズを設けてもよい。ここで、図62の断面図を用いて、画素611、フィルタ654、レンズ655の配置例を説明する。レンズ655を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図62(A)に示すように、画素611に形成したレンズ655、フィルタ654(フィルタ654R、フィルタ654Gおよびフィルタ654B)、および画素回路630等を通して光656を光電変換素子620に入射させる構造とすることができる。 In addition to the filter described above, a lens may be provided in the pixel 611. Here, an arrangement example of the pixel 611, the filter 654, and the lens 655 will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. By providing the lens 655, the photoelectric conversion element can receive incident light efficiently. Specifically, as illustrated in FIG. 62A, the light 656 is transmitted to the photoelectric conversion element 620 through the lens 655 formed in the pixel 611, the filter 654 (filter 654R, filter 654G, and filter 654B), the pixel circuit 630, and the like. It can be set as the structure made to enter.

ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光656の一部が配線657の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図62(B)に示すように光電変換素子620側にレンズ655およびフィルタ654を配置して、光電変換素子620が光656を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子620側から光656を光電変換素子620に入射させることで、検出感度の高い撮像装置600を提供することができる。 Note that part of the light 656 indicated by the arrow may be blocked by part of the wiring 657 as shown in the region surrounded by the alternate long and short dash line. Therefore, a structure in which a lens 655 and a filter 654 are provided on the photoelectric conversion element 620 side so that the photoelectric conversion element 620 efficiently receives the light 656 as illustrated in FIG. 62B is preferable. By making the light 656 enter the photoelectric conversion element 620 from the photoelectric conversion element 620 side, the imaging device 600 with high detection sensitivity can be provided.

図62に示す光電変換素子620として、pn型接合またはpin型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。 As the photoelectric conversion element 620 illustrated in FIG. 62, a photoelectric conversion element in which a pn-type junction or a pin-type junction is formed may be used.

また、光電変換素子620を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質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機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。 Alternatively, the photoelectric conversion element 620 may be formed using a substance having a function of generating charges by absorbing radiation. Examples of the substance having a function of absorbing radiation and generating a charge include selenium, lead iodide, mercury iodide, gallium arsenide, cadmium telluride, and cadmium zinc alloy.

例えば、光電変換素子620にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、X線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子620を実現できる。 For example, when selenium is used for the photoelectric conversion element 620, the photoelectric conversion element 620 having a light absorption coefficient over a wide wavelength range such as X-rays and gamma rays in addition to visible light, ultraviolet light, and infrared light can be realized.

ここで、撮像装置600が有する1つの画素611は、図62に示す副画素612に加えて、第1のフィルタを有する副画素612を有してもfよい。 Here, one pixel 611 included in the imaging device 600 may include a sub-pixel 612 including a first filter in addition to the sub-pixel 612 illustrated in FIG.

<画素の構成例2>
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。各トランジスタは上記実施の形態に示すものと同様のトランジスタを用いることができる。
<Pixel Configuration Example 2>
Hereinafter, an example in which a pixel is formed using a transistor including silicon and a transistor including an oxide semiconductor will be described. As each transistor, a transistor similar to that described in the above embodiment can be used.

図63は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図63に示す撮像装置は、シリコン基板300に設けられたシリコンを用いたトランジスタ351、トランジスタ351上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ352およびトランジスタ353、ならびにシリコン基板300に設けられたフォトダイオード360を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード360は、種々のプラグ370および配線371と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード360のアノード361は、低抵抗領域363を介してプラグ370と電気的に接続を有する。 FIG. 63 is a cross-sectional view of elements constituting the imaging device. 63 includes a transistor 351 using silicon provided over a silicon substrate 300, a transistor 352 and a transistor 353 using oxide semiconductor layers stacked over the transistor 351, and the silicon substrate 300. Photodiode 360. Each transistor and photodiode 360 has electrical connection with various plugs 370 and wirings 371. Further, the anode 361 of the photodiode 360 is electrically connected to the plug 370 through the low resistance region 363.

また撮像装置は、シリコン基板300に設けられたトランジスタ351およびフォトダイオード360を有する層310と、層310と接して設けられ、配線371を有する層320と、層320と接して設けられ、トランジスタ352およびトランジスタ353を有する層330と、層330と接して設けられ、配線372および配線373を有する層340を備えている。 The imaging device is provided in contact with the layer 310 including the transistor 351 and the photodiode 360 provided over the silicon substrate 300, the layer 320 including the wiring 371, and the layer 320 including the wiring 371. A layer 330 including the transistor 353, and a layer 340 provided in contact with the layer 330 and including a wiring 372 and a wiring 373.

なお図63の断面図の一例では、シリコン基板300において、トランジスタ351が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード360の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード360の受光面をトランジスタ351が形成された面と同じとすることもできる。 Note that in the example of the cross-sectional view of FIG. 63, the silicon substrate 300 has a light receiving surface of the photodiode 360 on the surface opposite to the surface on which the transistor 351 is formed. With this configuration, an optical path can be secured without being affected by various transistors and wirings. Therefore, a pixel with a high aperture ratio can be formed. Note that the light receiving surface of the photodiode 360 may be the same as the surface on which the transistor 351 is formed.

なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層310を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層310を省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。 Note that in the case where a pixel is formed using only a transistor including an oxide semiconductor, the layer 310 may be a layer including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, the layer 310 may be omitted, and the pixel may be formed using only a transistor including an oxide semiconductor.

なお、シリコン基板300は、SOI基板であってもよい。また、シリコン基板300に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。 Note that the silicon substrate 300 may be an SOI substrate. Further, instead of the silicon substrate 300, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor substrate can be used.

ここで、トランジスタ351およびフォトダイオード360を有する層310と、トランジスタ352およびトランジスタ353を有する層330と、の間には絶縁体380が設けられる。ただし、絶縁体380の位置は限定されない。また、絶縁体380の下に絶縁体379が設けられ、絶縁体380の上に絶縁体381が設けられる。 Here, an insulator 380 is provided between the layer 310 including the transistor 351 and the photodiode 360 and the layer 330 including the transistor 352 and the transistor 353. However, the position of the insulator 380 is not limited. An insulator 379 is provided below the insulator 380, and an insulator 381 is provided on the insulator 380.

絶縁体379乃至絶縁体380に設けられた開口に、導電体390a乃至導電体390eが設けられている。導電体390a、導電体390b及び導電体390eは、プラグ及び配線として機能する。また、導電体390cは、トランジスタ353のバックゲートとして機能する。また、導電体390dは、トランジスタ352のバックゲートとして機能する。 Conductors 390 a to 390 e are provided in openings provided in the insulators 379 to 380. The conductor 390a, the conductor 390b, and the conductor 390e function as a plug and a wiring. In addition, the conductor 390c functions as a back gate of the transistor 353. The conductor 390d functions as a back gate of the transistor 352.

トランジスタ351のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体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351の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ352およびトランジスタ353などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、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。そのため、トランジスタ352およびトランジスタ353など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、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体380を設けることが好ましい。絶縁体380より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ351の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体380より下層から、絶縁体380より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ352およびトランジスタ353などの信頼性を向上させることができる。さらに、導電体390a、導電体390b及び導電体390eが形成されることにより、絶縁体380に形成されているビアホールを通じて上層に水素が拡散することも抑制できるため、トランジスタ352およびトランジスタ353などの信頼性を向上させることができる。 Hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the channel formation region of the transistor 351 has an effect of terminating the dangling bond of silicon and improving the reliability of the transistor 351. On the other hand, hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the transistor 352, the transistor 353, and the like is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor. Therefore, the reliability of the transistor 352, the transistor 353, and the like may be reduced. Therefore, in the case where a transistor including an oxide semiconductor is stacked over a transistor including a silicon-based semiconductor, an insulator 380 having a function of blocking hydrogen is preferably provided therebetween. By confining hydrogen below the insulator 380, the reliability of the transistor 351 can be improved. Further, since diffusion of hydrogen from a lower layer than the insulator 380 to an upper layer than the insulator 380 can be suppressed, reliability of the transistor 352, the transistor 353, and the like can be improved. Further, since the conductor 390a, the conductor 390b, and the conductor 390e are formed, hydrogen can be prevented from diffusing into an upper layer through the via hole formed in the insulator 380, so that the reliability of the transistor 352, the transistor 353, and the like can be reduced. Can be improved.

また、図63の断面図において、層310に設けるフォトダイオード360と、層330に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。 63, the photodiode 360 provided in the layer 310 and the transistor provided in the layer 330 can be formed so as to overlap with each other. Then, the integration degree of pixels can be increased. That is, the resolution of the imaging device can be increased.

また、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。 Further, a part or all of the imaging device may be curved. By curving the imaging device, field curvature and astigmatism can be reduced. Therefore, optical design of a lens or the like used in combination with the imaging device can be facilitated. For example, since the number of lenses for aberration correction can be reduced, it is possible to reduce the size and weight of an electronic device using an imaging device. In addition, the quality of the captured image can be improved.

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

(実施の形態12)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュール及び電子機器について、図64乃至図66を用いて説明を行う。
(Embodiment 12)
In this embodiment, a display module and an electronic device each including the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<10−1.表示モジュール>
図64に示す表示モジュール8000は、上部カバー8001と下部カバー8002との間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続された表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板8010、バッテリ8011を有する。
<10-1. Display module>
A display module 8000 shown in FIG. 64 includes a touch panel 8004 connected to the FPC 8003, a display panel 8006 connected to the FPC 8005, a backlight 8007, a frame 8009, a printed circuit board 8010, a battery, between the upper cover 8001 and the lower cover 8002. 8011.

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

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

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

バックライト8007は、光源8008を有する。なお、図64において、バックライト8007上に光源8008を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例えば、バックライト8007の端部に光源8008を配置し、さらに光拡散板を用いる構成としてもよい。なお、有機EL素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射型パネル等の場合においては、バックライト8007を設けない構成としてもよい。 The backlight 8007 has a light source 8008. Note that although FIG. 64 illustrates the configuration in which the light source 8008 is provided over the backlight 8007, the present invention is not limited to this. For example, a light source 8008 may be provided at the end of the backlight 8007 and a light diffusing plate may be used. Note that in the case of using a self-luminous light-emitting element such as an organic EL element, or in the case of a reflective panel or the like, the backlight 8007 may be omitted.

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

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

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

<10−2.電子機器>
図65(A)乃至図65(G)は、電子機器を示す図である。これらの電子機器は、筐体9000、表示部9001、スピーカ9003、操作キー9005(電源スイッチ、又は操作スイッチを含む)、接続端子9006、センサ9007(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの)、マイクロフォン9008、等を有することができる。
<10-2. Electronic equipment>
FIGS. 65A to 65G illustrate electronic devices. These electronic devices include a housing 9000, a display portion 9001, a speaker 9003, operation keys 9005 (including a power switch or operation switch), a connection terminal 9006, and a sensor 9007 (force, displacement, position, speed, acceleration, angular velocity, Includes functions to measure rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical, sound, time, hardness, electric field, current, voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor or infrared ), A microphone 9008, and the like.

図65(A)乃至図65(G)に示す電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信または受信を行う機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して表示部に表示する機能、等を有することができる。なお、図65(A)乃至図65(G)に示す電子機器が有することのできる機能はこれらに限定されず、様々な機能を有することができる。また、図65(A)乃至図65(G)には図示していないが、電子機器には、複数の表示部を有する構成としてもよい。また、該電子機器にカメラ等を設け、静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を記録媒体(外部またはカメラに内蔵)に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。 The electronic devices illustrated in FIGS. 65A to 65G can have a variety of functions. For example, a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function for displaying a calendar, date or time, a function for controlling processing by various software (programs), Wireless communication function, function for connecting to various computer networks using the wireless communication function, function for transmitting or receiving various data using the wireless communication function, and reading and displaying the program or data recorded on the recording medium It can have a function of displaying on the section. Note that the functions of the electronic devices illustrated in FIGS. 65A to 65G are not limited to these, and can have various functions. Although not illustrated in FIGS. 65A to 65G, the electronic device may have a plurality of display portions. In addition, the electronic device is equipped with a camera, etc., to capture still images, to capture moving images, to store captured images on a recording medium (externally or built into the camera), and to display captured images on the display unit And the like.

図65(A)乃至図65(G)に示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。 Details of the electronic devices illustrated in FIGS. 65A to 65G are described below.

図65(A)は、テレビジョン装置9100を示す斜視図である。テレビジョン装置9100は、表示部9001を大画面、例えば、50インチ以上、または100インチ以上の表示部9001を組み込むことが可能である。 FIG. 65A is a perspective view illustrating a television device 9100. FIG. The television device 9100 can incorporate the display portion 9001 with a large screen, for example, a display portion 9001 with a size of 50 inches or more, or 100 inches or more.

図65(B)は、携帯情報端末9101を示す斜視図である。携帯情報端末9101は、例えば電話機、手帳又は情報閲覧装置等から選ばれた一つ又は複数の機能を有する。具体的には、スマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末9101は、スピーカ9003、接続端子9006、センサ9007等を設けてもよい。また、携帯情報端末9101は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。例えば、3つの操作ボタン9050(操作アイコンまたは単にアイコンともいう)を表示部9001の一の面に表示することができる。また、破線の矩形で示す情報9051を表示部9001の他の面に表示することができる。なお、情報9051の一例としては、電子メールやSNS(ソーシャル・ネットワーキング・サービス)や電話などの着信を知らせる表示、電子メールやSNSなどの題名、電子メールやSNSなどの送信者名、日時、時刻、バッテリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報9051が表示されている位置に、情報9051の代わりに、操作ボタン9050などを表示してもよい。 FIG. 65B is a perspective view showing the portable information terminal 9101. The portable information terminal 9101 has one or a plurality of functions selected from, for example, a telephone, a notebook, an information browsing device, or the like. Specifically, it can be used as a smartphone. Note that the portable information terminal 9101 may include a speaker 9003, a connection terminal 9006, a sensor 9007, and the like. Further, the portable information terminal 9101 can display characters and image information on the plurality of surfaces. For example, three operation buttons 9050 (also referred to as operation icons or simply icons) can be displayed on one surface of the display portion 9001. Further, information 9051 indicated by a broken-line rectangle can be displayed on another surface of the display portion 9001. As an example of the information 9051, a display for notifying an incoming call such as an e-mail, SNS (social networking service), a telephone call, a title such as an e-mail or SNS, a sender name such as an e-mail or SNS, a date and time, and a time , Battery level, antenna reception strength and so on. Alternatively, an operation button 9050 or the like may be displayed instead of the information 9051 at a position where the information 9051 is displayed.

図65(C)は、携帯情報端末9102を示す斜視図である。携帯情報端末9102は、表示部9001の3面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報9052、情報9053、情報9054がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えば、携帯情報端末9102の使用者は、洋服の胸ポケットに携帯情報端末9102を収納した状態で、その表示(ここでは情報9053)を確認することができる。具体的には、着信した電話の発信者の電話番号又は氏名等を、携帯情報端末9102の上方から観察できる位置に表示する。使用者は、携帯情報端末9102をポケットから取り出すことなく、表示を確認し、電話を受けるか否かを判断できる。 FIG. 65C is a perspective view showing the portable information terminal 9102. The portable information terminal 9102 has a function of displaying information on three or more surfaces of the display portion 9001. Here, an example is shown in which information 9052, information 9053, and information 9054 are displayed on different planes. For example, the user of the portable information terminal 9102 can check the display (information 9053 here) in a state where the portable information terminal 9102 is stored in the chest pocket of clothes. Specifically, the telephone number or name of the caller of the incoming call is displayed at a position where it can be observed from above portable information terminal 9102. The user can check the display and determine whether to receive a call without taking out the portable information terminal 9102 from the pocket.

図65(D)は、腕時計型の携帯情報端末9200を示す斜視図である。携帯情報端末9200は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。また、表示部9001はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、携帯情報端末9200は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末9200は、接続端子9006を有し、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また接続端子9006を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は接続端子9006を介さずに無線給電により行ってもよい。 FIG. 65D is a perspective view showing a wristwatch-type portable information terminal 9200. The portable information terminal 9200 can execute various applications such as a mobile phone, electronic mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games. Further, the display portion 9001 is provided with a curved display surface, and can perform display along the curved display surface. In addition, the portable information terminal 9200 can execute short-range wireless communication with a communication standard. For example, it is possible to talk hands-free by communicating with a headset capable of wireless communication. In addition, the portable information terminal 9200 includes a connection terminal 9006 and can directly exchange data with other information terminals via a connector. Charging can also be performed through the connection terminal 9006. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the connection terminal 9006.

図65(E)(F)(G)は、折り畳み可能な携帯情報端末9201を示す斜視図である。また、図65(E)が携帯情報端末9201を展開した状態の斜視図であり、図65(F)が携帯情報端末9201を展開した状態または折り畳んだ状態の一方から他方に変化する途中の状態の斜視図であり、図65(G)が携帯情報端末9201を折り畳んだ状態の斜視図である。携帯情報端末9201は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では、継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末9201が有する表示部9001は、ヒンジ9055によって連結された3つの筐体9000に支持されている。ヒンジ9055を介して2つの筐体9000間を屈曲させることにより、携帯情報端末9201を展開した状態から折りたたんだ状態に可逆的に変形させることができる。例えば、携帯情報端末9201は、曲率半径1mm以上150mm以下で曲げることができる。 65E, 65F, and 65G are perspective views showing a foldable portable information terminal 9201. FIG. FIG. 65E is a perspective view of a state in which the portable information terminal 9201 is expanded, and FIG. 65F is a state in the middle of changing from one of the expanded state or the folded state of the portable information terminal 9201 to the other. FIG. 65G is a perspective view of the portable information terminal 9201 folded. The portable information terminal 9201 is excellent in portability in the folded state, and in the expanded state, the portable information terminal 9201 is excellent in display listability due to a seamless wide display area. A display portion 9001 included in the portable information terminal 9201 is supported by three housings 9000 connected by a hinge 9055. By bending between the two housings 9000 via the hinge 9055, the portable information terminal 9201 can be reversibly deformed from the expanded state to the folded state. For example, the portable information terminal 9201 can be bent with a curvature radius of 1 mm to 150 mm.

また、図66(A)(B)は、複数の表示パネルを有する表示装置の斜視図である。なお、図66(A)は、複数の表示パネルが巻き取られた形態の斜視図であり、図66(B)は、複数の表示パネルが展開された状態の斜視図である。 66A and 66B are perspective views of a display device having a plurality of display panels. FIG. 66A is a perspective view of a form in which a plurality of display panels are wound, and FIG. 66B is a perspective view of a state in which the plurality of display panels are developed.

図66(A)(B)に示す表示装置9500は、複数の表示パネル9501と、軸部9511と、軸受部9512と、を有する。また、複数の表示パネル9501は、表示領域9502と、透光性を有する領域9503と、を有する。 A display device 9500 illustrated in FIGS. 66A and 66B includes a plurality of display panels 9501, a shaft portion 9511, and a bearing portion 9512. The plurality of display panels 9501 each include a display region 9502 and a region 9503 having a light-transmitting property.

また、複数の表示パネル9501は、可撓性を有する。また、隣接する2つの表示パネル9501は、それらの一部が互いに重なるように設けられる。例えば、隣接する2つの表示パネル9501の透光性を有する領域9503を重ね合わせることができる。複数の表示パネル9501を用いることで、大画面の表示装置とすることができる。また、使用状況に応じて、表示パネル9501を巻き取ることが可能であるため、汎用性に優れた表示装置とすることができる。 In addition, the plurality of display panels 9501 have flexibility. Further, two adjacent display panels 9501 are provided so that a part of them overlap each other. For example, a light-transmitting region 9503 of two adjacent display panels 9501 can be overlapped. By using a plurality of display panels 9501, a large-screen display device can be obtained. In addition, since the display panel 9501 can be taken up depending on the use state, a display device with excellent versatility can be obtained.

また、図66(A)(B)においては、表示領域9502が隣接する表示パネル9501で離間する状態を図示しているが、これに限定されず、例えば、隣接する表示パネル9501の表示領域9502を隙間なく重ねあわせることで、連続した表示領域9502としてもよい。 66A and 66B show a state in which the display area 9502 is separated by the adjacent display panel 9501, but the present invention is not limited to this. For example, the display area 9502 of the adjacent display panel 9501 is shown. The display area 9502 may be a continuous display area by overlapping them with no gap.

本実施の形態において述べた電子機器は、何らかの情報を表示するための表示部を有することを特徴とする。ただし、本発明の一態様の半導体装置は、表示部を有さない電子機器にも適用することができる。 The electronic device described in this embodiment includes a display portion for displaying some information. Note that the semiconductor device of one embodiment of the present invention can also be applied to an electronic device that does not include a display portion.

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

本実施例では、本発明に係る成膜条件で酸化窒化シリコン膜を酸化物半導体膜上に成膜した試料を作製し、TDS(Thermal Desorpt−ion Spectrometry)分析および酸化物半導体膜のシート抵抗値の測定を行った。 In this embodiment, a sample in which a silicon oxynitride film is formed over an oxide semiconductor film under the deposition conditions according to the present invention is manufactured, and TDS (Thermal Depth-Ion Spectrometry) analysis and sheet resistance value of the oxide semiconductor film are performed. Was measured.

試料の作製は、まずガラス基板上にスパッタ法を用いて、In−Ga−Zn酸化物を40nmの膜厚で成膜した。次に、In−Ga−Zn酸化物上にCVD法を用いて酸化窒化シリコン膜を成膜した。試料1A、1Bおよび1Cは、従来の成膜条件で酸化窒化シリコン膜を成膜した。即ち、SiH4ガス(流量20sccm)およびN2Oガス(流量3000sccm)の混合ガスを用いて、圧力200Paとし、高周波電力100W、基板温度350℃にて50nmの膜厚で成膜した。 For the preparation of the sample, first, an In—Ga—Zn oxide film was formed to a thickness of 40 nm on a glass substrate by a sputtering method. Next, a silicon oxynitride film was formed over the In—Ga—Zn oxide by a CVD method. For samples 1A, 1B, and 1C, silicon oxynitride films were formed under conventional film formation conditions. That is, using a mixed gas of SiH 4 gas (flow rate 20 sccm) and N 2 O gas (flow rate 3000 sccm), the pressure was 200 Pa, the high frequency power was 100 W, the substrate temperature was 350 ° C., and the film thickness was 50 nm.

試料2A、2B、2Cおよび試料3は、本発明に係る成膜条件で酸化窒化シリコン膜を成膜した。即ち、SiHガス(流量6sccm)およびNOガス(流量18000sccm)の混合ガスを用いて、成膜圧力250Paとし、高周波電力500W、基板温度350℃にて、試料2A、2Bおよび2Cは50nmの膜厚で成膜し、試料3は100nmの膜厚で成膜した。以上により、試料1A、1B、1C、2A、2B、2Cおよび3を作製した。 Samples 2A, 2B, 2C and Sample 3 were formed using silicon oxynitride films under the deposition conditions according to the present invention. That is, using a mixed gas of SiH 4 gas (flow rate 6 sccm) and N 2 O gas (flow rate 18000 sccm), the film forming pressure is 250 Pa, the high frequency power is 500 W, the substrate temperature is 350 ° C., and the samples 2A, 2B, and 2C are 50 nm. The sample 3 was formed with a film thickness of 100 nm. In this way, Samples 1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 2C and 3 were produced.

試料1A、2Aおよび3はTDS分析を行った。また、試料1Bおよび2Bは、酸化窒化シリコン膜をウエットエッチング法により除去した後に、シート抵抗測定器を用いてIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値を測定した。また、試料1Cおよび2Cは、窒素雰囲気中で350℃の温度にて1時間の熱処理を行い、次に酸化窒化シリコン膜をウエットエッチング法により除去した後に、シート抵抗測定器を用いてIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値を測定した。 Samples 1A, 2A and 3 were subjected to TDS analysis. In Samples 1B and 2B, the silicon oxynitride film was removed by wet etching, and then the sheet resistance value of the In—Ga—Zn oxide was measured using a sheet resistance measuring instrument. Samples 1C and 2C were subjected to a heat treatment for 1 hour at a temperature of 350 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then the silicon oxynitride film was removed by a wet etching method. -The sheet resistance value of Zn oxide was measured.

図67(A)、(B)および(C)に試料1A、2Aおよび3のTDS分析の結果のグラフを示す。図67(A)、(B)および(C)は酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出量の温度依存性を示している。TDS分析条件は、昇温ヒーター温度を、測定開始時は50℃、測定終了時は1000℃に設定し、昇温速度は32℃/minとした。試料の膜の表面温度は、測定開始時は約50℃で、測定終了時は約540℃であった。分析開始時の試料室の圧力は、1.2x10−7Paであった。 67A, 67B, and 67C are graphs showing the results of TDS analysis of samples 1A, 2A, and 3. FIG. 67A, 67B, and 67C show the temperature dependence of the release amount of the mass-to-charge ratio M / z = 32 corresponding to oxygen molecules. As TDS analysis conditions, the temperature of the heating heater was set to 50 ° C. at the start of measurement, 1000 ° C. at the end of the measurement, and the heating rate was set to 32 ° C./min. The surface temperature of the sample film was about 50 ° C. at the start of measurement and about 540 ° C. at the end of measurement. The pressure in the sample chamber at the start of analysis was 1.2 × 10 −7 Pa.

図67(A)は、従来の成膜条件で酸化窒化シリコン膜を50nmの膜厚で成膜した試料1AのTDS分析結果を示すが、酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出ピークはほとんど見られなかった。試料の膜表面温度150℃付近に小さなピークが見られるが、これは試料表面の吸着水によるものと思われる。図67(B)は、本発明に係る成膜条件にて酸化窒化シリコン膜を50nmの膜厚で成膜した試料2AのTDS分析結果であるが、試料の膜表面温度330℃付近に酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出ピークがわずかに見られた。また、図67(C)は、本発明に係る成膜条件にて酸化窒化シリコン膜を100nmの膜厚で成膜した試料3のTDS分析結果であるが、試料の膜表面温度390℃付近に酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出ピークが見られた。 FIG. 67A shows a TDS analysis result of Sample 1A in which a silicon oxynitride film is formed with a film thickness of 50 nm under conventional film formation conditions, and the mass-to-charge ratio M / z = 32 corresponding to oxygen molecules is shown. Little release peak was seen. A small peak is observed around the film surface temperature of 150 ° C. of the sample, which seems to be due to adsorbed water on the sample surface. FIG. 67B shows a TDS analysis result of Sample 2A in which a silicon oxynitride film is formed with a film thickness of 50 nm under the film formation conditions according to the present invention. A slight emission peak corresponding to a mass-to-charge ratio M / z = 32 was observed. FIG. 67C shows a TDS analysis result of Sample 3 in which a silicon oxynitride film is formed to a thickness of 100 nm under the film formation conditions according to the present invention. An emission peak with a mass-to-charge ratio M / z = 32 corresponding to oxygen molecules was observed.

これらの結果から、従来の成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜には、酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出ピークがほとんど見られないことから、従来の成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜には過剰酸素を含まないが、本発明に係る成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜は、過剰酸素を含んだ酸化窒化シリコン膜であることが解った。 From these results, since the silicon oxynitride film formed under the conventional film formation conditions hardly shows an emission peak with a mass-to-charge ratio M / z = 32 corresponding to oxygen molecules, The silicon oxynitride film formed in step 1 does not contain excess oxygen, but the silicon oxynitride film formed under the film formation conditions according to the present invention was found to be a silicon oxynitride film containing excess oxygen.

次に、図68にIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値の測定結果をまとめた。各シート抵抗値の測定結果について述べる。 Next, FIG. 68 summarizes the measurement results of the sheet resistance value of the In—Ga—Zn oxide. The measurement result of each sheet resistance value is described.

試料1Bは、In−Ga−Zn酸化物上に従来の成膜条件で酸化窒化シリコン膜を成膜した時のIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値であり、試料1Cは、In−Ga−Zn酸化物上に従来の成膜条件の酸化窒化シリコン膜の成膜した後に、窒素雰囲気中で350℃の温度にて1時間の熱処理を行った後のIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値である。 Sample 1B is a sheet resistance value of In—Ga—Zn oxide when a silicon oxynitride film is formed over an In—Ga—Zn oxide under a conventional film formation condition. Sample 1C is an In—Ga— A sheet of In—Ga—Zn oxide after a silicon oxynitride film having a conventional film formation condition is formed on the Zn oxide and then heat-treated at a temperature of 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Resistance value.

また、試料2Bは、In−Ga−Zn酸化物上に本発明に係る成膜条件で酸化窒化シリコン膜を成膜した時のIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値であり、試料1Cは、In−Ga−Zn酸化物上に本発明に係る成膜条件で酸化窒化シリコン膜を成膜した後に、窒素雰囲気中で350℃の温度にて1時間の熱処理を行った後のIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値である。 Sample 2B is a sheet resistance value of the In—Ga—Zn oxide when a silicon oxynitride film is formed over the In—Ga—Zn oxide under the film formation conditions according to the present invention. After forming a silicon oxynitride film on the In—Ga—Zn oxide under the film formation conditions according to the present invention, heat treatment was performed at a temperature of 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. -Sheet resistance value of Zn oxide.

試料1Bのシート抵抗値は、および1Cのシート抵抗値は、約4.2×10〔Ω/□〕であり、試料1Cもほぼ同じ値であった。一方、試料2Bのシート抵抗値は、約3.6×10〔Ω/□〕と、試料1Bのシート抵抗値と比較すると高い抵抗値が得られた。また、試料2Cのシート抵抗値は、約9.0×10〔Ω/□〕とさらに高い抵抗値へ変動した。 The sheet resistance value of Sample 1B and the sheet resistance value of 1C were about 4.2 × 10 3 [Ω / □], and Sample 1C had almost the same value. On the other hand, the sheet resistance value of Sample 2B was about 3.6 × 10 6 [Ω / □], which was higher than the sheet resistance value of Sample 1B. Further, the sheet resistance value of Sample 2C changed to a higher resistance value of about 9.0 × 10 9 [Ω / □].

これらの事より、従来の成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜には、過剰酸素をほとんど含んでいないので、酸化窒化シリコン成膜時のプラズマダメージなどによって、In−Ga−Zn酸化物中に発生した欠陥に起因してキャリアが生成されIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値が低くなったと思われる。また、従来の成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜は、過剰酸素をほとんど含んでいないので、窒素雰囲気中で350℃の温度にて1時間の熱処理を行っても酸化窒化シリコン膜からIn−Ga−Zn酸化物への酸素の拡散が起こらないのでIn−Ga−Zn酸化物中の欠陥の修復が行われず、シート抵抗値が低いままであったと思われる。 For these reasons, the silicon oxynitride film formed under the conventional film formation conditions contains almost no excess oxygen. Therefore, due to plasma damage at the time of silicon oxynitride film formation, the In—Ga—Zn oxide It is considered that carriers were generated due to the defects generated in, and the sheet resistance value of the In—Ga—Zn oxide was lowered. In addition, since the silicon oxynitride film formed under the conventional film formation conditions does not contain excess oxygen, the silicon oxynitride film can be removed from the silicon oxynitride film even if heat treatment is performed at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Since oxygen does not diffuse into the —Ga—Zn oxide, defects in the In—Ga—Zn oxide are not repaired, and the sheet resistance value seems to remain low.

一方、本発明に係る成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜は、過剰酸素を含んでいるので、成膜中のプラズマダメージが軽減されることによって、試料2BのIn−Ga−Zn酸化物のシート抵抗値が試料1Bよりも高抵抗になったと思われる。また、窒素雰囲気中で350℃の温度にて1時間の熱処理を行うことで、酸化窒化シリコン膜中に含まれる過剰酸素がIn−Ga−Zn酸化物へ拡散し、In−Ga−Zn酸化物中の欠損を修復したために、試料2Cのシート抵抗値が高抵抗化したと思われる。このことから、本発明に係る成膜条件は、プラズマが接するIn−Ga−Zn酸化物へ過剰酸素を供給する機能を有することが解った。また、本発明に係る成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜は過剰酸素を有することが解った。 On the other hand, since the silicon oxynitride film formed under the film formation conditions according to the present invention contains excess oxygen, the plasma damage during the film formation is reduced, so that the In—Ga—Zn oxide of the sample 2B is obtained. It is considered that the sheet resistance value was higher than that of the sample 1B. Further, by performing heat treatment at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, excess oxygen contained in the silicon oxynitride film diffuses into the In—Ga—Zn oxide, and the In—Ga—Zn oxide It seems that the sheet resistance value of Sample 2C was increased because the internal defect was repaired. From this, it was found that the film formation conditions according to the present invention have a function of supplying excess oxygen to the In—Ga—Zn oxide in contact with plasma. Further, it was found that the silicon oxynitride film formed under the film forming conditions according to the present invention has excess oxygen.

本実施例では、本発明に係る成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜を従来の成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜上に成膜した試料を作製し、TDS分析を行った。 In this example, a sample in which a silicon oxynitride film formed under a film formation condition according to the present invention was formed over a silicon oxynitride film formed under a conventional film formation condition was manufactured, and TDS analysis was performed.

試料1の作製は、ガラス基板上に、CVD法を用いて第1の酸化窒化シリコン膜を50nmの膜厚で成膜した。次に、第1の酸化窒化シリコン膜上に、CVD法を用いて第2の酸化窒化シリコン膜を成膜した。第1の酸化窒化シリコン膜は、従来の成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜である。第2の酸化窒化シリコン膜は、本発明に係る成膜条件で成膜した酸化窒化シリコン膜である。試料2は比較試料として、ガラス基板上に、第1の酸化窒化シリコン膜を成膜せずに、第2の酸化窒化シリコン膜を成膜した。第1の酸化窒化シリコン膜の成膜条件および第2の酸化窒化シリコン膜の成膜条件は実施例1を参酌する。 Sample 1 was manufactured by forming a first silicon oxynitride film with a thickness of 50 nm on a glass substrate by a CVD method. Next, a second silicon oxynitride film was formed over the first silicon oxynitride film by a CVD method. The first silicon oxynitride film is a silicon oxynitride film formed under conventional film formation conditions. The second silicon oxynitride film is a silicon oxynitride film formed under the film formation conditions according to the present invention. Sample 2 was a comparative sample in which a second silicon oxynitride film was formed on a glass substrate without forming the first silicon oxynitride film. Example 1 is referred to for the conditions for forming the first silicon oxynitride film and the conditions for forming the second silicon oxynitride film.

図69(A)および(B)にTDS分析結果を示す。TDS分析は、実施例1で行ったTDS分析と同様の分析条件で行った。図69(A)に試料1の酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出量の温度依存性を示し、図69(B)に試料2の酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出量の温度依存性を示す。 69 (A) and 69 (B) show the TDS analysis results. The TDS analysis was performed under the same analysis conditions as the TDS analysis performed in Example 1. FIG. 69A shows the temperature dependence of the released amount of the mass-to-charge ratio M / z = 32 corresponding to the oxygen molecule of sample 1, and FIG. 69B shows the mass-to-charge ratio M corresponding to the oxygen molecule of sample 2. The temperature dependence of the discharge amount of / z = 32 is shown.

図69(A)および(B)の結果より、ガラス基板上に第1の酸化窒化シリコン膜がある試料1は、試料の膜表面温度370℃付近に、酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出ピークが見られるが、ガラス基板上に第1の酸化窒化シリコン膜がない試料2には、酸素分子に相当する質量電荷比M/z=32の放出ピークがほとんど見られない。 69 (A) and 69 (B), the sample 1 having the first silicon oxynitride film on the glass substrate has a mass-to-charge ratio M / corresponding to oxygen molecules at a film surface temperature of 370 ° C. of the sample. An emission peak with z = 32 is seen, but in sample 2 without the first silicon oxynitride film on the glass substrate, an emission peak with a mass-to-charge ratio M / z = 32 corresponding to oxygen molecules is hardly seen. .

以上の結果より、本発明に係る成膜条件は、成膜中においてプラズマが接するガラス基板への酸素を供給する機能は有しないが、成膜中においてプラズマが接する酸化窒化シリコン膜へ酸素を供給する機能を有することが解った。 From the above results, the film formation conditions according to the present invention have no function of supplying oxygen to the glass substrate in contact with plasma during film formation, but supply oxygen to the silicon oxynitride film in contact with plasma during film formation. It was found that it has a function to do.

本実施例では、本発明に係る成膜条件で成膜した第2のゲート絶縁膜を有するトランジスタを作製し、トランジスタ特性を測定した。 In this example, a transistor having a second gate insulating film formed under the film formation conditions according to the present invention was manufactured, and transistor characteristics were measured.

トランジスタの作製は、まずガラス基板上に、スパッタ法を用いて、第1のチタン膜を10nmの膜厚で成膜した。次に、第1のチタン膜上に第1の銅膜を100nmの膜厚で成膜した。 The transistor was manufactured by first forming a first titanium film with a thickness of 10 nm on a glass substrate by a sputtering method. Next, a first copper film having a thickness of 100 nm was formed on the first titanium film.

次に、第1の銅膜上にリソグラフィー法を用いて、第1のレジストマスクを形成し、第1のレジストマスクをエッチングマスクとして、第1の銅膜の不要部分をウエットエッチングした。該ウエットエッチングは、過酸化水素水と無機酸の混合液を用いた。次に、第1のレジストマスクおよび第1の銅膜をエッチングマスクとしてチタン膜をドライエッチングした。以上により、第1の銅膜および第1のチタン膜を有する第1のゲート電極を形成した。 Next, a first resist mask was formed on the first copper film using a lithography method, and unnecessary portions of the first copper film were wet-etched using the first resist mask as an etching mask. For the wet etching, a mixed solution of hydrogen peroxide and inorganic acid was used. Next, the titanium film was dry-etched using the first resist mask and the first copper film as an etching mask. Thus, the first gate electrode having the first copper film and the first titanium film was formed.

次に、第1のゲート電極およびガラス基板上にCVD法を用いて、第1の窒化シリコン膜を50nmの膜厚で成膜した。次に第1の窒化シリコン膜上にCVD法を用いて第2の窒化シリコン膜を300nmの膜厚で成膜した。次に、第2の窒化シリコン膜上にCVD法を用いて第3の窒化シリコン膜を50nmの膜厚で成膜した。次に、第3の窒化シリコン膜上に第1の酸化窒化シリコン膜を20nmの膜厚で成膜した。尚、第1の窒化シリコン膜の成膜、第2の窒化シリコン膜の成膜、第3の窒化シリコン膜の成膜および第1の酸化窒化シリコン膜は連続成膜した。これで、第1の窒化シリコン膜、第2の窒化シリコン膜、第3の窒化シリコン膜および第1の酸化窒化シリコン膜を有する第1のゲート絶縁膜を形成した。 Next, a first silicon nitride film was formed to a thickness of 50 nm on the first gate electrode and the glass substrate by a CVD method. Next, a second silicon nitride film having a thickness of 300 nm was formed over the first silicon nitride film by a CVD method. Next, a third silicon nitride film was formed to a thickness of 50 nm on the second silicon nitride film by a CVD method. Next, a first silicon oxynitride film was formed to a thickness of 20 nm over the third silicon nitride film. The first silicon nitride film, the second silicon nitride film, the third silicon nitride film, and the first silicon oxynitride film were continuously formed. Thus, a first gate insulating film having a first silicon nitride film, a second silicon nitride film, a third silicon nitride film, and a first silicon oxynitride film was formed.

次に、第1のゲート絶縁膜上にスパッタ法を用いて第1のIn−Ga−Zn酸化物を40nmの膜厚で成膜した。次にリソグラフィー法を用いてIn−Ga−Zn酸化物の不要部分のエッチングを行い、第1のIn−Ga−Zn酸化物を有する酸化物半導体膜を形成した。 Next, a first In—Ga—Zn oxide was formed to a thickness of 40 nm over the first gate insulating film by a sputtering method. Next, unnecessary portions of the In—Ga—Zn oxide were etched by a lithography method, so that an oxide semiconductor film including a first In—Ga—Zn oxide was formed.

次に、第1のゲート絶縁膜上および半導体膜上に、CVD法を用いて第2の酸化窒化シリコン膜を試料1は50nmの膜厚で成膜した。また、試料2は20nmの膜厚で成膜した。成膜条件は、本発明に係る成膜条件を用いた。プラズマCVD装置を使用し、SiHガス(流量6sccm)、NOガス(流量18000sccm)、基板温度(350℃)および高周波電力(500W)の条件にて成膜した。 Next, a second silicon oxynitride film was formed to a thickness of 50 nm on the first gate insulating film and the semiconductor film by a CVD method. Sample 2 was formed with a film thickness of 20 nm. As the film formation conditions, the film formation conditions according to the present invention were used. Using a plasma CVD apparatus, a film was formed under conditions of SiH 4 gas (flow rate 6 sccm), N 2 O gas (flow rate 18000 sccm), substrate temperature (350 ° C.), and high-frequency power (500 W).

次に、第2の酸化窒化シリコン膜上にリソグラフィー法を用いて第2のレジストマスクを形成し、第2のレジストマスクをエッチングマスクとして、第2の酸化窒化シリコン膜の一部および第1のゲート絶縁膜の一部をエッチングし、第1のゲート電極に達する開口部を形成した。該開口部の形成は、ドライエッチング法を用いた。 Next, a second resist mask is formed over the second silicon oxynitride film by a lithography method, and a part of the second silicon oxynitride film and the first resist mask are used as an etching mask. A part of the gate insulating film was etched to form an opening reaching the first gate electrode. The opening was formed using a dry etching method.

次に、該開口部を覆う様に、第2のゲート絶縁上に、スパッタ法を用いて第2のIn−Ga−Zn酸化物を100nmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法を用いて第3のレジストマスクを形成し、第3のレジストマスクをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により、第2のIn−Ga−Zn酸化物の一部および第2の酸化窒化シリコン膜の一部をエッチングし、第2のIn−Ga−Zn酸化物を有する第2のゲート電極および第2の酸化窒化シリコン膜を有する第2のゲート絶縁膜を形成した。 Next, a second In—Ga—Zn oxide was formed to a thickness of 100 nm over the second gate insulating film by a sputtering method so as to cover the opening. Next, a third resist mask is formed using a lithography method, and part of the second In—Ga—Zn oxide and the second oxidation are formed by a dry etching method using the third resist mask as an etching mask. A part of the silicon nitride film was etched to form a second gate electrode having a second In—Ga—Zn oxide and a second gate insulating film having a second silicon oxynitride film.

次に、第3のレジストマスクを除去した後に、第1のゲート絶縁膜上、酸化物半導体膜上および第2のゲート電極上から、CVD装置を用いて、アルゴンおよび窒素の混合ガスによるプラズマ処理を行った。次に、CVD法により第4の窒化シリコン膜を100nmの膜厚で成膜した。尚、アルゴンおよび窒素の混合ガスによるプラズマ処理および窒化シリコン膜の成膜は、連続処理にて行った。 Next, after removing the third resist mask, plasma treatment is performed on the first gate insulating film, the oxide semiconductor film, and the second gate electrode with a mixed gas of argon and nitrogen using a CVD apparatus. Went. Next, a fourth silicon nitride film was formed to a thickness of 100 nm by a CVD method. The plasma treatment with a mixed gas of argon and nitrogen and the formation of the silicon nitride film were performed by continuous treatment.

次に、CVD法を用いて、第4の窒化シリコン膜上に第3の酸化シリコン膜を300nmの膜厚で成膜した。 Next, a third silicon oxide film having a thickness of 300 nm was formed over the fourth silicon nitride film by a CVD method.

次に、第3の酸化シリコン膜上にリソグラフィー法を用いて、第4のレジストマスクを形成し、第4のレジストマスクをエッチングマスクとして、第3の酸化窒化シリコン膜および第4の窒化シリコン膜の一部をエッチングすることで、酸化物半導体膜に達する開口部を形成した。該開口部は、ドライエッチング法を用いて形成した。 Next, a fourth resist mask is formed over the third silicon oxide film by a lithography method, and the third silicon oxynitride film and the fourth silicon nitride film are formed using the fourth resist mask as an etching mask. An opening reaching the oxide semiconductor film was formed by etching part of the oxide semiconductor film. The opening was formed using a dry etching method.

次に、該開口部を覆うように、第3の酸化窒化シリコン膜上にスパッタ法を用いて、第2のチタン膜を10nmの膜厚で成膜した。次に、第2のチタン膜上にスパッタ法を用いて第2の銅膜を成膜した。 Next, a second titanium film was formed to a thickness of 10 nm over the third silicon oxynitride film by a sputtering method so as to cover the opening. Next, a second copper film was formed on the second titanium film by sputtering.

次に、第2の銅膜上にリソグラフィー法を用いて、第5のレジストマスクを形成し、第5のレジストマスクをエッチングマスクとして、第2の銅膜の不要部分をウエットエッチングした。該ウエットエッチングは、過酸化水素水と無機酸の混合液を用いた。次に、第5のレジストマスクおよび第2の銅膜をエッチングマスクとして第2のチタン膜をドライエッチングした。以上により、第2の銅膜および第2のチタン膜を有する、ソース電極またはドレイン電極を形成した。 Next, a fifth resist mask was formed on the second copper film using a lithography method, and unnecessary portions of the second copper film were wet etched using the fifth resist mask as an etching mask. For the wet etching, a mixed solution of hydrogen peroxide and inorganic acid was used. Next, the second titanium film was dry-etched using the fifth resist mask and the second copper film as an etching mask. As described above, the source electrode or the drain electrode having the second copper film and the second titanium film was formed.

次に、該ソース電極またはドレイン電極上および第3の酸化窒化シリコン膜上に感光性アクリル樹脂を塗布法を用いて1.5μmの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法を用いて不要部分のアクリル樹脂を除去した。次に、加熱装置を用い加熱処理行うことでアクリル樹脂を焼成し、アクリル樹脂を有する保護膜を形成した。 Next, a photosensitive acrylic resin was formed to a thickness of 1.5 μm on the source or drain electrode and the third silicon oxynitride film by a coating method. Next, an unnecessary portion of the acrylic resin was removed using a lithography method. Next, the acrylic resin was baked by heat-processing using a heating apparatus, and the protective film which has an acrylic resin was formed.

以上により、本発明に係る成膜条件で成膜した第2のゲート絶縁膜を有するトランジスタを作製した。試料1の第2のゲート絶縁膜の膜厚は、50nmであり、試料2の第2のゲート絶縁膜の膜厚は、20nmである。 As described above, a transistor including the second gate insulating film formed under the deposition conditions according to the present invention was manufactured. The thickness of the second gate insulating film of Sample 1 is 50 nm, and the thickness of the second gate insulating film of Sample 2 is 20 nm.

次に、試料1および試料2のトランジスタ特性を測定した。まずドレイン電流―ゲート電圧(Id−Vg)特性を測定した。測定条件は、ソース電極電圧(Vs)を0Vに固定し、ドレイン電極電圧(Vd)に0.1Vおよび10V印加した時のそれぞれに対して、ゲート電極電圧(Vg)を試料1は−15Vから20Vへ0.25Vのステップで上昇したときの、ドレイン電流(Id)の変化を測定した。また、試料2はー10Vから10Vへ0.25Vのステップで上昇したときの、ドレイン電流(Id)の変化を測定した。 Next, the transistor characteristics of Sample 1 and Sample 2 were measured. First, drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristics were measured. The measurement conditions were that the source electrode voltage (Vs) was fixed at 0V, and the drain electrode voltage (Vd) was 0.1V and 10V, respectively. The change in drain current (Id) was measured as it increased to 20V in steps of 0.25V. Sample 2 was measured for a change in drain current (Id) when it was raised from -10 V to 10 V in steps of 0.25 V.

Id−Vg特性は、チャネル幅(W)50μm固定とし、チャネル長(L)1.5μm、2.0μm、3.0μmおよび6.0μmの各トランジスタを測定した。 For the Id-Vg characteristics, the channel width (W) was fixed at 50 μm, and the transistors with channel lengths (L) of 1.5 μm, 2.0 μm, 3.0 μm, and 6.0 μm were measured.

図70から図73にId−Vg特性を示す。試料1(第2のゲート絶縁膜の膜厚が50nm)のL=1.5μm、2.0μm、3.0μmおよび6.0μmのId−Vg特性をそれぞれ、図70(A)、図70(B)、図71(A)および図71(B)に示す。また、試料2(第2のゲート絶縁膜の膜厚が20nm)のL=1.5μm、2.0μm、3.0μmおよび6.0μmのId−Vg特性をそれぞれ、図72(A)、図72(B)、図73(A)および図73(B)に示す。それぞれのトランジスタはともに良好なId−Vg特性を示した。 70 to 73 show Id-Vg characteristics. The Id-Vg characteristics of Sample 1 (the thickness of the second gate insulating film is 50 nm) of L = 1.5 μm, 2.0 μm, 3.0 μm, and 6.0 μm are shown in FIGS. B), shown in FIGS. 71 (A) and 71 (B). In addition, the Id-Vg characteristics of L = 1.5 μm, 2.0 μm, 3.0 μm, and 6.0 μm of Sample 2 (the thickness of the second gate insulating film is 20 nm) are shown in FIGS. 72 (B), FIG. 73 (A) and FIG. 73 (B). Each transistor showed good Id-Vg characteristics.

次に、W=3.0μm、L=3.0μmのトランジスタのId−Vd特性を測定した。測定条件は、Vsを0Vに固定し、VgはVdに5V印加した時に、Idが100nA/μmとなる電圧に固定し、Vdを0Vから12Vへ0.25Vステップで上昇したときの、Idの変化を測定した。試料1(第2のゲート絶縁膜の膜厚が50nm)のVgは4.05Vであり、試料2(第2のゲート絶縁膜の膜厚が20nm)のVgは3.30Vであった。 Next, Id-Vd characteristics of a transistor with W = 3.0 μm and L = 3.0 μm were measured. The measurement conditions are as follows: Vs is fixed at 0V, Vg is fixed at a voltage at which Id is 100 nA / μm when 5V is applied to Vd, and Vd is increased from 0V to 12V in 0.25V steps. Changes were measured. The Vg of sample 1 (the thickness of the second gate insulating film is 50 nm) is 4.05 V, and the Vg of the sample 2 (the thickness of the second gate insulating film is 20 nm) is 3.30 V.

図74(A)および(B)に各トランジスタのId−Vd特性を示すが、試料1および試料2ともに、Vd=3V以上でのIdの変動量が小さく、Id−Vdの飽和特性に優れたトランジスタ特性を得ることができた。 74 (A) and 74 (B) show the Id-Vd characteristics of each transistor. In both Sample 1 and Sample 2, the fluctuation amount of Id at Vd = 3 V or more is small, and the Id-Vd saturation characteristics are excellent Transistor characteristics could be obtained.

30 素子層
40 素子層
50 素子層
100 トランジスタ
100A トランジスタ
100B トランジスタ
100C トランジスタ
100D トランジスタ
100E トランジスタ
100F トランジスタ
100G トランジスタ
100H トランジスタ
100J トランジスタ
100K トランジスタ
102 基板
104 絶縁膜
106 導電膜
107 酸化物半導体膜
108 酸化物半導体膜
108_1 酸化物半導体膜
108_2 酸化物半導体膜
108_3 酸化物半導体膜
108d ドレイン領域
108f 領域
108i チャネル領域
108s ソース領域
110 絶縁膜
110_0 絶縁膜
110A トランジスタ
114 導電膜
114_0 導電膜
116 絶縁膜
118 絶縁膜
120 導電膜
120a 導電膜
120b 導電膜
122 絶縁膜
140 マスク
141a 開口部
141b 開口部
143 開口部
145 不純物元素
201 トランジスタ
203 トランジスタ
207a 液晶素子
207b 液晶素子
211 基板
212 絶縁膜
213 絶縁膜
215 絶縁膜
219 絶縁膜
223 酸化物半導体膜
241 着色膜
243 遮光膜
245 絶縁膜
247 スペーサ
249 液晶
250Pa 成膜圧力
251 導電膜
252 導電膜
253 絶縁膜
255 導電膜
261 基板
300 シリコン基板
300A トランジスタ
300B トランジスタ
300C トランジスタ
300D トランジスタ
300E トランジスタ
300F トランジスタ
302 基板
304 導電膜
306 絶縁膜
307 絶縁膜
308 酸化物半導体膜
308_1 酸化物半導体膜
308_2 酸化物半導体膜
308_3 酸化物半導体膜
310 層
312a 導電膜
312b 導電膜
314 絶縁膜
316 絶縁膜
318 絶縁膜
320 層
320a 導電膜
320b 導電膜
330 層
340 層
341a 開口部
341b 開口部
342a 開口部
342b 開口部
342c 開口部
351 トランジスタ
352 トランジスタ
353 トランジスタ
360 フォトダイオード
361 アノード
363 低抵抗領域
370 プラグ
371 配線
372 配線
373 配線
379 絶縁体
380 絶縁体
381 絶縁体
390a 導電体
390b 導電体
390c 導電体
390d 導電体
390e 導電体
401 絶縁体
402 絶縁体
406a 絶縁体
406b 半導体
406c 絶縁体
408 絶縁体
410 絶縁体
428 絶縁体
450 半導体基板
454 導電体
460 領域
462 絶縁体
464 絶縁体
465 絶縁体
466 絶縁体
467 絶縁体
468 絶縁体
469 絶縁体
470 絶縁体
472 絶縁体
474a 領域
474b 領域
475 絶縁体
476a 導電体
476b 導電体
476c 導電体
477a 導電体
477b 導電体
477c 導電体
478a 導電体
478b 導電体
478c 導電体
479a 導電体
479b 導電体
479c 導電体
480a 導電体
480b 導電体
480c 導電体
483a 導電体
483b 導電体
483c 導電体
483d 導電体
483e 導電体
483f 導電体
484a 導電体
484b 導電体
484c 導電体
484d 導電体
485a 導電体
485b 導電体
485c 導電体
485d 導電体
487a 導電体
487b 導電体
487c 導電体
488a 導電体
488b 導電体
488c 導電体
489a 導電体
489b 導電体
490a 導電体
490b 導電体
491a 導電体
491b 導電体
491c 導電体
492a 導電体
492b 導電体
492c 導電体
494 導電体
496 導電体
498 絶縁体
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
600 撮像装置
601 スイッチ
602 スイッチ
603 スイッチ
610 画素部
611 画素
612 副画素
612B 副画素
612G 副画素
612R 副画素
620 光電変換素子
630 画素回路
631 配線
647 配線
648 配線
649 配線
650 配線
653 配線
654 フィルタ
654B フィルタ
654G フィルタ
654R フィルタ
655 レンズ
656 光
657 配線
660 周辺回路
670 周辺回路
680 周辺回路
690 周辺回路
691 光源
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
730 絶縁膜
732 封止膜
734 絶縁膜
736 着色膜
738 遮光膜
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
770 平坦化絶縁膜
772 導電膜
774 導電膜
775 液晶素子
776 液晶層
778 構造体
780 異方性導電膜
782 発光素子
784 導電膜
786 EL層
788 導電膜
790 容量素子
800 インバータ
810 OSトランジスタ
820 OSトランジスタ
831 信号波形
832 信号波形
840 破線
841 実線
850 OSトランジスタ
860 CMOSインバータ
1280a p型トランジスタ
1280b n型トランジスタ
1280c n型トランジスタ
1281 容量素子
1282 トランジスタ
1311 配線
1312 配線
1313 配線
1314 配線
1315 配線
1316 配線
1317 配線
1351 トランジスタ
1352 トランジスタ
1353 トランジスタ
1354 トランジスタ
1360 光電変換素子
1401 信号
1402 信号
1403 信号
1404 信号
1405 信号
2100 トランジスタ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3006 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
3500 トランジスタ
4001 配線
4003 配線
4005 配線
4006 配線
4007 配線
4008 配線
4009 配線
4021 層
4022 層
4023 層
4100 トランジスタ
4200 トランジスタ
4300 トランジスタ
4400 トランジスタ
4500 容量素子
4600 容量素子
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライト
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリ
9000 筐体
9001 表示部
9003 スピーカ
9005 操作キー
9006 接続端子
9007 センサ
9008 マイクロフォン
9050 操作ボタン
9051 情報
9052 情報
9053 情報
9054 情報
9055 ヒンジ
9100 テレビジョン装置
9101 携帯情報端末
9102 携帯情報端末
9200 携帯情報端末
9201 携帯情報端末
9500 表示装置
9501 表示パネル
9502 表示領域
9503 領域
9511 軸部
9512 軸受部
30 element layer 40 element layer 50 element layer 100 transistor 100A transistor 100B transistor 100C transistor 100D transistor 100E transistor 100F transistor 100G transistor 100H transistor 100J transistor 100K transistor 102 substrate 104 insulating film 106 conductive film 107 oxide semiconductor film 108 oxide semiconductor film 108_1 Oxide semiconductor film 108_2 oxide semiconductor film 108_3 oxide semiconductor film 108d drain region 108f region 108i channel region 108s source region 110 insulating film 110_0 insulating film 110A transistor 114 conductive film 114_0 conductive film 116 insulating film 118 insulating film 120 conductive film 120a conductive Film 120b Conductive film 122 Insulating film 140 Mask 141a Opening 141 b Opening 143 Opening 145 Impurity element 201 Transistor 203 Transistor 207a Liquid crystal element 207b Liquid crystal element 211 Substrate 212 Insulating film 213 Insulating film 215 Insulating film 219 Insulating film 223 Oxide semiconductor film 241 Colored film 243 Light shielding film 245 Insulating film 247 Spacer 249 Liquid crystal 250 Pa Film formation pressure 251 Conductive film 252 Conductive film 253 Insulating film 255 Conductive film 261 Substrate 300 Silicon substrate 300A Transistor 300B Transistor 300C Transistor 300D Transistor 300E Transistor 300F Transistor 302 Substrate 304 Conductive film 306 Insulating film 307 Insulating film 308 Oxide semiconductor film 308_1 Oxide semiconductor film 308_2 Oxide semiconductor film 308_3 Oxide semiconductor film 310 Layer 312a Conductive film 312b Conductive film 14 insulating film 316 insulating film 318 insulating film 320 layer 320a conductive film 320b conductive film 330 layer 340 layer 341a opening 341b opening 342a opening 342b opening 342c opening 351 transistor 352 transistor 353 transistor 360 photodiode 361 anode 363 low resistance Region 370 plug 371 wiring 372 wiring 373 wiring 379 insulator 380 insulator 381 insulator 390a conductor 390b conductor 390c conductor 390d conductor 390e conductor 401 insulator 402 insulator 406a insulator 406b semiconductor 406c insulator 408 insulator 410 insulator 428 insulator 450 semiconductor substrate 454 conductor 460 region 462 insulator 464 insulator 465 insulator 466 insulator 467 insulator 468 insulator 469 insulation 470 insulator 472 insulator 474a region 474b region 475 insulator 476a conductor 476b conductor 476c conductor 477a conductor 477b conductor 477c conductor 478a conductor 478b conductor 478c conductor 479a conductor 479c conductor 479c conductor 479c conductor 479c Conductor 480b Conductor 480c Conductor 483a Conductor 483b Conductor 483c Conductor 483c Conductor 483d Conductor 483e Conductor 483f Conductor 484a Conductor 484b Conductor 484c Conductor 484d Conductor 485a Conductor 485b Conductor 485c Conductor 485c Conductor 485c Conductor 485c 487a conductor 487b conductor 487c conductor 488a conductor 488b conductor 488c conductor 489a conductor 489b conductor 490a conductor 490b conductor 491a conductor 491b conductor 91c conductor 492a conductor 492b conductor 492c conductor 494 conductor 496 conductor 498 insulator 501 pixel circuit 502 pixel portion 504 driver circuit portion 504a gate driver 504b source driver 506 protection circuit 507 terminal portion 550 transistor 552 transistor 554 transistor 560 Capacitor 562 Capacitor 570 Liquid crystal element 572 Light emitting element 600 Imaging device 601 Switch 602 Switch 603 Switch 610 Pixel unit 611 Pixel 612 Subpixel 612B Subpixel 612G Subpixel 612R Subpixel 620 Photoelectric conversion element 630 Pixel circuit 631 Wiring 647 Wiring 648 Wiring 649 Wiring 650 Wiring 653 Wiring 654 Filter 654B Filter 654G Filter 654R Filter 655 Lens 656 Light 657 Wiring 660 Side circuit 670 peripheral circuit 680 peripheral circuit 690 peripheral circuits 691 light source 700 display device 701 substrate 702 a pixel portion 704 source driver circuit portion 705 substrate 706 gate driver circuit unit 708 FPC terminal portion 710 signal line 711 wiring portion 712 sealing material 716 FPC
730 Insulating film 732 Sealing film 734 Insulating film 736 Colored film 738 Light shielding film 750 Transistor 752 Transistor 760 Connection electrode 770 Flattening insulating film 772 Conductive film 774 Conductive film 775 Liquid crystal element 776 Liquid crystal layer 778 Structure 780 Anisotropic conductive film 782 Light emitting element 784 Conductive film 786 EL layer 788 Conductive film 790 Capacitor element 800 Inverter 810 OS transistor 820 OS transistor 831 Signal waveform 832 Signal waveform 840 Broken line 841 Solid line 850 OS transistor 860 CMOS inverter 1280a p-type transistor 1280b n-type transistor 1280c n-type transistor 1281 Capacitance element 1282 Transistor 1311 Wiring 1312 Wiring 1313 Wiring 1314 Wiring 1315 Wiring 1316 Wiring 1317 Wiring 1351 Trans Transistor 1353 transistor 1354 transistor 1354 transistor 1360 photoelectric conversion element 1401 signal 1402 signal 1403 signal 1404 signal 1405 signal 2100 transistor 3001 wiring 3002 wiring 3003 wiring 3004 wiring 3005 wiring 3006 wiring 3200 transistor 3300 transistor 3400 capacitor element 3500 transistor 4001 wiring 4003 wiring 4005 wiring 4006 wiring 4007 wiring 4008 wiring 4009 wiring 4021 layer 4022 layer 4023 layer 4100 transistor 4200 transistor 4300 transistor 4400 transistor 4500 capacitor element 4600 capacitor element 8000 display module 8001 upper cover 8002 lower cover 8003 FPC
8004 Touch panel 8005 FPC
8006 Display panel 8007 Back light 8008 Light source 8009 Frame 8010 Printed circuit board 8011 Battery 9000 Case 9001 Display unit 9003 Speaker 9005 Operation key 9006 Connection terminal 9007 Sensor 9008 Microphone 9050 Operation button 9051 Information 9052 Information 9053 Information 9054 Information 9055 Hinge 9100 Television apparatus 9101 portable information terminal 9102 portable information terminal 9200 portable information terminal 9201 portable information terminal 9500 display device 9501 display panel 9502 display region 9503 region 9511 shaft portion 9512 bearing portion

Claims (12)

第1の絶縁膜上に酸化物半導体膜を成膜し、
前記酸化物半導膜上に第2の絶縁膜を成膜し、
前記第2の絶縁膜上に導電膜を成膜し、
前記導電膜および前記第2の絶縁膜をリソグラフィー法によって前記導電膜を有するゲート電極および第2の絶縁膜を有するゲート絶縁膜を形成し、
水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、または希ガスの1以上のイオンを第1の領域に注入し、
前記第1の絶縁膜上、前記半導体膜上および前記ゲート電極上に第3の絶縁膜を成膜し、
前記第1の領域は、前記第1の領域と前記ゲート電極とが互いに重ならない領域を有し、
前記第2の絶縁膜の成膜は、PECVD法を用いて成膜し、
PECVD法に使用する気体は、シランおよび一酸化二窒素であり、前記シランの流量に対して前記一酸化二窒素の流量は1000倍より大きく10000倍未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an oxide semiconductor film over the first insulating film;
Forming a second insulating film on the oxide semiconductor film;
Forming a conductive film on the second insulating film;
Forming a gate electrode having the conductive film and a gate insulating film having the second insulating film by lithography using the conductive film and the second insulating film;
Implanting one or more ions of hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, or a noble gas into the first region;
Forming a third insulating film on the first insulating film, on the semiconductor film and on the gate electrode;
The first region has a region where the first region and the gate electrode do not overlap each other,
The second insulating film is formed using a PECVD method,
A gas used for the PECVD method is silane and dinitrogen monoxide, and the flow rate of the dinitrogen monoxide is greater than 1000 times and less than 10,000 times with respect to the flow rate of the silane. Method.
前記希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンの1以上を用いることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の作製方法。 2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the rare gas is one or more of helium, neon, argon, krypton, or xenon. 前記注入は、プラズマ処理法、イオンドーピング法またはイオン注入法を用いて行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の作製方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the implantation is performed using a plasma treatment method, an ion doping method, or an ion implantation method. 前記第3の絶縁膜は、窒素、水素またはフッ素の1以上を有する気体を用いて成膜することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。 4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the third insulating film is formed using a gas containing one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine. 基板上に第1の導電膜を形成し、
前記基板上および前記第1の導電膜上に第1の絶縁膜を成膜し、
前記第1の絶縁膜上に酸化物半導体膜を成膜し、
前記酸化物半導膜上に第2の絶縁膜を成膜し、
前記第2の絶縁膜上に第2の導電膜を成膜し、
前記第2の導電膜および前記第2の絶縁膜をリソグラフィー法によって前記第2の導電膜を有するゲート電極および第2の絶縁膜を有するゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜をマスクとして用いて、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、または希ガスの1以上のイオンを第1の領域に注入し、
前記第1の絶縁膜上、前記半導体膜上および前記ゲート電極上に第3の絶縁膜を成膜し、
前記第1の領域は、前記第1の領域と前記ゲート電極とが互いに重ならない領域を有し、
前記第2の絶縁膜の成膜は、PECVD法を用いて成膜し、
PECVD法に使用する気体は、シランおよび一酸化二窒素であり、前記シランの流量に対して前記一酸化二窒素の流量は1000倍より大きく10000倍未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first conductive film on the substrate;
Forming a first insulating film on the substrate and on the first conductive film;
Forming an oxide semiconductor film over the first insulating film;
Forming a second insulating film on the oxide semiconductor film;
Forming a second conductive film on the second insulating film;
Forming a gate electrode having the second conductive film and a gate insulating film having the second insulating film by lithography using the second conductive film and the second insulating film;
Implanting one or more ions of hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, or a rare gas into the first region using the gate electrode and the gate insulating film as a mask;
Forming a third insulating film on the first insulating film, on the semiconductor film and on the gate electrode;
The first region has a region where the first region and the gate electrode do not overlap each other,
The second insulating film is formed using a PECVD method,
A gas used for the PECVD method is silane and dinitrogen monoxide, and the flow rate of the dinitrogen monoxide is greater than 1000 times and less than 10,000 times with respect to the flow rate of the silane. Method.
基板上に第1の導電膜を形成し、
前記基板上および前記第1の導電膜上に第1の絶縁膜を成膜し、
前記第1の絶縁膜上に酸化物半導体膜を成膜し、
前記酸化物半導膜上に第2の絶縁膜を成膜し、
前記第2の絶縁膜および前記第1の絶縁膜をリソグラフィー法によって前記第1の導電膜に達する開口部を形成し、
前記第2の絶縁膜上に第2の導電膜を成膜し、
前記第2の導電膜および前記第2の絶縁膜をリソグラフィー法によって前記第2の導電膜を有するゲート電極および第2の絶縁膜を有するゲート絶縁膜を形成し、
水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、または希ガスの1以上のイオンを第1の領域に注入し、
前記第1の絶縁膜上、前記半導体膜上および前記ゲート電極上に第3の絶縁膜を成膜し、
前記第1の領域は、前記第1の領域と前記ゲート電極とが互いに重ならない領域を有し、
前記第2の絶縁膜の成膜は、PECVD法を用いて成膜し、
PECVD法に使用する気体は、シランおよび一酸化二窒素であり、前記シランの流量に対して前記一酸化二窒素の流量は1000倍より大きく10000倍未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first conductive film on the substrate;
Forming a first insulating film on the substrate and on the first conductive film;
Forming an oxide semiconductor film over the first insulating film;
Forming a second insulating film on the oxide semiconductor film;
Forming an opening reaching the first conductive film by lithography using the second insulating film and the first insulating film;
Forming a second conductive film on the second insulating film;
Forming a gate electrode having the second conductive film and a gate insulating film having the second insulating film by lithography using the second conductive film and the second insulating film;
Implanting one or more ions of hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, or a noble gas into the first region;
Forming a third insulating film on the first insulating film, on the semiconductor film and on the gate electrode;
The first region has a region where the first region and the gate electrode do not overlap each other,
The second insulating film is formed using a PECVD method,
A gas used for the PECVD method is silane and dinitrogen monoxide, and the flow rate of the dinitrogen monoxide is greater than 1000 times and less than 10,000 times with respect to the flow rate of the silane. Method.
前記希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンの1以上を用いることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体装置の作製方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the rare gas is one or more of helium, neon, argon, krypton, or xenon. 前記注入は、プラズマ処理法、イオンドーピング法またはイオン注入法を用いて行うことを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the implantation is performed using a plasma treatment method, an ion doping method, or an ion implantation method. 前記第3の絶縁膜は、窒素、水素またはフッ素の1以上を有する気体を用いて成膜することを特徴とする請求項5乃至請求項8のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the third insulating film is formed using a gas containing one or more of nitrogen, hydrogen, and fluorine. 表示装置の作製方法であって、
前記表示装置は、請求項1乃至請求項9のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法を用いて作製された半導体装置および表示素子を有することを特徴とする表示装置の作製方法。
A method of manufacturing a display device,
A method for manufacturing a display device, comprising: a semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 9; and a display element.
表示モジュールの作製方法であって、
前記表示モジュールは、請求項10に記載の表示装置の作製方法を用いて作製された表示装置およびタッチセンサを有することを特徴とする表示モジュールの作製方法。
A manufacturing method of a display module,
The display module includes a display device and a touch sensor manufactured by using the display device manufacturing method according to claim 10.
電子機器の作製方法であって、
前記電子機器は、請求項11に記載の表示モジュールの作製方法を用いて作製された表示モジュール、および操作キーまたはバッテリを有することを特徴とする電子機器の作製方法。
A method of manufacturing an electronic device,
A method for manufacturing an electronic device, comprising: the display module manufactured using the method for manufacturing a display module according to claim 11; and an operation key or a battery.
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