JP2018022713A - Semiconductor device, method of manufacturing the same, and electronic equipment - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with reduced parasitic capacitance.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a first insulating layer on a substrate; a first metal oxide layer on the first insulating layer; an oxide semiconductor layer on the first metal oxide layer; a second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer; a gate insulating layer on the second metal oxide layer; a second insulating layer on the second metal oxide layer; and a gate electrode layer on the gate insulating layer. The gate insulating layer has a region in contact with a lateral face of the gate electrode layer. The second insulating layer has a region in contact with the gate insulating layer. The oxide semiconductor layer has first to third regions. The first region has a region overlapping the gate electrode layer. The second region has a region overlapping the gate insulating layer or the second insulating layer. The second region is a region between the first region and the third region. The second region and the third region have a region containing an element N (N is phosphor, argon, or xenon).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置またはその作製方法に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, the present invention relates to, for example, a semiconductor device, a display device, a light emitting device, a power storage device, an imaging device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. Further, the memory device, the display device, and the electronic device may include a semiconductor device.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(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系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 A technique for forming a transistor using a semiconductor 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 silicon-based semiconductor material 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、トランジスタの活性層として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、および亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物半導体層を用いたトランジスタが特許文献1に開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a transistor using an amorphous oxide semiconductor layer containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) as an active layer of the transistor.

特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A

トランジスタを高集積化させた半導体装置を作製していくうえで、トランジスタの微細化は不可欠である。しかしながら、トランジスタの微細化において、トランジスタの寄生容量の増加が問題となる。 Miniaturization of a transistor is indispensable for manufacturing a semiconductor device in which transistors are highly integrated. However, an increase in the parasitic capacitance of the transistor becomes a problem in miniaturization of the transistor.

例えば、トランジスタ動作において、チャネル近傍(例えば、ソース電極−ドレイン電極間)に寄生容量が存在する場合、寄生容量の充電に要する時間が必要となる。そのため、トランジスタの応答性、ひいては半導体装置の応答性を低下させてしまう。 For example, in the transistor operation, when a parasitic capacitance exists near the channel (for example, between the source electrode and the drain electrode), time required for charging the parasitic capacitance is required. Therefore, the responsiveness of the transistor, and consequently the responsiveness of the semiconductor device is degraded.

また、トランジスタの微細化が進むにつれ、トランジスタの形状制御性は困難を増す。製造工程により生じるばらつきが、トランジスタ特性、さらには信頼性に大きな影響を与えてしまう。 Further, as the miniaturization of the transistor advances, the shape controllability of the transistor becomes more difficult. Variation caused by the manufacturing process greatly affects transistor characteristics and further reliability.

したがって、本発明の一態様は、トランジスタの寄生容量を低減することを目的の一つする。または、高速動作が可能な半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、電気特性が良好な半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、トランジスタまたは半導体装置の、製造工程に起因した特性のばらつきを低減することを目的の一つとする。または、酸素欠損の少ない酸化物半導体層を有する半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、酸化物半導体層近傍の界面準位密度を低減することができる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。または上記半導体装置の作製方法を提供することを目的の一つとする。 Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to reduce the parasitic capacitance of a transistor. Another object is to provide a semiconductor device capable of high-speed operation. Another object is to provide a semiconductor device with favorable electrical characteristics. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object is to reduce variation in characteristics of a transistor or a semiconductor device due to a manufacturing process. Another object is to provide a semiconductor device including an oxide semiconductor layer with few oxygen vacancies. Another object is to provide a semiconductor device which can be formed by a simple process. Another object is to provide a semiconductor device having a structure in which the interface state density in the vicinity of an oxide semiconductor layer can be reduced. Another object is to provide a semiconductor device with low power consumption. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like. Another object is to provide a method for manufacturing the semiconductor device.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

(1)
本発明の一態様は、基板上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、第1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、第2金属酸化物層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上のゲート電極層と、を有し、酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、第1領域および第2領域は、ゲート電極層と重なる領域を有し、第2領域は、第1領域と第3領域の間の領域であって、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有し、第2領域および、第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有することを特徴とする半導体装置である。
(1)
One embodiment of the present invention includes a first insulating layer over a substrate, a first metal oxide layer over the first insulating layer, an oxide semiconductor layer over the first metal oxide layer, and an oxide semiconductor layer A second metal oxide layer; a gate insulating layer over the second metal oxide layer; and a gate electrode layer over the gate insulating layer. The oxide semiconductor layer includes first to third regions. The first region and the second region have a region overlapping with the gate electrode layer, the second region is a region between the first region and the third region, and the second region is the first region. The third region has a region having a lower resistance than the second region, and the second region and the third region have an element N (N is phosphorus, argon, , Xenon), a semiconductor device characterized by having a region.

(2)
本発明の別の一態様は、基板上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、第1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、第1絶縁層、酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、第2金属酸化物層上の第1ゲート絶縁層と、第1ゲート絶縁層上のゲート電極層と、を有し、第2金属酸化物層、および第1ゲート絶縁層は、第1金属酸化物層、酸化物半導体層の側面と対向する領域を有し、酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、第1領域および第2領域は、ゲート電極層と重なる領域を有し、第2領域は、第1領域と第3領域の間の領域であって、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有し、第2領域および、第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(2)
Another embodiment of the present invention includes a first insulating layer over a substrate, a first metal oxide layer over the first insulating layer, an oxide semiconductor layer over the first metal oxide layer, and a first insulating layer. A second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer, a first gate insulating layer on the second metal oxide layer, and a gate electrode layer on the first gate insulating layer, and the second metal oxide layer The physical layer and the first gate insulating layer have regions facing the side surfaces of the first metal oxide layer and the oxide semiconductor layer. The oxide semiconductor layer has first to third regions. The first region and the second region have a region overlapping with the gate electrode layer, the second region is a region between the first region and the third region, and the second region is compared with the first region. The third region has a low resistance region as compared with the second region, and the second region and the third region include the element N (N is phosphorus, argon, Senone) to have a region having a semiconductor device according to claim.

(3)
本発明の別の一態様は、(2)において、第1ゲート絶縁層、およびゲート電極層の間に第2ゲート絶縁層を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(3)
Another embodiment of the present invention is a semiconductor device characterized in that, in (2), a second gate insulating layer is provided between the first gate insulating layer and the gate electrode layer.

(4)
本発明の別の一態様は、(1)乃至(3)のいずれか一において、第2領域は、第1領域に比して元素Nの濃度が高い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して元素Nの濃度が高い領域を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(4)
According to another aspect of the present invention, in any one of (1) to (3), the second region has a region where the concentration of element N is higher than that of the first region, and the third region is It is a semiconductor device characterized by having a region where the concentration of element N is higher than that of the second region.

(5)
本発明の別の一態様は、(1)乃至(4)のいずれか一項において、第3領域は元素Nの濃度が1×1018atoms/cm以上1×1022atoms/cm以下である領域を有すること、を特徴とする半導体装置。
(5)
According to another embodiment of the present invention, in any one of (1) to (4), the concentration of the element N in the third region is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 22 atoms / cm 3 or less. A semiconductor device characterized by having a region.

(6)
本発明の一態様は、基板上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、第1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、第2金属酸化物層上のゲート絶縁層と、第2金属酸化物層上の第2絶縁層と、ゲート絶縁層上のゲート電極層と、を有し、ゲート絶縁層は、ゲート電極層の側面と接する領域を有し第2絶縁層は、ゲート絶縁層と接する領域を有し、酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、第1領域は、ゲート電極層と重なる領域を有し、第2領域は、ゲート絶縁層、または第2絶縁層と重なる領域を有し、第2領域は、第1領域と第3領域の間の領域であって、第2領域および、第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(6)
One embodiment of the present invention includes a first insulating layer over a substrate, a first metal oxide layer over the first insulating layer, an oxide semiconductor layer over the first metal oxide layer, and an oxide semiconductor layer A gate having a second metal oxide layer, a gate insulating layer on the second metal oxide layer, a second insulating layer on the second metal oxide layer, and a gate electrode layer on the gate insulating layer; The insulating layer has a region in contact with the side surface of the gate electrode layer, the second insulating layer has a region in contact with the gate insulating layer, the oxide semiconductor layer has first to third regions, The region has a region overlapping with the gate electrode layer, the second region has a gate insulating layer or a region overlapping with the second insulating layer, and the second region is a region between the first region and the third region. The second region and the third region have a region containing the element N (N is phosphorus, argon, xenon). A conductor arrangement.

(7)
本発明の別の一態様は、(6)において、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(7)
According to another aspect of the present invention, in (6), the second region has a region having a lower resistance than the first region, and the third region is a region having a lower resistance than the second region. It is a semiconductor device characterized by having.

(8)
本発明の別の一態様は、(6)または(7)において、基板底面とゲート電極層の側面の接線がなす角は、60度以上85度以下である領域を有すること、を特徴とする半導体装置。
(8)
Another embodiment of the present invention is characterized in that in (6) or (7), the angle formed by the tangent line between the bottom surface of the substrate and the side surface of the gate electrode layer has a region that is greater than or equal to 60 degrees and less than or equal to 85 degrees. Semiconductor device.

(9)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一部をエッチングすることにより第3金属酸化物層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、第4絶縁層および第3金属酸化物層上に第5絶縁層を形成し、第5絶縁層上に第1導電層を形成し、第1導電層および第5絶縁層に対して第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて第4絶縁層および第6絶縁層をエッチングすることにより、ゲート絶縁層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(9)
In another embodiment of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, The stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using the first mask to form the second metal oxide layer and the second oxide semiconductor layer, and the second oxidation Forming a third metal oxide layer on the physical semiconductor layer and the first insulating layer, forming a second insulating layer on the third metal oxide layer, and performing a planarization treatment on the second insulating layer; To form a fourth insulating layer having a groove reaching the third metal oxide layer by etching a part of the third insulating layer using a second mask. A fifth insulating layer is formed on the insulating layer and the third metal oxide layer, a first conductive layer is formed on the fifth insulating layer, and the first conductive layer is formed. The fifth insulating layer is planarized until the fourth insulating layer is exposed to form the gate electrode layer and the sixth insulating layer, and the fourth insulating layer and the sixth insulating layer are formed using the gate electrode layer as a mask. A gate insulating layer is formed by etching the insulating layer, and a source region and a drain region are formed by adding ions to the second oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask. This is a method for manufacturing a semiconductor device.

(10)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第1ゲート絶縁層を形成し、第1ゲート絶縁層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、第1ゲート絶縁層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、第4絶縁層および第1ゲート絶縁層上に第1導電層を形成し、第1導電層に対して第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて、第4絶縁層をエッチングすることにより、第1ゲート絶縁層を露出する領域を設け、ゲート電極層をマスクとして用いて第1絶縁層をエッチングすることにより、第2ゲート絶縁層を形成し、第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(10)
In another embodiment of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, The stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using the first mask to form the second metal oxide layer and the second oxide semiconductor layer, and the second oxidation Forming a third metal oxide layer on the physical semiconductor layer and the first insulating layer; forming a first gate insulating layer on the third metal oxide layer; and forming a second insulating layer on the first gate insulating layer Forming a third insulating layer by performing planarization treatment on the second insulating layer, and etching a part of the third insulating layer using the second mask to thereby form the first gate insulating layer; Forming a fourth insulating layer having a groove reaching the first conductive layer, and forming a first conductive layer on the fourth insulating layer and the first gate insulating layer By planarizing the first conductive layer until the fourth insulating layer is exposed, a gate electrode layer is formed, and the fourth insulating layer is etched using the gate electrode layer as a mask. A region exposing one gate insulating layer is provided, and the first insulating layer is etched using the gate electrode layer as a mask to form a second gate insulating layer, and ions are added to the second oxide semiconductor layer Thus, a method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that a source region and a drain region are formed.

(11)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第1ゲート絶縁層を形成し、第1ゲート絶縁層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、第1ゲート絶縁層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、第4絶縁層および第1ゲート絶縁層上に第5絶縁層を形成し、第5絶縁層上に第1導電層を形成し、第1導電層、および第5絶縁層に対して第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて第4絶縁層、および第6絶縁層をエッチングすることにより、第1ゲート絶縁層を露出する領域を設け、第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(11)
In another embodiment of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, The stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using the first mask to form the second metal oxide layer and the second oxide semiconductor layer, and the second oxidation Forming a third metal oxide layer on the physical semiconductor layer and the first insulating layer; forming a first gate insulating layer on the third metal oxide layer; and forming a second insulating layer on the first gate insulating layer Forming a third insulating layer by performing planarization treatment on the second insulating layer, and etching a part of the third insulating layer using the second mask to thereby form the first gate insulating layer; A fourth insulating layer having a groove reaching the first insulating layer is formed, and a fifth insulating layer is formed on the fourth insulating layer and the first gate insulating layer The first conductive layer is formed on the fifth insulating layer, and the first conductive layer and the fifth insulating layer are planarized until the fourth insulating layer is exposed, whereby the gate electrode layer and the sixth insulating layer are formed. Forming a layer and etching the fourth insulating layer and the sixth insulating layer using the gate electrode layer as a mask, thereby providing a region exposing the first gate insulating layer; A method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that a source region and a drain region are formed by adding ions.

(12)
本発明の別の一態様は、(9)乃至(11)のいずれか一項において、イオン添加において、リン、アルゴン、またはキセノンを用いること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(12)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of (9) to (11), in which phosphorus, argon, or xenon is used for ion addition.

(13)
本発明の別の一態様は、(9)乃至(12)のいずれか一項において、イオン添加において、イオンのドーズ量は1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(13)
According to another aspect of the present invention, in any one of (9) to (12), in the ion addition, a dose amount of ions is 1 × 10 14 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less. A method for manufacturing a semiconductor device.

(14)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより、第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、第3金属酸化物層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、第4絶縁層および第3金属酸化物層上に第5絶縁層を形成し、第5絶縁層上に第1導電層を形成し、第1導電層および第5絶縁層に対して、第4絶縁層が露出するまで平坦化処理をすることにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて、第4絶縁層および第6絶縁層をエッチングすることにより、ゲート電極層の側面と接する領域を有するゲート絶縁層、およびゲート絶縁層と接する領域を有する第7絶縁層を形成し、第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(14)
In another embodiment of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, The stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using the first mask, thereby forming the second metal oxide layer and the second oxide semiconductor layer. A third metal oxide layer is formed over the oxide semiconductor layer and the first insulating layer, a second insulating layer is formed over the third metal oxide layer, and planarization treatment is performed on the second insulating layer. By forming a third insulating layer and etching a part of the third insulating layer using a second mask, a fourth insulating layer having a groove reaching the third metal oxide layer is formed. Forming a fifth insulating layer on the fourth insulating layer and the third metal oxide layer; forming a first conductive layer on the fifth insulating layer; The gate electrode layer and the sixth insulating layer are formed by planarizing the layer and the fifth insulating layer until the fourth insulating layer is exposed, and the fourth insulating layer is formed using the gate electrode layer as a mask. By etching the layer and the sixth insulating layer, a gate insulating layer having a region in contact with the side surface of the gate electrode layer and a seventh insulating layer having a region in contact with the gate insulating layer are formed, and the second oxide semiconductor layer is formed. A method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that a source region and a drain region are formed by ion addition.

(15)
本発明の別の一態様は、(14)において、イオン添加において、リン、アルゴン、またはキセノンを用いること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(15)
Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to (14), wherein phosphorus, argon, or xenon is used for ion addition.

(16)
本発明の別の一態様は、(14)または(15)において、イオン添加において、イオンのドーズ量は1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(16)
Another embodiment of the present invention is that in (14) or (15), in the ion addition, the ion dose is 1 × 10 14 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less. This is a feature of a method for manufacturing a semiconductor device.

(17)
本発明の別の一態様は、(14)乃至(16)のいずれか一項において、ゲート電極層の側面の接線と、基板の底面がなす角は、60度以上85度以下である領域を有すること、を特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(17)
Another embodiment of the present invention is the region according to any one of (14) to (16), in which the angle formed between the tangent to the side surface of the gate electrode layer and the bottom surface of the substrate is greater than or equal to 60 degrees and less than or equal to 85 degrees. It is a manufacturing method of a semiconductor device characterized by having.

(18)
本発明の別の一態様は、(1)乃至(8)のいずれか一項に記載の半導体装置と、筐体と、スピーカーと、を有することを特徴とする電子機器である。
(18)
Another embodiment of the present invention is an electronic device including the semiconductor device according to any one of (1) to (8), a housing, and a speaker.

したがって、本発明の一態様を用いることにより、トランジスタの寄生容量を低減することができ、高速動作が可能な半導体装置を提供することができる。または、電気特性が良好な半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、トランジスタまたは半導体装置の、製造工程に起因した特性のばらつきを低減することができる。または、酸素欠損の少ない酸化物半導体層を有する半導体装置を提供することができる。または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体層近傍の界面準位密度を低減することができる構成の半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。または上記半導体装置の作製方法を提供することができる。 Thus, by using one embodiment of the present invention, a parasitic capacitance of a transistor can be reduced and a semiconductor device capable of high speed operation can be provided. Alternatively, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, variation in characteristics of a transistor or a semiconductor device due to a manufacturing process can be reduced. Alternatively, a semiconductor device including an oxide semiconductor layer with few oxygen vacancies can be provided. Alternatively, a semiconductor device that can be formed by a simple process can be provided. Alternatively, a semiconductor device having a structure in which the interface state density in the vicinity of an oxide semiconductor layer can be reduced can be provided. Alternatively, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device or the like can be provided. Alternatively, a method for manufacturing the 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.

トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタの断面図、およびバンド図を説明する模式図。4A and 4B are a schematic diagram illustrating a cross-sectional view and a band diagram of a transistor. ALD成膜原理を説明する図。The figure explaining the ALD film-forming principle. ALD装置概要図。ALD apparatus schematic diagram. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor. 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. 半導体装置の断面図および回路図。2A and 2B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device. 半導体装置の断面図および回路図。2A and 2B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device. 撮像装置を示す平面図。The top view which shows an imaging device. 撮像装置の画素を示す平面図。The top view which shows the pixel of an imaging device. 撮像装置を示す断面図。Sectional drawing which shows an imaging device. 撮像装置を示す断面図。Sectional drawing which shows an imaging device. 本発明の一態様の半導体装置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 illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置を説明するためのグラフおよび回路図。10A and 10B are a graph and a circuit diagram illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置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 illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置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 illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. RFタグの構成例を説明する図。FIG. 6 illustrates a configuration example of an RF tag. CPUの構成例を説明する図。The figure explaining the structural example of CPU. 記憶素子の回路図。The circuit diagram of a memory element. 表示装置の構成例を説明する図および画素の回路図。8A and 8B illustrate a structure example of a display device and a circuit diagram of a pixel. 液晶表示装置の上面図および断面図。The top view and sectional drawing of a liquid crystal display device. 表示装置の上面図および断面図。The top view and sectional drawing of a display apparatus. 表示モジュールを説明する図。The figure explaining a display module. リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図およびモジュールの構成。The perspective view showing the cross-sectional structure of the package using a lead frame type interposer, and the structure of a module. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device. 測定サンプルの断面図。Sectional drawing of a measurement sample. イオン注入後の測定サンプルのシート抵抗測定結果。The sheet resistance measurement result of the measurement sample after ion implantation. イオン注入後の測定サンプルのシート抵抗測定結果。The sheet resistance measurement result of the measurement sample after ion implantation. イオン注入後の測定サンプルのシート抵抗測定結果。The sheet resistance measurement result of the measurement sample after ion implantation. 試料のXRDスペクトルの測定結果を説明する図。The figure explaining the measurement result of the XRD spectrum of a sample. 試料のTEM像、および電子線回折パターンを説明する図。The figure explaining the TEM image of a sample, and an electron beam diffraction pattern. 試料のEDXマッピングを説明する図。The figure explaining the EDX mapping of a sample.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. Note that hatching of the same elements constituting the drawings may be appropriately omitted or changed between different drawings.

例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 For example, in this specification and the like, when X and Y are explicitly described as being connected, X and Y are electrically connected, and X and Y are functional. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and anything other than the connection relation shown in the figure or text is also described in the figure or text.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element that enables electrical connection between X and Y (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, etc.) Element, light emitting element, load, etc.) are not connected between X and Y, and elements (for example, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y X and Y are not connected via a resistor element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, or the like.

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables electrical connection between X and Y is shown. More than one element, light emitting element, load, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state), and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which a current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables a functional connection between X and Y, signal conversion, etc. Circuit (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuit, amplifier circuit (circuit that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifier, differential amplifier circuit, source follower circuit, buffer circuit, etc.), signal generation circuit, memory circuit, control circuit, etc.) One or more can be connected between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, X and Y are functionally connected. To do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, a case where X and Y are electrically connected (that is, there is a separate connection between X and Y). And X and Y are functionally connected (that is, they are functionally connected with another circuit between X and Y). And the case where X and Y are directly connected (that is, the case where another element or another circuit is not connected between X and Y). It shall be disclosed in the document. In other words, when it is explicitly described that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly described only that it is connected are disclosed in this specification and the like. It is assumed that

なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。 Note that for example, the source (or the first terminal) of the transistor is electrically connected to X through (or not through) Z1, and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is connected to Z2. Through (or without), Y is electrically connected, or the source (or the first terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z1, and another part of Z1 Is directly connected to X, and the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. Then, it can be expressed as follows.

例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 For example, “X and Y, and the source (or the first terminal or the like) and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor are electrically connected to each other. The drain of the transistor (or the second terminal, etc.) and the Y are electrically connected in this order. ” Or “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X, the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y, and X or the source ( Or the first terminal or the like, the drain of the transistor (or the second terminal, or the like) and Y are electrically connected in this order. Or “X is electrically connected to Y through the source (or the first terminal) and the drain (or the second terminal) of the transistor, and X is the source of the transistor (or the first terminal). Terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. By using the same expression method as in these examples and defining the order of connection in the circuit configuration, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor are separated. Apart from that, the technical scope can be determined.

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、上記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)との間の経路であり、上記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の接続経路は、上記第2の接続経路を有しておらず、上記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、上記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の接続経路は、上記第2の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、上記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、上記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 Alternatively, as another expression method, for example, “a source (or a first terminal or the like of a transistor) is electrically connected to X through at least a first connection path, and the first connection path is The second connection path does not have a second connection path, and the second connection path includes a transistor source (or first terminal or the like) and a transistor drain (or second terminal or the like) through the transistor. The first connection path is a path through Z1, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y through at least the third connection path. The third connection path is connected and does not have the second connection path, and the third connection path is a path through Z2. " Or, “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X via Z1 by at least the first connection path, and the first connection path is the second connection path. The second connection path has a connection path through the transistor, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is at least connected to Z2 by the third connection path. , Y, and the third connection path does not have the second connection path. Or “the source of the transistor (or the first terminal or the like) is electrically connected to X through Z1 by at least a first electrical path, and the first electrical path is The second electrical path is an electrical path from the source (or first terminal or the like) of the transistor to the drain (or second terminal or the like) of the transistor; The drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y through Z2 by at least a third electrical path, and the third electrical path is a fourth electrical path. The fourth electrical path is an electrical path from the drain (or second terminal or the like) of the transistor to the source (or first terminal or the like) of the transistor. can do. Using the same expression method as those examples, by defining the connection path in the circuit configuration, the source (or the first terminal or the like) of the transistor and the drain (or the second terminal or the like) are distinguished. The technical scope can be determined.

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, and the like).

なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 In addition, even when the components shown in the circuit diagram are electrically connected to each other, even when one component has the functions of a plurality of components. There is also. For example, in the case where a part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the functions of the constituent elements of the wiring function and the electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.

<図面を説明する記載に関する付記> <Additional notes regarding the description explaining the drawings>

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 this specification, the terms and phrases such as “above” and “below” are used for convenience in describing 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、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。 Further, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the components is directly above or directly below, and is in direct contact with each other. For example, the expression “electrode B on the insulating layer A” does not require the electrode B to be formed in direct contact with the insulating layer A, and another configuration between the insulating layer A and the electrode B. Do not exclude things that contain elements.

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

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

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために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 shown in an arbitrary size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. Note that the drawings are schematically shown for the sake of clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.

また、図面において、上面図(平面図、レイアウト図ともいう)や斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。 In the drawings, some components may be omitted from the top view (also referred to as a plan view or a layout view) or a perspective view in order to clarify the drawing.

また、「同一」とは、同一の面積を有してよいし、同一の形状を有してもよい。また、製造工程の関係上、完全に同一の形状とならないことも想定されるので、略同一であっても同一であると言い換えることができる。 In addition, “same” may have the same area or the same shape. Moreover, since it is assumed that it does not become the completely same shape on the relationship of a manufacturing process, it can paraphrase that it is the same even if it is substantially the same.

<言い換え可能な記載に関する付記> <Additional notes on paraphrased descriptions>

本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In this specification and the like, when describing a connection relation of a transistor, one of a source and a drain is referred to as “one of a source and a drain” (or a first electrode or a first terminal), and the source and the drain The other is referred to as “the other of the source and the drain” (or the second electrode or the second terminal). This is because the source and drain of a transistor vary depending on the structure or operating conditions of the transistor. Note that the names of the source and the drain of the transistor can be appropriately rephrased depending on the situation, such as a source (drain) terminal or a source (drain) electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。 Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

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、ドレイン領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)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。 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.

ここで、ソースとドレインとは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるため、いずれがソース又はドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソースとして機能する部分、及びドレインとして機能する部分を、ソース又はドレインと呼ばず、ソースとドレインとの一方を第1電極と表記し、ソースとドレインとの他方を第2電極と表記する場合がある。 Here, since the source and the drain vary depending on the structure or operating conditions of the transistor, it is difficult to limit which is the source or the drain. Therefore, a portion that functions as a source and a portion that functions as a drain are not referred to as a source or a drain, but one of the source and the drain is referred to as a first electrode, and the other of the source and the drain is referred to as a second electrode. There is a case.

なお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。 Note that the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” used in this specification are added to avoid confusion between components, and are not limited in number. To do.

また、本明細書等では、表示パネルの基板に、例えばFPC(Flexible Printed Circuits)もしくはTCP(Tape Carrier Package)などが取り付けられたもの、または基板にCOG(Chip On Glass)方式によりIC(集積回路)が直接実装されものを、表示装置と呼ぶ場合がある。 Further, in this specification and the like, an IC (integrated circuit) is formed on a substrate of a display panel, for example, by attaching FPC (Flexible Printed Circuits) or TCP (Tape Carrier Package) or the like to the substrate by a COG (Chip On Glass) method. ) May be called a display device.

また、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、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。 The terms “film” and “layer” can be interchanged with each other depending on circumstances or circumstances. 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.

<語句の定義に関する付記>
以下では、本明細書等における語句の定義について説明する。
<Notes on the definition of words>
Below, the definition of the phrase in this specification etc. is demonstrated.

本明細書において、「トレンチ」、または「溝」という用語を用いた場合、細い帯状の凹みをいう。 In this specification, when the term “trench” or “groove” is used, it refers to a thin strip-shaped recess.

<接続について> <About connection>

本明細書において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。 In this specification, “A and B are connected” includes not only those in which A and B are directly connected but also those that are electrically connected. Here, A and B are electrically connected. When there is an object having some electrical action between A and B, it is possible to send and receive electrical signals between A and B. It says that.

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、および/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。 Note that the content described in one embodiment (may be a part of content) is different from the content described in the embodiment (may be a part of content) and / or one or more Application, combination, replacement, or the like can be performed on the content described in another embodiment (or part of the content).

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。 Note that the contents described in the embodiments are the contents described using various drawings or the contents described in the specification in each embodiment.

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

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置と、その製造方法について図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.

<トランジスタ10の構造>
図1(A)、図1(B)、図1(C)は、本発明の一態様のトランジスタ10の上面図および断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(B)は図1(A)に示す一点鎖線A1−A2間、図1(C)は図1(A)に示すA3−A4間の断面図である。なお、図1(A)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線A1−A2方向をチャネル長方向、一点鎖線A3−A4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
<Structure of transistor 10>
1A, 1B, and 1C are a top view and a cross-sectional view of a transistor 10 of one embodiment of the present invention. 1A is a top view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along alternate long and short dash line A1-A2 shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-section taken along A3-A4 shown in FIG. FIG. Note that in FIG. 1A, some elements are enlarged, reduced, or omitted for clarity of illustration. The direction of the alternate long and short dash line A1-A2 may be referred to as a channel length direction, and the direction of the alternate long and short dash line A3-A4 may be referred to as a channel width direction.

トランジスタ10は、基板100と、絶縁層110と、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123と、低抵抗領域125と、ゲート絶縁層150と、ゲート電極層160と、絶縁層180と、導電層190と、導電層195と、を有する。 The transistor 10 includes a substrate 100, an insulating layer 110, a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, a metal oxide layer 123, a low resistance region 125, a gate insulating layer 150, a gate electrode layer 160, The insulating layer 180, the conductive layer 190, and the conductive layer 195 are included.

絶縁層110は、基板100上に設けられる。 The insulating layer 110 is provided on the substrate 100.

金属酸化物層121は、絶縁層110上に設けられる。 The metal oxide layer 121 is provided over the insulating layer 110.

酸化物半導体層122は、金属酸化物層121上に設けられる。また、酸化物半導体層122は、低抵抗領域125を有する。低抵抗領域は、水素、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ボロン、リン、タングステン、アルミニウムのいずれか一以上を有する。低抵抗領域125は、ソース、あるいはドレインとしての機能を有する。 The oxide semiconductor layer 122 is provided over the metal oxide layer 121. The oxide semiconductor layer 122 includes a low resistance region 125. The low resistance region includes one or more of hydrogen, nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, boron, phosphorus, tungsten, and aluminum. The low resistance region 125 functions as a source or a drain.

金属酸化物層123は、酸化物半導体層122上に設けられる。 The metal oxide layer 123 is provided over the oxide semiconductor layer 122.

ゲート絶縁層150は、金属酸化物層123上に設けられる。 The gate insulating layer 150 is provided over the metal oxide layer 123.

ゲート電極層160は、ゲート絶縁層150上に設けられる。なお、ゲート電極層160と、ゲート絶縁層150と、金属酸化物層123と、酸化物半導体層122は、重畳して設けられる。 The gate electrode layer 160 is provided over the gate insulating layer 150. Note that the gate electrode layer 160, the gate insulating layer 150, the metal oxide layer 123, and the oxide semiconductor layer 122 are provided so as to overlap with each other.

絶縁層180は、絶縁層110上に設けられる。 The insulating layer 180 is provided over the insulating layer 110.

導電層190は、低抵抗領域125上に設けられる。導電層190と低抵抗領域125は、電気的に接続する領域を有する。 The conductive layer 190 is provided over the low resistance region 125. The conductive layer 190 and the low resistance region 125 have a region to be electrically connected.

導電層195は、導電層190上に設けられる。 The conductive layer 195 is provided over the conductive layer 190.

低抵抗領域125は、ゲート電極層下にも一部設けることができる。ゲート電極層160に重なるチャネル領域を第1領域、ゲート電極層160に重なる領域であって一部イオンが拡散した低抵抗領域125を第2領域、ゲート電極層160が重ならない低抵抗領域を第3領域とすると、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有するということができる。抵抗は、抵抗値測定(例えばシート抵抗測定)することで得られ、不純物濃度により制御することができる。また、第3領域において、上記に示した元素の濃度が1×1018atoms/cm以上1×1022atoms/cm以下である領域を有する。 The low resistance region 125 can be partly provided below the gate electrode layer. The channel region that overlaps with the gate electrode layer 160 is the first region, the region that overlaps with the gate electrode layer 160, the low resistance region 125 in which ions are partially diffused is the second region, and the low resistance region that does not overlap with the gate electrode layer 160 is the first region. Assuming that there are three regions, it can be said that the second region has a region having a lower resistance than that of the first region, and the third region has a region having a lower resistance than that of the second region. The resistance is obtained by measuring a resistance value (for example, sheet resistance measurement), and can be controlled by the impurity concentration. In addition, the third region has a region where the concentration of the above-described element is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 22 atoms / cm 3 or less.

<金属酸化物層について>
なお、金属酸化物層(例えば金属酸化物層121、金属酸化物層123)とは、基本的に絶縁性を有し、ゲート電界又はドレイン電界が強くなった場合に半導体との界面近傍において電流が流れることのできる層をいう。
<About the metal oxide layer>
Note that the metal oxide layers (e.g., the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123) basically have insulating properties, and current flows in the vicinity of the interface with the semiconductor when the gate electric field or the drain electric field becomes strong. A layer that can flow through.

上記構造とすることで、ゲート―ソース間、またはゲート―ドレイン間の寄生容量を小さくすることができる。その結果、トランジスタ10の遮断周波数特性が向上するなど、トランジスタの高速動作が可能となる。 With the above structure, the parasitic capacitance between the gate and the source or between the gate and the drain can be reduced. As a result, the transistor 10 can operate at high speed, such as improved cutoff frequency characteristics.

また、トランジスタ10は、セルフアラインでゲート、ソース、ドレインを形成することができるため、位置合わせの難易度が低下する。これにより、微細なトランジスタを容易に作製することが可能となる。 In addition, since the gate, the source, and the drain of the transistor 10 can be formed by self-alignment, the alignment difficulty is lowered. Thus, a fine transistor can be easily manufactured.

トランジスタ10は、図1(C)A3−A4断面図に示すように、チャネル幅方向において、ゲート電極層160はゲート絶縁層150を介して、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123の側面と対向する領域を有する。即ち、ゲート電極層160に電圧が印加されると、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123は、チャネル幅方向においてゲート電極層160の電界で囲まれる。ゲート電極層の電界で半導体が囲まれるトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。 In the transistor 10, the gate electrode layer 160 includes a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, a metal through a gate insulating layer 150 in the channel width direction, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. A region facing the side surface of the oxide layer 123 is provided. That is, when a voltage is applied to the gate electrode layer 160, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are surrounded by the electric field of the gate electrode layer 160 in the channel width direction. A structure of a transistor in which a semiconductor is surrounded by an electric field of a gate electrode layer is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure.

ここで、金属酸化物層121と、酸化物半導体層122と、金属酸化物層123を合わせて酸化物とした場合、トランジスタ10において、オン状態では当該酸化物全体(バルク)にチャネルが形成されるため、オン電流が増大する。一方、オフ状態の場合、ワイドバンドギャップの酸化物半導体層122に形成されるチャネル領域が電位障壁となるため、オフ電流をさらに小さくすることができる。 Here, in the case where the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are combined to form an oxide, a channel is formed in the whole oxide (bulk) in the transistor 10 in the on state. Therefore, the on-current increases. On the other hand, in the off state, the channel region formed in the oxide semiconductor layer 122 with a wide band gap serves as a potential barrier, so that the off-state current can be further reduced.

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

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

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

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

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

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

<微細化における特性向上>
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮小するとオン電流が低下する。
<Improved characteristics in miniaturization>
Miniaturization of transistors is indispensable for high integration of semiconductor devices. On the other hand, it is known that the electrical characteristics of a transistor deteriorate due to miniaturization of the transistor, and when the channel width is reduced, the on-state current is reduced.

例えば、図1に示す本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように、チャネルが形成される酸化物半導体層122を覆うように金属酸化物層123が形成されており、チャネル形成領域とゲート絶縁層が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成領域とゲート絶縁層との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。 For example, in the transistor of one embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, as described above, the metal oxide layer 123 is formed so as to cover the oxide semiconductor layer 122 in which a channel is formed. The insulating layer is not in contact. Therefore, carrier scattering generated at the interface between the channel formation region and the gate insulating layer can be suppressed, and the on-state current of the transistor can be increased.

また、本発明の一態様のトランジスタでは、チャネルとなる酸化物半導体層122のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層160が形成されているため、酸化物半導体層122に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層122の全体にゲート電界が印加されることとなり、電流は酸化物半導体層122全体に流れるようになるため、さらにオン電流を高められる。 In the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode layer 160 is formed so as to electrically surround the channel width direction of the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel. In addition to the gate electric field from the vertical direction, a gate electric field from the side surface direction is applied. That is, a gate electric field is applied to the entire oxide semiconductor layer 122, and current flows through the entire oxide semiconductor layer 122. Therefore, the on-state current can be further increased.

また、本発明の一態様のトランジスタは、金属酸化物層123を金属酸化物層121、酸化物半導体層122上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、酸化物半導体層122を金属酸化物層121と金属酸化物層123の中間に位置する層とすることで上下からの不純物混入を抑制することができる。そのため、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定化や、S値(サブスレッショルド値)を小さくすることができる。したがって、Icut(ゲート電圧VGが0V時の電流)を下げることができ、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。 In addition, in the transistor of one embodiment of the present invention, the metal oxide layer 123 is formed over the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 so that an interface state is hardly formed, and the oxide semiconductor layer 122 By using a layer located between the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, mixing of impurities from above and below can be suppressed. Therefore, in addition to improving the on-state current of the transistor described above, the threshold voltage can be stabilized and the S value (subthreshold value) can be reduced. Therefore, Icut (current when the gate voltage VG is 0 V) can be reduced, and power consumption can be reduced. In addition, since the threshold voltage of the transistor is stabilized, long-term reliability of the semiconductor device can be improved.

また、本発明の一態様のトランジスタは、チャネルとなる酸化物半導体層122のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層160が形成されているため、酸化物半導体層122に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層122の全体にゲート電界が印加されることとなり、ドレイン電界の影響を抑えることができ、ショートチャネル効果を大幅に抑制することができる。したがって、微細化した場合においても、良好な特性を得ることができる。 In the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode layer 160 is formed so as to electrically surround the channel width direction of the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel. In addition to the gate electric field from the vertical direction, a gate electric field from the side surface direction is applied. That is, a gate electric field is applied to the entire oxide semiconductor layer 122, so that the influence of the drain electric field can be suppressed and the short channel effect can be significantly suppressed. Therefore, good characteristics can be obtained even when miniaturized.

また、本発明の一態様のトランジスタは、チャネルとなる酸化物半導体層122にワイドバンドギャップの材料を有することにより、ソースードレイン耐圧特性が高く、また様々な温度環境において安定した電気特性を有することができる。 In addition, since the transistor of one embodiment of the present invention includes a wide band gap material in the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel, the transistor has high source-drain breakdown voltage characteristics and stable electric characteristics in various temperature environments. be able to.

なお、本実施の形態において、チャネルなどにおいて、酸化物半導体層などを用いた場合の例を示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。例えば、チャネルやその近傍、ソース領域、ドレイン領域などを、場合によっては、または、状況に応じて、シリコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体、などを有する材料で形成してもよい。 Note that although an example in which an oxide semiconductor layer or the like is used for a channel or the like is described in this embodiment, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, the channel, the vicinity thereof, the source region, the drain region, etc., depending on the case or depending on the situation, silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide , Gallium nitride, organic semiconductor, or the like.

<トランジスタの各構成>
以下に本実施の形態のトランジスタの各構成について示す。
<Each transistor configuration>
Each structure of the transistor in this embodiment is described below.

《基板100》
基板100には、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板、SOI(Silicon On Insulator)基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。基板100は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート、ソース、ドレインのいずれか一以上は、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
<< Substrate 100 >>
As the substrate 100, for example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. It is also possible to use a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, or the like, and a semiconductor element is formed on these substrates. You may use what was provided. The substrate 100 is not limited to a simple support material, and may be a substrate on which other devices such as transistors are formed. In this case, any one or more of a gate, a source, and a drain of the transistor may be electrically connected to the other device.

また、基板100として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板100に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板100として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板100が伸縮性を有してもよい。また、基板100は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板100の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板100を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板100を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板100上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 Further, a flexible substrate may be used as the substrate 100. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is a method in which a transistor is manufactured over a non-flexible substrate, and then the transistor is peeled and transferred to the substrate 100 which is a flexible substrate. In that case, a separation layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that a sheet, a film, a foil, or the like in which fibers are knitted may be used as the substrate 100. Further, the substrate 100 may have elasticity. Further, the substrate 100 may have a property of returning to the original shape when bending or pulling is stopped. Or you may have a property which does not return to an original shape. The thickness of the substrate 100 is, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate 100 is thinned, the semiconductor device can be reduced in weight. Further, by reducing the thickness of the substrate 100, there are cases where the glass 100 or the like is stretchable or has a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact applied to the semiconductor device on the substrate 100 due to a drop or the like can be reduced. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可撓性基板である基板100としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可撓性基板である基板100は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板100としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板100として好適である。 As the substrate 100 which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin or glass, or fiber thereof can be used. The substrate 100, which is a flexible substrate, is preferable because the deformation due to the environment is suppressed as the linear expansion coefficient is lower. As the substrate 100 that is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less is used. Good. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, acrylic, and polytetrafluoroethylene (PTFE). In particular, since aramid has a low coefficient of linear expansion, it is suitable as the substrate 100 that is a flexible substrate.

《絶縁層110》
絶縁層110は、シリコン(Si)、窒素(N)、酸素(O)、フッ素(F)、水素(H)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)およびタンタル(Ta)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。
<< Insulating layer 110 >>
The insulating layer 110 includes silicon (Si), nitrogen (N), oxygen (O), fluorine (F), hydrogen (H), aluminum (Al), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), An insulating film containing one or more of zirconium (Zr), lanthanum (La), neodymium (Nd), hafnium (Hf), and tantalum (Ta) can be used.

絶縁層110は、基板100からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層122(金属酸化物層121、金属酸化物層123)に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁層110は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、TDS法にて、酸素原子に換算しての酸素放出量が1.0×1019atoms/cm以上である膜とする。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。また、上述のように基板100が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層110は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。 The insulating layer 110 has a role of preventing diffusion of impurities from the substrate 100 and can also serve to supply oxygen to the oxide semiconductor layer 122 (the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123). Therefore, the insulating layer 110 is preferably an insulating film containing oxygen, and more preferably an insulating film containing oxygen larger than the stoichiometric composition. For example, a film having an oxygen release amount converted to oxygen atoms of 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more by the TDS method is used. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C. In addition, when the substrate 100 is a substrate on which another device is formed as described above, the insulating layer 110 also has a function as an interlayer insulating film. In that case, it is preferable to perform a planarization process by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like so that the surface becomes flat.

また、絶縁層110において、フッ素を有することにより、当該絶縁層中からガス化したフッ素が酸化物半導体層122の酸素欠損を安定化させることができる。 In addition, when the insulating layer 110 includes fluorine, fluorine gasified from the insulating layer can stabilize oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122.

《金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123》
金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123は、In若しくはZnを含む酸化物半導体膜であり、代表的には、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−Mg酸化物、Zn−Mg酸化物、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)がある。
<< Metal oxide layer 121, oxide semiconductor layer 122, metal oxide layer 123 >>
The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are oxide semiconductor films containing In or Zn, and are typically In—Ga oxide, In—Zn oxide, In— There are Mg oxide, Zn-Mg oxide, and In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd).

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123として用いることのできる酸化物は、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体層を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。 An oxide that can be used as the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). Or it is preferable that both In and Zn are included. In addition, in order to reduce variation in electric characteristics of a transistor including the oxide semiconductor layer, a stabilizer is preferably included together with the transistor.

スタビライザーとしては、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等がある。 Examples of the stabilizer include gallium (Ga), tin (Sn), hafnium (Hf), aluminum (Al), and zirconium (Zr). Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb). ), Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), and the like.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123中のインジウムやガリウムなどの含有量は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)や、X線電子分光法(XPS)、ICP質量分析(ICP−MS)で比較できる。 Content of indium, gallium, or the like in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 is determined by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) or X-ray electron spectroscopy ( XPS) and ICP mass spectrometry (ICP-MS).

酸化物半導体層122は、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上であるため、トランジスタ10のオフ電流を低減することができる。 Since the oxide semiconductor layer 122 has an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more, the off-state current of the transistor 10 can be reduced.

酸化物半導体層122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50nm以下とする。 The thickness of the oxide semiconductor layer 122 is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 3 nm to 50 nm.

なお、酸化物半導体層122の厚さは、少なくとも金属酸化物層121と比較して、薄く形成してもよいし、同じとしてもよいし、厚く形成してもよい。たとえば、酸化物半導体層122を厚くした場合、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、金属酸化物層121は、酸化物半導体層122の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、酸化物半導体層122の厚さは、金属酸化物層121の厚さに対して、1倍よりも大きく、または2倍以上、または4倍以上、または6倍以上とすることができる。また、トランジスタのオン電流を高める必要のない場合には、金属酸化物層121の厚さを酸化物半導体層122の厚さ以上としてもよい。例えば、絶縁層110、あるいは絶縁層180に酸素を添加した場合、加熱処理により、酸化物半導体層122に含まれる酸素欠損量を低減することができ、半導体装置の電気特性を安定させることができる。 Note that the oxide semiconductor layer 122 may be formed thinner, the same, or thicker than at least the metal oxide layer 121. For example, when the oxide semiconductor layer 122 is thick, the on-state current of the transistor can be increased. The metal oxide layer 121 may have a thickness that does not lose the effect of suppressing the generation of interface states of the oxide semiconductor layer 122. For example, the thickness of the oxide semiconductor layer 122 can be greater than 1 time, 2 times or more, 4 times or more, or 6 times or more with respect to the thickness of the metal oxide layer 121. In the case where it is not necessary to increase the on-state current of the transistor, the thickness of the metal oxide layer 121 may be greater than or equal to the thickness of the oxide semiconductor layer 122. For example, when oxygen is added to the insulating layer 110 or the insulating layer 180, the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced by heat treatment, and the electrical characteristics of the semiconductor device can be stabilized. .

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123、それぞれの組成が異なる場合、界面は、走査型透過電子顕微鏡STEM(Scanning Transmission Electron Microscope)を用いて観察することができる場合がある。 When the compositions of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are different, the interface can be observed using a scanning transmission electron microscope STEM (Scanning Transmission Electron Microscope). There is.

また、酸化物半導体層122は、金属酸化物層121、金属酸化物層123よりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体層では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるため、InがMよりも多い組成となる酸化物はInがMと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層122にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。 In addition, the oxide semiconductor layer 122 preferably has a higher indium content than the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123. In the oxide semiconductor layer, s orbitals of heavy metals mainly contribute to carrier conduction, and by increasing the In content, more s orbitals overlap, so an oxide having a composition with more In than M is obtained. The mobility is higher than that of an oxide having a composition in which In is equal to or less than M. Therefore, by using an oxide containing a large amount of indium for the oxide semiconductor layer 122, a transistor with high field-effect mobility can be realized.

また、酸化物半導体層122がIn−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、スパッタリング法で酸化物半導体層122を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x2:y2:z2とすると、x2/(x2+y2+z2)は、1/3以上とすることが好ましい。酸化物半導体層122が有する金属原子数比も同様の組成を有する。また、x2/y2は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z2/y2は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。これにより、酸化物半導体層122としてCAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、2:1:1.5、2:1:2.3、2:1:3、3:1:2、4:2:3、4:2:4.1等がある。 In the case where the oxide semiconductor layer 122 is an In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), an oxide semiconductor is formed by a sputtering method. In the target used for forming the layer 122, when the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x2: y2: z2, x2 / (x2 + y2 + z2) is preferably 1/3 or more. The metal atomic ratio of the oxide semiconductor layer 122 has a similar composition. Moreover, x2 / y2 is 1/3 or more and 6 or less, more preferably 1 or more and 6 or less, and z2 / y2 is preferably 1/3 or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. Accordingly, a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film is easily formed as the oxide semiconductor layer 122. As typical examples of the atomic ratio of the target metal element, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, 2: 1: 1.5, 2: 1: 2.3, 2: 1: 3, 3: 1: 2, 4: 2: 3, 4: 2: 4.1, and the like.

金属酸化物層121、金属酸化物層123として、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、HfまたはNdを、Inより高い原子数比で有することで、以下の効果を有する場合がある。(1)金属酸化物層121、金属酸化物層123のエネルギーギャップを大きくする。(2)金属酸化物層121、金属酸化物層123の電子親和力を小さくする。(3)外部からの不純物を遮蔽する。(4)酸化物半導体層122と比較して、絶縁性が高くなる。(5)Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、またはNdは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、またはNdをInより高い原子数比で有することで、酸素欠損が生じにくくなる。 By having Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, Hf or Nd at a higher atomic ratio than In as the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, the following effects can be obtained. May have. (1) The energy gap between the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 is increased. (2) The electron affinity of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 is reduced. (3) Shield impurities from the outside. (4) Compared with the oxide semiconductor layer 122, the insulating property is increased. (5) Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, Hf, or Nd is a metal element having a strong binding force with oxygen, so Al, Ti, Ga, Y, Zr, By having Sn, La, Ce, Mg, Hf, or Nd at a higher atomic ratio than In, oxygen vacancies are less likely to occur.

また、金属酸化物層121、および金属酸化物層123は、酸化物半導体層122を構成する元素の一種以上から構成される酸化物である。このため、酸化物半導体層122と金属酸化物層121、および金属酸化物層123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10の電界効果移動度が高くなる。 The metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are oxides composed of one or more elements included in the oxide semiconductor layer 122. Therefore, interface scattering hardly occurs at the interface between the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 121, and the metal oxide layer 123. Accordingly, the movement of carriers is not inhibited at the interface, so that the field effect mobility of the transistor 10 is increased.

金属酸化物層121、金属酸化物層123は、代表的には、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、In−Mg酸化物、Ga−Zn酸化物、Zn−Mg酸化物、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)であり、且つ酸化物半導体層122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、金属酸化物層121、金属酸化物層123の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体層122の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。即ち、金属酸化物層121、金属酸化物層123の電子親和力と、酸化物半導体層122との電子親和力との差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差を示す。 The metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 typically include an In—Ga oxide, an In—Zn oxide, an In—Mg oxide, a Ga—Zn oxide, a Zn—Mg oxide, an In— M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd) and the energy level at the lower end of the conduction band is higher than that of the oxide semiconductor layer 122. Near the vacuum level, typically, the difference between the energy level at the bottom of the conduction band of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 and the energy level at the bottom of the conduction band of the oxide semiconductor layer 122 is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.2 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 and the electron affinity of the oxide semiconductor layer 122 is 0.05 eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0. 2 eV or more, 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. The electron affinity indicates the difference between the vacuum level and the energy level at the bottom of the conduction band.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123がIn−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、スパッタリング法で成膜した酸化物半導体層122と比較して、金属酸化物層121、金属酸化物層123に含まれるM(Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の原子数比が高く、前述のMで表した元素はインジウムよりも酸素と強く結合するため、酸素欠損が金属酸化物層121、金属酸化物層123に生じることを抑制する機能を有する。即ち、金属酸化物層121、金属酸化物層123は酸化物半導体層122よりも酸素欠損が生じにくい酸化物半導体膜である。金属酸化物層121、金属酸化物層123が有する金属原子数比も同様の組成を有する。 In the case where the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), Compared with the oxide semiconductor layer 122 formed by a sputtering method, M (Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, M included in the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 is used. Since the atomic ratio of Hf or Nd) is high and the element represented by M is more strongly bonded to oxygen than indium, oxygen vacancies are prevented from occurring in the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123. It has a function. That is, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are oxide semiconductor films in which oxygen vacancies are less likely to occur than in the oxide semiconductor layer 122. The metal atomic ratio of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 also has the same composition.

また、金属酸化物層121がIn−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、金属酸化物層121を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x1/y1<z1/y1であって、z1/y1は、1/10以上6以下、さらには0.2以上3以下であることが好ましい。 In the case where the metal oxide layer 121 is an In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the metal oxide layer 121 is formed. In the target used for film formation, when the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x1: y1: z1, x1 / y1 <z1 / y1, and z1 / y1 is 1/10 or more. It is preferably 6 or less, more preferably 0.2 or more and 3 or less.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123は、酸化物半導体層122と比較して絶縁性が高いため、ゲート絶縁層と同様の機能を有することができる。 Further, since the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 have higher insulating properties than the oxide semiconductor layer 122, they can have a function similar to that of the gate insulating layer.

また、金属酸化物層123は、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化ゲルマニウム、または酸化ジルコニアに置き換えることもできるし、金属酸化物層123上に当該金属酸化物を有することもできる。 Alternatively, the metal oxide layer 123 can be replaced with a metal oxide such as aluminum oxide, gallium oxide, hafnium oxide, silicon oxide, germanium oxide, or zirconia oxide, or the metal oxide layer 123 can be formed over the metal oxide layer 123. Can also be included.

また、金属酸化物層123は、酸化物半導体層122の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、金属酸化物層121と同等またはそれ以下の厚さとすればよい。金属酸化物層123が厚いと、ゲート電極層160による電界が酸化物半導体層122に届きにくくなる恐れがあるため、金属酸化物層123は薄く形成することが好ましい。例えば、金属酸化物層123は酸化物半導体層122の厚さよりも薄くすればよい。なお、これに限られず、金属酸化物層123の厚さはゲート絶縁層150の耐圧を考慮して、トランジスタを駆動させる電圧に応じて適宜設定すればよい。 The metal oxide layer 123 may have a thickness that does not lose the effect of suppressing the generation of interface states of the oxide semiconductor layer 122. For example, the thickness may be equal to or less than that of the metal oxide layer 121. If the metal oxide layer 123 is thick, an electric field generated by the gate electrode layer 160 may not easily reach the oxide semiconductor layer 122; therefore, the metal oxide layer 123 is preferably formed thin. For example, the metal oxide layer 123 may be thinner than the oxide semiconductor layer 122. Note that the thickness of the metal oxide layer 123 may be set as appropriate depending on the voltage for driving the transistor in consideration of the withstand voltage of the gate insulating layer 150.

例えば、金属酸化物層123の厚さは、1nm以上20nm以下、または3nm以上10nm以下とすることが好ましい。 For example, the thickness of the metal oxide layer 123 is preferably 1 nm to 20 nm, or 3 nm to 10 nm.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123がIn−M−Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、金属酸化物層121、金属酸化物層123を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x3:y3:z3とすると、x3/y3<x2/y2であって、z3/y3は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z3/y3を1以上6以下とすることで、金属酸化物層121、金属酸化物層123としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:3:8、1:4:4、1:4:5、1:4:6、1:4:7、1:4:8、1:5:5、1:5:6、1:5:7、1:5:8、1:6:8、1:6:4、1:9:6等がある。なお、原子数比はこれらに限られず、必要とする半導体特性に応じて適切な原子数比のものを用いればよい。 In the case where the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), In the target used for forming the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, when the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x3: y3: z3, x3 / y3 <x2 / y2. Z3 / y3 is preferably 1/3 or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. Note that when z3 / y3 is greater than or equal to 1 and less than or equal to 6, a CAAC-OS film can be easily formed as the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123. As typical examples of the atomic ratio of the target metal element, In: M: Zn = 1: 3: 2, 1: 3: 4, 1: 3: 6, 1: 3: 8, 1: 4: 4, 1: 4: 5, 1: 4: 6, 1: 4: 7, 1: 4: 8, 1: 5: 5, 1: 5: 6, 1: 5: 7, 1: 5: 8, 1: 6: 8, 1: 6: 4, 1: 9: 6, etc. Note that the atomic ratio is not limited thereto, and an atomic ratio appropriate to the required semiconductor characteristics may be used.

また、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含むことがある。 In addition, the atomic ratios of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may each include a variation of plus or minus 40% of the above atomic ratio as an error.

例えば、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を成膜する場合、成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1を用いて成膜すると、酸化物半導体膜の金属元素の原子数比はIn:Ga:Zn=1:1:0.6程度となり、亜鉛の原子数比が同一あるいは低下する場合がある。したがって、原子数比を記載した場合には、該原子数比の近傍を包含する。 For example, in the case where an oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 is formed, the atomic ratio of metal elements is formed using In: Ga: Zn = 1: 1: 1 in the target used for forming the film. When formed, the atomic ratio of metal elements in the oxide semiconductor film is approximately In: Ga: Zn = 1: 1: 0.6, and the atomic ratio of zinc may be the same or may be decreased. Therefore, when the atomic ratio is described, the vicinity of the atomic ratio is included.

<水素濃度について>
金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合することで、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が含まれている酸化物半導体層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。
<About hydrogen concentration>
Hydrogen contained in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, and at the same time, a lattice from which oxygen is released (or oxygen is desorbed). Oxygen deficiency is formed in the separated part). When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In some cases, a part of hydrogen is bonded to oxygen bonded to a metal atom, so that an electron serving as a carrier is generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor layer containing hydrogen is likely to be normally on.

このため、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面において、酸素欠損と共に、水素ができる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面において二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度は、1×1016atoms/cm以上2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ10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。)を有することができる。 Therefore, it is preferable that hydrogen be reduced as much as possible along with oxygen vacancies in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the interfaces thereof. For example, the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and each interface is 1 × 10 16. atoms / cm 3 to 2 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 5 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 to 1 × It is desirable that it is 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. As a result, the transistor 10 can have electrical characteristics (also referred to as normally-off characteristics) in which the threshold voltage is positive.

<炭素、シリコン濃度について>
また、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123において酸素欠損が増加し、n型領域が形成されてしまう。このため、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面におけるシリコン、および炭素濃度は、低減することが望ましい。例えば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られるシリコンや炭素の濃度は、1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上2×1018atoms/cm以下とすることが望ましい。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性を有する。
<About carbon and silicon concentration>
Further, when silicon or carbon which is one of Group 14 elements is included in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces, the metal oxide layer 121, the oxide In the physical semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123, oxygen vacancies increase and an n-type region is formed. Therefore, it is desirable to reduce the silicon and carbon concentrations at the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces. For example, the concentration of silicon or carbon obtained by SIMS at the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms. / Cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less. Is desirable. As a result, the transistor 10 has an electrical characteristic that the threshold voltage is positive.

<アルカリ金属およびアルカリ土類金属の濃度について>
また、アルカリ金属およ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、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面における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。たとえば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面において、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、好ましくは2×1016atoms/cm以下とすることが望ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性を有することができる。
<Concentration of alkali metal and alkaline earth metal>
Further, when alkali metal and alkaline earth metal are combined with an oxide semiconductor, carriers may be generated, which may increase off-state current of the transistor. For this reason, it is preferable to reduce the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal at the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and their interfaces. For example, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal obtained by secondary ion mass spectrometry is set to 1 × 10 18 at the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces. atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. Thereby, the transistor 10 can have an electrical characteristic that the threshold voltage is positive.

<窒素濃度について>
また、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面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型領域が形成されてしまう。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体層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、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123およびそれぞれの界面において、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、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られる窒素濃度は、1×1015atoms/cm以上5×1019atoms/cm以下、好ましくは1×1015atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1015atoms/cm以上1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm以上5×1017atoms/cm以下にすることが好ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性を有することができる。
<About nitrogen concentration>
In addition, when nitrogen is contained in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces, electrons that are carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type region is increased. Will be formed. As a result, a transistor including an oxide semiconductor layer containing nitrogen is likely to be normally on. Therefore, nitrogen is preferably reduced as much as possible in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces. For example, the nitrogen concentration obtained by SIMS at the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces is 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 19 atoms / cm 3. Or less, preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × It is preferable to set it to 10 15 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. Thereby, the transistor 10 can have an electrical characteristic that the threshold voltage is positive.

ただし、酸化物半導体層122中に余剰の亜鉛を有する場合には、この限りではない。余剰の亜鉛は、酸化物半導体層122中に酸素欠損を形成する恐れがある。そのため、余剰亜鉛を有する場合には、酸化物半導体層122中に0.001乃至3atomic%の窒素を有することにより、余剰亜鉛に起因した酸素欠損を不活化することができる場合がある。したがって、当該窒素によりトランジスタの特性バラつきが解消され、信頼性を向上させることができる。 Note that this is not the case when the oxide semiconductor layer 122 includes excess zinc. Excess zinc may form oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122. Therefore, in the case where surplus zinc is contained, oxygen vacancies due to surplus zinc may be inactivated by including 0.001 to 3 atomic% of nitrogen in the oxide semiconductor layer 122 in some cases. Therefore, the characteristic variation of the transistor is eliminated by the nitrogen, and reliability can be improved.

<キャリア密度について>
金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123の不純物を低減することで、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123のキャリア密度を低減することができる。このため、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、キャリア密度が1×1015個/cm以下、好ましくは1×1013個/cm以下、さらに好ましくは8×1011個/cm未満、より好ましくは1×1011個/cm未満、最も好ましくは1×1010個/cm未満であり、1×10−9個/cm以上とする。
<About carrier density>
By reducing impurities in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, the carrier density of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 is reduced. be able to. Therefore, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 have a carrier density of 1 × 10 15 pieces / cm 3 or less, preferably 1 × 10 13 pieces / cm 3 or less, and more preferably. Is less than 8 × 10 11 pieces / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 11 pieces / cm 3 , most preferably less than 1 × 10 10 pieces / cm 3 , and 1 × 10 −9 pieces / cm 3 or more. To do.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123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層を用いることで、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よぶ。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層は、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、当該酸化物半導体層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層は、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層を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体層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 layer with a low impurity concentration and a low density of defect states as the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, a transistor having more excellent electrical characteristics is manufactured. can do. Here, low impurity concentration and low defect level density (low oxygen deficiency) are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor layer 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 layer tends to have electrical characteristics with a positive threshold voltage. In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor layer has a low defect level density and thus may have a low trap level density. In addition, a transistor including an oxide semiconductor layer with high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic has extremely low off-state current, and the voltage between the source electrode and the drain electrode (drain voltage) is in the range of 1 V to 10 V. It is possible to obtain a characteristic that the off-current is less than the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, 1 × 10 −13 A or less. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor layer may have a small change in electrical characteristics and be a highly reliable transistor.

また、上述のように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1V、5V、または、10V程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数yA/μm乃至数zA/μmにまで低減することが可能となる。 Further, the off-state current of the transistor in which the oxide semiconductor layer purified as described above is used for a channel formation region is extremely small. For example, when the voltage between the source and the drain is about 0.1 V, 5 V, or 10 V, the off-current normalized by the channel width of the transistor is reduced to several yA / μm to several zA / μm. It becomes possible.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば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、多結晶構造、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 metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have a non-single crystal structure, for example. The non-single-crystal structure includes, for example, a CAAC-OS, a polycrystalline structure, a microcrystalline structure, or an amorphous structure which will be described later. 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.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば微結晶構造でもよい。微結晶構造の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶を膜中に含む。または、微結晶構造の酸化物膜および酸化物半導体膜は、例えば、非晶質相に1nm以上10nm未満の結晶部を有する混相構造である。 The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have a microcrystalline structure, for example. The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 having a microcrystalline structure include microcrystals having a size of greater than or equal to 1 nm and less than 10 nm, for example. Alternatively, the oxide film and the oxide semiconductor film having a microcrystalline structure have a mixed phase structure in which an amorphous phase has a crystal part of 1 nm to less than 10 nm, for example.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば非晶質構造でもよい。非晶質構造の、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜および酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。 The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have an amorphous structure, for example. The amorphous metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 have, for example, disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, the oxide film and the oxide semiconductor film having an amorphous structure have a completely amorphous structure and have no crystal part, for example.

なお、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123が、CAAC−OS、微結晶構造、および非晶質構造の二以上の構造の領域を有する混合膜であってもよい。混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、CAAC−OSの領域と、を有する単層構造がある。または、混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、CAAC−OSの領域と、の積層構造がある。 Note that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may be a mixed film including a region having two or more structures of a CAAC-OS, a microcrystalline structure, and an amorphous structure. Good. As the mixed film, for example, there is a single layer structure including an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, and a CAAC-OS region. Alternatively, the mixed film can be a stacked structure of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, and a CAAC-OS region, for example.

なお、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば、単結晶構造を有してもよい。 Note that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have a single crystal structure, for example.

酸化物半導体層122と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物膜を酸化物半導体層122の上下に接して設けることで、酸化物半導体層122における酸素欠損を低減することができる。また、酸化物半導体層122は、酸化物半導体層122を構成する金属元素の一以上を有する金属酸化物層121、金属酸化物層123と接するため、金属酸化物層121と酸化物半導体層122との界面、酸化物半導体層122と金属酸化物層123との界面における界面準位密度が極めて低い。例えば、金属酸化物層121、金属酸化物層123、ゲート絶縁層150、絶縁層110、絶縁層180に酸素を添加した後、加熱処理を行うことで該酸素が金属酸化物層121および金属酸化物層123を経由して酸化物半導体層122へ酸素が移動するが、このときに界面準位において酸素が捕獲されにくく、効率よく金属酸化物層121または金属酸化物層123に含まれる酸素を酸化物半導体層122へ移動させることが可能である。この結果、酸化物半導体層122に含まれる酸素欠損を低減することが可能である。また、金属酸化物層121または金属酸化物層123にも酸素が添加されるため、金属酸化物層121、金属酸化物層123の酸素欠損を低減することが可能である。即ち、少なくとも酸化物半導体層122の局在準位密度を低減することができる。 By providing oxide films in which oxygen vacancies are less likely to occur than the oxide semiconductor layer 122 in contact with the upper and lower portions of the oxide semiconductor layer 122, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. In addition, since the oxide semiconductor layer 122 is in contact with the metal oxide layer 121 including one or more of the metal elements included in the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123, the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 are used. And the interface state density at the interface between the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123 are extremely low. For example, after oxygen is added to the metal oxide layer 121, the metal oxide layer 123, the gate insulating layer 150, the insulating layer 110, and the insulating layer 180, heat treatment is performed so that the oxygen is converted into the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer. Although oxygen moves to the oxide semiconductor layer 122 through the physical layer 123, oxygen is hardly captured at the interface state at this time, and oxygen contained in the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123 is efficiently absorbed. The oxide semiconductor layer 122 can be moved. As a result, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. In addition, since oxygen is also added to the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123, oxygen vacancies in the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 can be reduced. That is, at least the local state density of the oxide semiconductor layer 122 can be reduced.

また、酸化物半導体層122が、構成元素の異なる絶縁膜(例えば、酸化シリコン膜を含むゲート絶縁層)と接する場合、界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第2のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含む金属酸化物層121および金属酸化物層123が酸化物半導体層122と接するため、金属酸化物層121と酸化物半導体層122の界面、および金属酸化物層123と酸化物半導体層122の界面に界面準位を形成しにくくなる。 In addition, when the oxide semiconductor layer 122 is in contact with an insulating film having a different constituent element (eg, a gate insulating layer including a silicon oxide film), an interface state is formed, and the interface state may form a channel. . In such a case, a second transistor having a different threshold voltage appears, and the apparent threshold voltage of the transistor may fluctuate. However, since the metal oxide layer 121 including one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123 are in contact with the oxide semiconductor layer 122, the interface between the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 is used. In addition, it is difficult to form an interface state at the interface between the metal oxide layer 123 and the oxide semiconductor layer 122.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123は、それぞれ絶縁層110、ゲート絶縁層150の構成元素が酸化物半導体層122へ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するためのバリア膜としても機能する。 In addition, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 suppress the formation of levels due to impurities due to entry of constituent elements of the insulating layer 110 and the gate insulating layer 150 into the oxide semiconductor layer 122, respectively. It also functions as a barrier film.

例えば、絶縁層110、またはゲート絶縁層150として、シリコンを含む絶縁膜を用いる場合、ゲート絶縁層150中のシリコン、または絶縁層110と、ゲート絶縁層150中に混入されうる炭素が、金属酸化物層121または金属酸化物層123の中へ界面から数nm程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層122中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生成することでn型化することがある。 For example, in the case where an insulating film containing silicon is used as the insulating layer 110 or the gate insulating layer 150, silicon in the gate insulating layer 150 or carbon that can be mixed into the gate insulating layer 150 is oxidized by metal oxidation. The material layer 121 or the metal oxide layer 123 may be mixed from the interface to about several nm. When an impurity such as silicon or carbon enters the oxide semiconductor layer 122, an impurity level is formed, and the impurity level may serve as a donor to generate an n-type impurity.

しかしながら、金属酸化物層121、金属酸化物層123の膜厚が、数nmよりも厚ければ、混入したシリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層122にまで到達しないため、不純物準位の影響は低減される。 However, if the thicknesses of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are larger than several nanometers, mixed impurities such as silicon and carbon do not reach the oxide semiconductor layer 122; The impact is reduced.

よって、金属酸化物層121、金属酸化物層123を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。 Thus, by providing the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, variation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.

また、ゲート絶縁層150と酸化物半導体層122が接して、その界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。しかしながら、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含む金属酸化物層121、金属酸化物層123が酸化物半導体層122に接して設けられるため、酸化物半導体層122と金属酸化物層121、金属酸化物層123との界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。 Further, in the case where a channel is formed at the interface between the gate insulating layer 150 and the oxide semiconductor layer 122, interface scattering occurs at the interface, and the field-effect mobility of the transistor is reduced. However, since the metal oxide layer 121 including one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123 are provided in contact with the oxide semiconductor layer 122, the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 121, carrier scattering hardly occurs at the interface with the metal oxide layer 123, and the field-effect mobility of the transistor can be increased.

本実施の形態においては、酸化物半導体層122の酸素欠損量、さらには酸化物半導体層122に接する金属酸化物層121、金属酸化物層123の酸素欠損量を低減することが可能であり、酸化物半導体層122の局在準位密度を低減することができる。この結果、本実施の形態に示すトランジスタ10は、しきい値電圧の変動が少なく、信頼性が高い特性を有することができる。また、本実施の形態に示すトランジスタ10は優れた電気特性を有する。 In this embodiment, the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 and the amount of oxygen vacancies in the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 in contact with the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. The localized state density of the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. As a result, the transistor 10 described in this embodiment can have high reliability with little variation in threshold voltage. In addition, the transistor 10 described in this embodiment has excellent electrical characteristics.

なお、トランジスタのゲート絶縁層としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジスタのようにゲート絶縁層と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート絶縁層と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁層から離すことが好ましいといえる。 Note that an insulating film containing silicon is often used as the gate insulating layer of the transistor; therefore, a region serving as a channel of the oxide semiconductor layer is in contact with the gate insulating layer as in the transistor of one embodiment of the present invention for the above reasons. It can be said that the structure which does not do is preferable. In addition, in the case where a channel is formed at the interface between the gate insulating layer and the oxide semiconductor layer, carrier scattering occurs at the interface, and the field-effect mobility of the transistor may be reduced. From this point of view, it can be said that the region serving as a channel of the oxide semiconductor layer is preferably separated from the gate insulating layer.

したがって、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123の積層構造とすることで、酸化物半導体層122にチャネルを形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。 Therefore, by using a stacked structure of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, a channel can be formed in the oxide semiconductor layer 122, and high field-effect mobility and stable electric power can be obtained. A transistor having characteristics can be formed.

なお、酸化物半導体層は必ずしも3層にする必要はなく、単層、2層、4層、さらには5層以上の構成としてもよい。単層とする場合、本実施の形態に示す、酸化物半導体層122に相当する層を用いればよい。 Note that the oxide semiconductor layer is not necessarily provided in three layers, and may have a structure of a single layer, two layers, four layers, or five layers or more. In the case of a single layer, a layer corresponding to the oxide semiconductor layer 122 described in this embodiment may be used.

<バンド図>
ここで、図2(A)、図2(B)を用いて本発明の一態様のトランジスタのバンド図について説明する。図2(B)に示すバンド図は、理解を容易にするため絶縁層110、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびゲート絶縁層150について、伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)および価電子帯上端のエネルギー準位(Ev)を示している。
<Band diagram>
Here, a band diagram of a transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. For ease of understanding, the band diagram illustrated in FIG. 2B illustrates the bottom of the conduction band of the insulating layer 110, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the gate insulating layer 150. The energy level (Ec) and the energy level (Ev) at the top of the valence band are shown.

図2(B)に示すように、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123において、伝導帯下端のエネルギー準位が連続的に変化する。これは、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123を構成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123は組成が異なる膜の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。 As shown in FIG. 2B, in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, the energy level at the lower end of the conduction band changes continuously. This can also be understood from the fact that oxygen is easily diffused to each other because the elements constituting the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are common. Therefore, although the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are stacked bodies of films having different compositions, it can also be said that the physical properties are continuous.

主成分を共通として積層された酸化物半導体膜は、各層を単に積層するのではなく連続接合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギー準位が各層の間で連続的に変化するU字型の井戸(U Shape Well)構造)が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面に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ように積層構造を形成する。仮に、積層された多層膜の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。 Oxide semiconductor films stacked with the main component in common are not simply stacked layers, but a continuous junction (here, in particular, a U-shaped well in which the energy level at the bottom of the conduction band changes continuously between the layers). The (U Shape Well) structure is formed. That is, the stacked structure is formed so that there is no impurity that forms a defect level such as a trap center or a recombination center at the interface of each layer. If impurities are mixed between the laminated multilayer films, the continuity of the energy band is lost and carriers disappear at the interface by trapping or recombination.

なお、金属酸化物層121と、金属酸化物層123のEcは、同様である場合について図2(B)に示したが、それぞれが異なっていてもよい。 Note that although Ec of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are similar to each other in FIG. 2B, they may be different from each other.

図2(B)より、酸化物半導体層122がウェル(井戸)となり、トランジスタ10において、チャネルが酸化物半導体層122に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体層122を底として伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化するU字型の井戸構造のチャネルを埋め込みチャネルということもできる。 2B that the oxide semiconductor layer 122 serves as a well and a channel is formed in the oxide semiconductor layer 122 in the transistor 10. Note that a channel having a U-shaped well structure in which the energy at the lower end of the conduction band continuously changes with the oxide semiconductor layer 122 as a bottom can also be referred to as a buried channel.

なお、金属酸化物層121および金属酸化物層123と、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。金属酸化物層123があることにより、酸化物半導体層122と当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、金属酸化物層121、または金属酸化物層123のEcと、酸化物半導体層122のEcとのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層122の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。マイナスの電荷となる電子がトラップ準位に捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、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。さらに、トランジスタの長期保存試験において、トラップが固定化されず、特性への変動を起こす懸念がある。 Note that trap levels caused by impurities and defects can be formed in the vicinity of the interface between the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 and an insulating film such as a silicon oxide film. The presence of the metal oxide layer 123 can keep the oxide semiconductor layer 122 away from the trap level. Note that in the case where the energy difference between the Ec of the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123 and the Ec of the oxide semiconductor layer 122 is small, the electrons in the oxide semiconductor layer 122 exceed the energy difference and are trapped. May reach. When electrons that become negative charges are trapped in the trap level, negative fixed charges are generated at the interface of the insulating film, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. Furthermore, in the long-term storage test of the transistor, there is a concern that the trap is not fixed and the characteristics may be changed.

したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、金属酸化物層121、および金属酸化物層123のEcと、酸化物半導体層122との間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、0.1eV以上が好ましく、0.2eV以上がより好ましい。 Therefore, in order to reduce variation in the threshold voltage of the transistor, it is necessary to provide an energy difference between the oxide semiconductor layer 122 and the Ec of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123. . Each energy difference is preferably 0.1 eV or more, and more preferably 0.2 eV or more.

なお、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123には、結晶部が含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 Note that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 preferably include a crystal part. In particular, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor by using crystals oriented in the c-axis.

また、図2(B)に示すようなバンド図において、金属酸化物層123を設けず、酸化物半導体層122とゲート絶縁層150の間にIn−Ga酸化物(たとえば、原子数比がIn:Ga=7:93のIn−Ga酸化物)を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムなどを設けてもよい。また、金属酸化物層123が有した状態で金属酸化物層123とゲート絶縁層150の間にIn−Ga酸化物を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムなどを設けてもよい。 In the band diagram as illustrated in FIG. 2B, the metal oxide layer 123 is not provided, and an In—Ga oxide (eg, an atomic ratio of In is between the oxide semiconductor layer 122 and the gate insulating layer 150). : In = Ga oxide of Ga = 7: 93) or gallium oxide or the like may be provided. Further, an In—Ga oxide may be provided between the metal oxide layer 123 and the gate insulating layer 150 in a state where the metal oxide layer 123 is provided, or gallium oxide or the like may be provided.

酸化物半導体層122は、金属酸化物層121、および金属酸化物層123よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体層122として、金属酸化物層121および金属酸化物層123よりも電子親和力が0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.2eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いることができる。 As the oxide semiconductor layer 122, an oxide having an electron affinity higher than that of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 is used. For example, the oxide semiconductor layer 122 has an electron affinity of 0.07 eV or more and 1.3 eV or less, preferably 0.1 eV or more and 0.7 eV or less, more preferably 0. An oxide that is greater than or equal to 2 eV and less than or equal to 0.4 eV can be used.

本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含んでいる、金属酸化物層121、金属酸化物層123を有しているため、金属酸化物層121と酸化物半導体層122との界面、および金属酸化物層123と酸化物半導体層122との界面に界面準位を形成しにくくなる。よって、金属酸化物層121、金属酸化物層123を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきや変動を低減することができる。 The transistor described in this embodiment includes the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 which include one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122; It is difficult to form interface states at the interface with the oxide semiconductor layer 122 and at the interface between the metal oxide layer 123 and the oxide semiconductor layer 122. Thus, by providing the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, variation or fluctuation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.

《ゲート絶縁層150》
ゲート絶縁層150には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)を一種以上有することができる。また、ゲート絶縁層150は上記材料の積層であってもよい。なお、ゲート絶縁層150に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。
<< Gate insulating layer 150 >>
The gate insulating layer 150 includes oxygen (O), nitrogen (N), fluorine (F), aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y ), Zirconium (Zr), lanthanum (La), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. For example, aluminum oxide (AlO x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon nitride oxide (SiN x O y ), silicon nitride (SiN x ), Gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x ), neodymium oxide (NdO x ), hafnium oxide (HfO x ) and oxide One or more types of tantalum (TaO x ) can be included. The gate insulating layer 150 may be a stacked layer of the above materials. Note that the gate insulating layer 150 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as an impurity.

また、ゲート絶縁層150の積層構造の一例について説明する。ゲート絶縁層150は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。 An example of a stacked structure of the gate insulating layer 150 is described. The gate insulating layer 150 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.

酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、ゲート絶縁層150の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。 Hafnium oxide has a higher dielectric constant than silicon oxide or silicon oxynitride. Therefore, the thickness of the gate insulating layer 150 can be increased as compared with the case where silicon oxide is used, so that the leakage current due to the tunnel current can be reduced. That is, a transistor with a small off-state current can be realized. Further, hafnium oxide having a crystal structure has a higher dielectric constant than hafnium oxide having an amorphous structure. Therefore, in order to obtain a transistor with low off-state current, it is preferable to use hafnium oxide having a crystal structure. Examples of the crystal structure include a monoclinic system and a cubic system. Note that one embodiment of the present invention is not limited thereto.

ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面は、欠陥に起因した界面準位を有する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位によってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の膜を配置することによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この膜は、緩衝機能を有する。緩衝機能を有する膜は、ゲート絶縁層150に含まれる膜であってもよいし、酸化物半導体膜に含まれる膜であってもよい。即ち、緩衝機能を有する膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化物半導体層などを用いることができる。なお、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を用いる。 By the way, a hafnium oxide surface having a crystal structure may have an interface state due to a defect. The interface state may function as a trap center. Therefore, when hafnium oxide is disposed in the vicinity of the channel region of the transistor, the electrical characteristics of the transistor may be deteriorated by the interface state. Therefore, in order to reduce the influence of the interface state, it may be preferable to separate the film from each other by disposing another film between the channel region of the transistor and hafnium oxide. This membrane has a buffer function. The film having a buffer function may be a film included in the gate insulating layer 150 or a film included in the oxide semiconductor film. That is, as the film having a buffer function, silicon oxide, silicon oxynitride, an oxide semiconductor layer, or the like can be used. For the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having an energy gap larger than that of a semiconductor to be a channel region is used. Alternatively, for the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having an electron affinity lower than that of a semiconductor serving as a channel region is used. Alternatively, for the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator having a higher ionization energy than a semiconductor serving as a channel region is used.

一方、上述した結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面における界面準位(トラップセンター)に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる場合がある。該電荷を安定して存在させるためには、たとえば、チャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい絶縁体を配置すればよい。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を配置すればよい。または、緩衝機能を有する膜には、酸化ハフニウムよりもイオン化エネルギーの大きい半導体または絶縁体を配置すればよい。このような絶縁体を用いることで、界面準位にトラップされた電荷の放出が起こりにくくなり、長期間に渡って電荷を保持することができる。 On the other hand, there is a case where the threshold voltage of the transistor can be controlled by trapping charges at the interface state (trap center) on the formation surface of hafnium oxide having the above-described crystal structure. In order to make this electric charge exist stably, for example, an insulator having an energy gap larger than that of hafnium oxide may be disposed between the channel region and hafnium oxide. Alternatively, a semiconductor or an insulator having an electron affinity smaller than that of hafnium oxide may be provided. Alternatively, a semiconductor or an insulator having higher ionization energy than hafnium oxide may be provided for the film having a buffer function. By using such an insulator, the charge trapped at the interface state is less likely to be released, and the charge can be held for a long time.

そのような絶縁体として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンが挙げられる。ゲート絶縁層150内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体膜からゲート電極層160に向かって電子を移動させればよい。具体的な例としては、高い温度(例えば、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極層160の電位をソース電極層130やドレイン電極層140の電位より高い状態にて1秒以上、代表的には1分以上維持すればよい。 Examples of such an insulator include silicon oxide and silicon oxynitride. In order to capture charges at the interface state in the gate insulating layer 150, electrons may be moved from the oxide semiconductor film toward the gate electrode layer 160. As a specific example, the potential of the gate electrode layer 160 is changed to a source electrode layer 130 or a drain electrode layer 140 under a high temperature (eg, 125 ° C. to 450 ° C., typically 150 ° C. to 300 ° C.). It may be maintained for 1 second or longer, typically 1 minute or longer in a state higher than the potential of.

このようにゲート絶縁層150などの界面準位に所望の量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極層160の電圧や、電圧を印加する時間を調整することによって、電子を捕獲させる量(しきい値電圧の変動量)を制御することができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、ゲート絶縁層150内でなくても構わない。同様の構造を有する積層膜を、他の絶縁層に用いても構わない。 In this manner, the threshold voltage of the transistor in which a desired amount of electrons is captured at the interface state such as the gate insulating layer 150 is shifted to the positive side. By adjusting the voltage of the gate electrode layer 160 and the time during which the voltage is applied, the amount of electrons captured (the amount of change in threshold voltage) can be controlled. Note that the charge may not be in the gate insulating layer 150 as long as charges can be trapped. A stacked film having a similar structure may be used for another insulating layer.

例えば、トランジスタ10の下側に導電層を設けた場合、絶縁層110はゲート絶縁層150と同様の構造、および機能を有することができる。 For example, in the case where a conductive layer is provided below the transistor 10, the insulating layer 110 can have a structure and a function similar to those of the gate insulating layer 150.

《ゲート電極層160》
ゲート電極層160には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはシリコン(Si)などの材料を有することができる。また、当該ゲート電極層160は、積層とすることができる。例えば、上記材料を単独、または組み合わせて用いてもよいし、上記材料の窒化物など、窒素を含んだ材料を組み合わせて用いてもよい。
<< Gate electrode layer 160 >>
For the gate electrode layer 160, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum A material such as (Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta), tungsten (W), or silicon (Si) can be used. The gate electrode layer 160 can be a stacked layer. For example, the above materials may be used alone or in combination, or a material containing nitrogen such as a nitride of the above material may be used in combination.

《絶縁層180》
絶縁層180には、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)、酸化アルミニウム(AlO)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層180は上記材料の積層であってもよい。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁層180から放出される酸素はゲート絶縁層150を経由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
<Insulating layer 180>
Examples of the insulating layer 180 include magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon nitride oxide (SiN x O y ), silicon nitride (SiN x ), and oxide. Gallium (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x ), neodymium oxide (NdO x ), hafnium oxide (HfO x ), and tantalum oxide An insulating film containing one or more of (TaO x ) and aluminum oxide (AlO x ) can be used. The insulating layer 180 may be a stacked layer of the above materials. The insulating layer preferably has more oxygen than the stoichiometric composition. Since oxygen released from the insulating layer 180 can be diffused into the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150, oxygen can be compensated for oxygen vacancies formed in the channel formation region. it can. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.

《導電層190》
導電層190には、ゲート電極層160と同様の材料を用いることができる。
<< Conductive layer 190 >>
For the conductive layer 190, a material similar to that of the gate electrode layer 160 can be used.

《導電層195》
導電層195には、ゲート電極層160と同様の材料を用いることができる。
<< Conductive layer 195 >>
For the conductive layer 195, a material similar to that of the gate electrode layer 160 can be used.

<トランジスタの作製方法>
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について図5乃至図13を用いて説明する。なお、上記トランジスタの構成において説明した部分と重複する部分については、省略する。また、図5乃至図13に示すA1−A2方向は図1(A)、図1(B)に示すチャネル長方向と呼称する場合がある。また、図5乃至図13に示すA3−A4方向は、図1(A)および図1(C)に示すチャネル幅方向と呼称する場合がある。
<Method for Manufacturing Transistor>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. Note that portions overlapping with those described in the structure of the transistor are omitted. Further, the A1-A2 direction shown in FIGS. 5 to 13 may be referred to as the channel length direction shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B). Further, the A3-A4 direction illustrated in FIGS. 5 to 13 may be referred to as a channel width direction illustrated in FIGS. 1A and 1C.

本実施の形態において、トランジスタを構成する各層(絶縁層、酸化物半導体層、導電層等)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD:Pulse Laser Deposition)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CVD法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、有機金属化学気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法や原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を使ってもよい。また、スパッタリング法では、ロングスロー方式とコリメート方式を組み合わせて用いることで、埋め込み性を向上させることができる。 In this embodiment, each layer (an insulating layer, an oxide semiconductor layer, a conductive layer, or the like) included in the transistor is formed using a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a vacuum evaporation method, a pulsed laser deposition ( It can be formed using a PLD (Pulse Laser Deposition) 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 CVD method are typical, but a thermal CVD method may also be used. As an example of the thermal CVD method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or an atomic layer deposition (ALD) method may be used. In the sputtering method, the embedding property can be improved by using a combination of the long throw method and the collimation method.

<熱CVD法>
熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、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。
<Thermal CVD method>
The thermal CVD method has an advantage that no defect is generated due to plasma damage because it is a film forming method that does not use plasma.

また、熱CVD法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、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ってもよい。 In the thermal CVD method, a source gas and an oxidant are simultaneously sent into a chamber, and the inside of the chamber is subjected to atmospheric pressure or reduced pressure. The film is formed by reacting in the vicinity of or on the substrate and depositing on the substrate. Also good.

また、MOCVD法やALD法などの熱CVD法は、これまでに記載した金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な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、トリメチルガリウム、およびジメチル亜鉛を用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、In(CHである。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ga(CHである。また、ジメチル亜鉛の化学式は、Zn(CHである。また、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(化学式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(化学式Zn(C)を用いることもできる。 In addition, a thermal CVD method such as an MOCVD method or an ALD method can form various films such as a metal film, a semiconductor film, and an inorganic insulating film described so far. For example, an In—Ga—Zn—O film can be formed. In the case of forming a film, trimethylindium, trimethylgallium, and dimethylzinc can be used. Note that the chemical formula of trimethylindium is In (CH 3 ) 3 . The chemical formula of trimethylgallium is Ga (CH 3 ) 3 . The chemical formula of dimethylzinc is Zn (CH 3 ) 2 . Moreover, it is not limited to these combinations, Triethylgallium (chemical formula Ga (C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethylzinc (chemical formula Zn (C 2 H 5 ) is used instead of dimethylzinc. 2 ) can also be used.

<ALD法>
従来のCVD法を利用した成膜装置は、成膜の際、反応のための原料ガス(プリカーサ)の1種または複数種がチャンバーに同時に供給される。ALD法を利用した成膜装置は、反応のためのプリカーサが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切り替えて2種類以上のプリカーサを順番にチャンバーに供給し、複数種のプリカーサが混ざらないように第1のプリカーサの後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを導入し、第2のプリカーサを導入する。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1のプリカーサを排出した後、第2のプリカーサを導入することができる。
<ALD method>
In a film forming apparatus using a conventional CVD method, at the time of film formation, one or more kinds of reaction source gases (precursors) are simultaneously supplied to a chamber. In a film formation apparatus using the ALD method, a precursor for reaction is sequentially introduced into a chamber, and film formation is performed by repeating the order of gas introduction. For example, each switching valve (also called a high-speed valve) is switched to supply two or more types of precursors to the chamber in order, and an inert gas (argon, or other) is provided after the first precursor so that a plurality of types of precursors are not mixed. Nitrogen etc.) are introduced, and the second precursor is introduced. Further, the second precursor can be introduced after the first precursor is discharged by evacuation instead of introducing the inert gas.

図3(A)、(B)、(C)、(D)にALD法の成膜過程を示す。第1のプリカーサ601が基板の表面に吸着して(図3(A)参照)、第1の単一層が成膜される(図3(B)参照)。この際、プリカーサ中に含有する金属原子等が基板表面に存在する水酸基と結合することができる。金属原子にはメチル基やエチル基などのアルキル基が結合していてもよい。第1のプリカーサ601を排気した後に導入される第2のプリカーサ602と反応して(図3(C)参照)、第2の単一層が第1の単一層上に積層されて薄膜が形成される(図3(D)参照)。例えば、第2のプリカーサとして酸化剤が含まれていた場合には第1のプリカーサ中に存在する金属原子または金属原子と結合したアルキル基と、酸化剤との間で化学反応がおこり、酸化膜を形成することができる。 FIGS. 3A, 3B, 3C and 3D show the film formation process of the ALD method. The first precursor 601 is adsorbed on the surface of the substrate (see FIG. 3A), and a first single layer is formed (see FIG. 3B). At this time, a metal atom or the like contained in the precursor can be bonded to a hydroxyl group present on the substrate surface. An alkyl group such as a methyl group or an ethyl group may be bonded to the metal atom. Reacting with the second precursor 602 introduced after exhausting the first precursor 601 (see FIG. 3C), the second single layer is laminated on the first single layer to form a thin film. (See FIG. 3D). For example, when an oxidizing agent is included as the second precursor, a chemical reaction occurs between a metal atom present in the first precursor or an alkyl group bonded to the metal atom and the oxidizing agent, and the oxide film Can be formed.

ALD法は表面化学反応に基づいた成膜方法であり、プリカーサが被成膜表面に吸着し、自己停止機構が作用することで、一層形成される。例えば、トリメチルアルミニウムのようなプリカーサと当該被成膜表面に存在する水酸基(OH基)が反応する。この時、熱による表面反応のみが起こるため、プリカーサが当該被成膜表面と接触し、熱エネルギーを介して当該被成膜表面にプリカーサ中の金属原子等が吸着することができる。また、プリカーサは、高い蒸気圧を有し、成膜前の段階では熱的安定であり自己分解しない、基板へ化学吸着が速いなどの特徴を有する。また、プリカーサはガスとして導入されるため、交互に導入されるプリカーサが十分に拡散する時間を有することができれば、高アスペクト比の凹凸を有する領域であっても、被覆性よく成膜することができる。 The ALD method is a film formation method based on a surface chemical reaction, and the precursor is adsorbed on the film formation surface and is formed further by a self-stop mechanism acting. For example, a precursor such as trimethylaluminum reacts with a hydroxyl group (OH group) present on the deposition surface. At this time, since only a surface reaction due to heat occurs, the precursor comes into contact with the film formation surface, and metal atoms or the like in the precursor can be adsorbed on the film formation surface through thermal energy. In addition, the precursor has a high vapor pressure, is thermally stable at the stage before film formation, does not self-decompose, and has a feature of fast chemical adsorption to the substrate. In addition, since the precursor is introduced as a gas, it is possible to form a film with good coverage even in a region having a high aspect ratio unevenness as long as the alternately introduced precursor has sufficient time for diffusion. it can.

また、ALD法においては、ガス導入順序を制御しつつ、所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。また、排気能力を高めることで成膜速度を高めることができ、さらに膜中の不純物濃度を低減することができる。 Further, in the ALD method, a thin film having excellent step coverage can be formed by repeating a plurality of times until a desired thickness is achieved while controlling the order of gas introduction. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of repetitions, precise film thickness adjustment is possible. Further, by increasing the exhaust capacity, the film formation rate can be increased, and the impurity concentration in the film can be further reduced.

また、ALD法には、熱を用いたALD法(熱ALD法)、プラズマを用いたALD法(プラズマALD法)がある。熱ALD法では、熱エネルギーを用いてプリカーサの反応を行うものであり、プラズマALD法はプリカーサの反応をラジカルの状態で行うものである。 The ALD method includes an ALD method using heat (thermal ALD method) and an ALD method using plasma (plasma ALD method). In the thermal ALD method, a precursor reaction is performed using thermal energy, and in the plasma ALD method, the precursor reaction is performed in a radical state.

ALD法は、極めて薄い膜が精度よく成膜できる。凹凸を有する面に対しても、表面被覆率が高く、膜密度が高い。 The ALD method can form a very thin film with high accuracy. The surface coverage is high and the film density is high even on the surface having irregularities.

<プラズマALD法>
また、プラズマALD法により成膜することで、熱を用いたALD法(熱ALD法)に比べてさらに低温での成膜が可能となる。プラズマALD法は、例えば、100℃以下でも成膜速度を低下させずに成膜することができる。また、プラズマALD法では、Nをプラズマによりラジカル化することができるため、酸化物のみならず窒化物を成膜することができる。
<Plasma ALD method>
In addition, the film formation by the plasma ALD method enables the film formation at a lower temperature than the ALD method using heat (thermal ALD method). In the plasma ALD method, for example, a film can be formed at a temperature of 100 ° C. or lower without reducing the film formation rate. In the plasma ALD method, since N 2 can be radicalized by plasma, not only an oxide but also a nitride can be formed.

また、プラズマALD法では、酸化剤の酸化力を高めることができる。これによりALD法で膜形成を行う場合に膜中に残留するプリカーサ、あるいはプリカーサから脱離した有機成分を低減することができ、また膜中の炭素、塩素、水素などを低減することができ、不純物濃度の低い膜を有することができる。 Further, in the plasma ALD method, the oxidizing power of the oxidizing agent can be increased. Thereby, when the film is formed by the ALD method, the precursor remaining in the film or the organic component desorbed from the precursor can be reduced, and carbon, chlorine, hydrogen, etc. in the film can be reduced, A film with a low impurity concentration can be provided.

また、プラズマALD法を行う場合には、ラジカル種を発生させる際、ICP(Inductively Coupled Plasma)などのように基板から離れた状態でプラズマを発生させることもでき、基板あるいは当該保護膜が形成される膜に対するプラズマダメージを抑えることができる。 In the case of performing plasma ALD, when generating radical species, plasma can be generated in a state of being separated from the substrate such as ICP (Inductively Coupled Plasma), and the substrate or the protective film is formed. Plasma damage to the film can be suppressed.

上記により、プラズマALD法を用いることで、他の成膜方法に比べて、プロセス温度が下げることができ、かつ表面被覆率を高めることができ、当該膜を成膜することができる。これにより、外部からの水、水素の侵入を抑えることができる。したがって、トランジスタ特性の信頼性を向上させることができる。 As described above, by using the plasma ALD method, the process temperature can be reduced and the surface coverage can be increased as compared with other film formation methods, so that the film can be formed. Thereby, the penetration | invasion of the water from the outside and hydrogen can be suppressed. Therefore, the reliability of transistor characteristics can be improved.

<ALD装置に関する説明>
図4(A)にALD法を利用する成膜装置の一例を示す。ALD法を利用する成膜装置は、成膜室(チャンバー1701)と、原料供給部1711a、1711bと、流量制御器である高速バルブ1712a、1712bと、原料導入口1713a、1713bと、原料排出口1714と、排気装置1715を有する。チャンバー1701内に設置される原料導入口1713a、1713bは供給管やバルブを介して原料供給部1711a、1711bとそれぞれ接続されており、原料排出口1714は、排出管やバルブや圧力調整器を介して排気装置1715と接続されている。
<Description of ALD device>
FIG. 4A shows an example of a film formation apparatus using the ALD method. A film formation apparatus using the ALD method includes a film formation chamber (chamber 1701), raw material supply units 1711a and 1711b, high-speed valves 1712a and 1712b as flow controllers, raw material introduction ports 1713a and 1713b, and a raw material discharge port. 1714 and an exhaust device 1715. The raw material introduction ports 1713a and 1713b installed in the chamber 1701 are connected to the raw material supply units 1711a and 1711b via supply pipes and valves, respectively, and the raw material discharge port 1714 is connected via a discharge pipe, valves and pressure regulator. The exhaust device 1715 is connected.

チャンバー内部にはヒータを備えた基板ホルダ1716があり、その基板ホルダ上に被成膜させる基板1700を配置する。 There is a substrate holder 1716 provided with a heater inside the chamber, and a substrate 1700 to be deposited is placed on the substrate holder.

原料供給部1711a、1711bでは、気化器や加熱手段などによって固体の原料や液体の原料から原料ガスを形成する。或いは、原料供給部1711a、1711bは、気体の原料ガスを供給する構成としてもよい。 In the raw material supply units 1711a and 1711b, a raw material gas is formed from a solid raw material or a liquid raw material by a vaporizer or a heating means. Alternatively, the raw material supply units 1711a and 1711b may be configured to supply a gaseous raw material gas.

また、原料供給部1711a、1711bを2つ設けている例を示しているが特に限定されず、3つ以上設けてもよい。また、高速バルブ1712a、1712bは時間で精密に制御することができ、原料ガスと不活性ガスのいずれか一方を供給する構成となっている。高速バルブ1712a、1712bは原料ガスの流量制御器であり、且つ、不活性ガスの流量制御器とも言える。 Moreover, although the example which has provided the raw material supply parts 1711a and 1711b is shown, it is not specifically limited, You may provide three or more. The high-speed valves 1712a and 1712b can be precisely controlled with time, and are configured to supply either the source gas or the inert gas. The high-speed valves 1712a and 1712b are source gas flow controllers and can also be said to be inert gas flow controllers.

図4(A)に示す成膜装置では、基板1700を基板ホルダ1716上に搬入し、チャンバー1701を密閉状態とした後、基板ホルダ1716のヒータ加熱により基板1700を所望の温度(例えば、100℃以上または150℃以上)とし、原料ガスの供給と、排気装置1715による排気と、不活性ガスの供給と、排気装置1715による排気とを繰りかえすことで薄膜を基板表面に形成する。 4A, after the substrate 1700 is carried onto the substrate holder 1716 and the chamber 1701 is hermetically sealed, the substrate 1700 is heated to a desired temperature (for example, 100 ° C. by heating the substrate holder 1716). The thin film is formed on the substrate surface by repeating the supply of the source gas, the exhaust by the exhaust device 1715, the supply of the inert gas, and the exhaust by the exhaust device 1715.

図4(A)に示す成膜装置では、原料供給部1711a、1711bに用意する原料(揮発性有機金属化合物など)を適宜選択することにより、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、ジルコニウム等から選択された一種以上の元素を含む酸化物(複合酸化物も含む)を含んで構成される絶縁層を成膜することができる。具体的には、酸化ハフニウムを含んで構成される絶縁層、酸化アルミニウムを含んで構成される絶縁層、ハフニウムシリケートを含んで構成される絶縁層、又はアルミニウムシリケートを含んで構成される絶縁層を成膜することができる。また、原料供給部1711a、1711bに用意する原料(揮発性有機金属化合物など)を適宜選択することにより、タングステン層、チタン層などの金属層や、窒化チタン層などの窒化物層などの薄膜を成膜することもできる。 In the film formation apparatus shown in FIG. 4A, a material selected from hafnium, aluminum, tantalum, zirconium, or the like by appropriately selecting a raw material (such as a volatile organometallic compound) prepared in the raw material supply portions 1711a and 1711b. An insulating layer including an oxide containing the above elements (including a composite oxide) can be formed. Specifically, an insulating layer including hafnium oxide, an insulating layer including aluminum oxide, an insulating layer including hafnium silicate, or an insulating layer including aluminum silicate A film can be formed. In addition, by appropriately selecting raw materials (such as volatile organometallic compounds) prepared in the raw material supply units 1711a and 1711b, thin films such as metal layers such as tungsten layers and titanium layers and nitride layers such as titanium nitride layers can be formed. A film can also be formed.

例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化ハフニウム層を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体(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)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。この場合、原料供給部1711aから供給する第1の原料ガスがTDMAHであり、原料供給部1711bから供給する第2の原料ガスがオゾンとなる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はHf[N(CHである。また、他の材料としては、テトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどがある。なお、窒素は電荷捕獲準位を消失させる機能を有する。したがって、原料ガスが窒素を含むことで、電荷捕獲準位密度の低い酸化ハフニウムを成膜することができる。 For example, in the case where a hafnium oxide layer is formed by a film forming apparatus using the ALD method, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor compound (hafnium amide such as hafnium alkoxide or tetrakisdimethylamide hafnium (TDMAH)) is vaporized. Two kinds of gases, that is, a raw material gas and ozone (O 3 ) as an oxidizing agent are used. In this case, the first source gas supplied from the source supply unit 1711a is TDMAH, and the second source gas supplied from the source supply unit 1711b is ozone. Note that the chemical formula of tetrakisdimethylamide hafnium is Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 . Other materials include tetrakis (ethylmethylamide) hafnium. Note that nitrogen has a function of eliminating a charge trap level. Therefore, when the source gas contains nitrogen, hafnium oxide having a low charge trapping level density can be formed.

例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化アルミニウム層を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体(TMA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。この場合、原料供給部1711aから供給する第1の原料ガスがTMAであり、原料供給部1711bから供給する第2の原料ガスがHOとなる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CHである。また、他の材料液としては、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, in the case where an aluminum oxide layer is formed by a film forming apparatus using the ALD method, a source gas obtained by vaporizing a liquid (TMA or the like) containing a solvent and an aluminum precursor compound, and H 2 O 2 as an oxidizing agent are used. Use different types of gas. In this case, the first source gas supplied from the source supply unit 1711a is TMA, and the second source gas supplied from the source supply unit 1711b is H 2 O. Note that the chemical formula of trimethylaluminum is Al (CH 3 ) 3 . Other material liquids include tris (dimethylamido) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) and the like.

例えば、ALD法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、吸着物に含まれる塩素を除去し、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, in the case where a silicon oxide film is formed by a film formation apparatus using an ALD method, hexachlorodisilane is adsorbed on a film formation surface, chlorine contained in the adsorbed material is removed, and an oxidizing gas (O 2 , one Dinitrogen oxide) radicals are supplied to react with the adsorbate.

例えば、ALD法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ガスを順次繰り返し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ガスを順次繰り返し導入し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, in the case where a tungsten film is formed by a film forming apparatus using the ALD method, 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 Two gases are successively introduced repeatedly to form a tungsten film. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.

例えば、ALD法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ガスを順次繰り返し導入してIn−O層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスを順次繰り返し導入してGaO層を形成し、更にその後Zn(CHガスとOガスを順次繰り返し導入して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、これらのガスを混ぜて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。また、In(CHガスに代えて、In(Cガスを用いても良い。また、Ga(CHガスにかえて、Ga(Cガスを用いても良い。また、Zn(CHガスを用いても良い。 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 an ALD method, In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially introduced repeatedly. After forming an In—O layer, Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially introduced repeatedly to form a GaO layer, and then Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas are sequentially introduced repeatedly. Thus, a ZnO layer is formed. 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 by mixing these gases. Incidentally, O 3 may be used of H 2 O gas obtained by bubbling 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. In addition, In (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of In (CH 3 ) 3 gas. Further, Ga (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of Ga (CH 3 ) 3 gas. Alternatively, Zn (CH 3 ) 2 gas may be used.

《マルチチャンバー製造装置》
また、図4(A)に示す成膜装置を少なくとも一つ有するマルチチャンバーの製造装置の一例を図4(B)に示す。
《Multi-chamber manufacturing equipment》
FIG. 4B illustrates an example of a multi-chamber manufacturing apparatus including at least one film formation apparatus illustrated in FIG.

図4(B)に示す製造装置は、積層膜を大気に触れることなく連続成膜することができ、不純物の混入防止やスループット向上を図っている。 The manufacturing apparatus illustrated in FIG. 4B can continuously form a stacked film without exposure to the air, and prevents impurities from mixing and improves throughput.

図4(B)に示す製造装置は、ロード室1702、搬送室1720、前処理室1703、成膜室であるチャンバー1701、アンロード室1706を少なくとも有する。なお、製造装置のチャンバー(ロード室、処理室、搬送室、成膜室、アンロード室などを含む)は、水分の付着などを防ぐため、露点が管理された不活性ガス(窒素ガス等)を充填させておくことが好ましく、望ましくは減圧を維持させる。 The manufacturing apparatus illustrated in FIG. 4B includes at least a load chamber 1702, a transfer chamber 1720, a pretreatment chamber 1703, a chamber 1701 which is a film formation chamber, and an unload chamber 1706. Note that chambers (including load chambers, processing chambers, transfer chambers, film formation chambers, unload chambers, etc.) of manufacturing equipment are inert gases (nitrogen gas, etc.) with controlled dew points in order to prevent moisture from adhering. Is preferably filled, and desirably the reduced pressure is maintained.

また、チャンバー1704、チャンバー1705は、チャンバー1701と同じALD法を利用する成膜装置としてもよいし、プラズマCVD法を利用する成膜装置としてもよいし、スパッタリング法を利用する成膜装置としてもよいし、MOCVD法を利用する成膜装置としてもよい。 The chamber 1704 and the chamber 1705 may be a film formation apparatus that uses the same ALD method as the chamber 1701, a film formation apparatus that uses a plasma CVD method, or a film formation apparatus that uses a sputtering method. Alternatively, a film forming apparatus using the MOCVD method may be used.

例えば、チャンバー1704としてプラズマCVD法を利用する成膜装置とし、チャンバー1705としてMOCVD法を利用する成膜装置とし、積層膜を成膜する一例を以下に示す。 For example, an example of forming a stacked film using the film formation apparatus using the plasma CVD method as the chamber 1704 and the film formation apparatus using the MOCVD method as the chamber 1705 is described below.

図4(B)では搬送室1720の上面図が六角形の例を示しているが、積層膜の層数に応じて、それ以上の多角形としてより多くのチャンバーと連結させた製造装置としてもよい。また、図4(B)では基板の上面形状を矩形で示しているが、特に限定されない。また、図4(B)では枚葉式の例を示したが、複数枚の基板に対して成膜するバッチ式の成膜装置としてもよい。 In FIG. 4B, the top view of the transfer chamber 1720 shows an example of a hexagonal shape. However, depending on the number of layers of the laminated film, the manufacturing apparatus may be connected to more chambers as more polygons. Good. In FIG. 4B, the top surface shape of the substrate is shown as a rectangle, but it is not particularly limited. Although FIG. 4B illustrates a single-wafer type example, a batch-type film formation apparatus that forms a film on a plurality of substrates may be used.

<絶縁層110の形成>
まず、基板100上に絶縁層110を成膜する。絶縁層110は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタリング法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの金属酸化物膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよく、少なくとも後に金属酸化物層121となる第1の金属酸化物膜と接する積層の上層は酸化物半導体層122への酸素の供給源となりえる過剰な酸素を含む材料で形成することが好ましい。
<Formation of Insulating Layer 110>
First, the insulating layer 110 is formed over the substrate 100. The insulating layer 110 is formed by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), sputtering, or the like, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, Formed using metal oxide films such as zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof can do. Alternatively, a stack of the above materials may be used, and at least an upper layer of the stack in contact with the first metal oxide film to be the metal oxide layer 121 later may be an excess oxygen which can be a supply source of oxygen to the oxide semiconductor layer 122. It is preferable to form with the material containing.

なお、絶縁層110を形成する上で、水素を含まない、あるいは水素の含有量が1%以下の材料を用いることで、酸化物半導体層中の酸素欠損の発生を抑制することができ、トランジスタの動作を安定させることができる。 Note that when the insulating layer 110 is formed, the use of a material that does not contain hydrogen or has a hydrogen content of 1% or less can suppress generation of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer, so that the transistor Can be stabilized.

例えば、絶縁層110としてプラズマCVD法により厚さ100nmの酸化窒化シリコン膜を用いることができる。 For example, a silicon oxynitride film with a thickness of 100 nm can be used as the insulating layer 110 by a plasma CVD method.

次に、第1の加熱処理を行って、絶縁層110に含まれる水、水素等を脱離させてもよい。この結果、絶縁層110に含まれる水、水素等の濃度を低減することが可能であり、加熱処理によって、後に形成される第1の金属酸化物膜への水、水素等の拡散量を低減することができる。 Next, first heat treatment may be performed to desorb water, hydrogen, and the like contained in the insulating layer 110. As a result, the concentration of water, hydrogen, and the like contained in the insulating layer 110 can be reduced, and the amount of diffusion of water, hydrogen, and the like into the first metal oxide film to be formed later is reduced by heat treatment. can do.

<第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜の形成>
続いて、絶縁層110上に、後に金属酸化物層121となる第1の金属酸化物膜、後に酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を成膜する。第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜は、スパッタリング法、MOCVD法、PLD法などにより形成することができ、スパッタリング法を用いて形成することがより好ましい。スパッタリング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、ACスパッタリング法等を用いることができる。また、スパッタリング法において、対向ターゲット方式(対向電極方式、気相スパッタリング方式、VDSP(Vapor Deposition Sputtering)方式ともいう)により作成することにより、成膜時のプラズマダメージを低減することができる。
<Formation of Oxide Semiconductor Film to be First Metal Oxide Film and Oxide Semiconductor Layer 122>
Next, a first metal oxide film that later becomes the metal oxide layer 121 and an oxide semiconductor film that later becomes the oxide semiconductor layer 122 are formed over the insulating layer 110. The first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be formed by a sputtering method, an MOCVD method, a PLD method, or the like, and more preferably formed by a sputtering method. As the sputtering method, an RF sputtering method, a DC sputtering method, an AC sputtering method, or the like can be used. Further, in the sputtering method, plasma damage at the time of film formation can be reduced by using a counter target method (also referred to as a counter electrode method, a gas phase sputtering method, or a VDSP (Vapor Deposition Sputtering) method).

例えば、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する場合、スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体膜にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空化(5×10−7Pa乃至1×10−4Pa程度まで)できること、かつ、成膜される基板を100℃以上、好ましくは400℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。また、ターボ分子ポンプとクライオポンプを組み合わせた排気系を用いてもよい。 For example, in the case where an oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 is formed by a sputtering method, each chamber in the sputtering apparatus is like a cryopump so as to remove water or the like that is an impurity for the oxide semiconductor film as much as possible. A high vacuum (up to about 5 × 10 −7 Pa to 1 × 10 −4 Pa) using a simple adsorption-type vacuum exhaust pump, and the substrate to be formed is 100 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher. Preferably it can be heated. Alternatively, it is preferable to combine a turbo molecular pump and a cold trap so that a gas containing a carbon component or moisture does not flow backward from the exhaust system into the chamber. Further, an exhaust system combining a turbo molecular pump and a cryopump may be used.

高純度真性の酸化物半導体膜を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタリングガスの高純度化することも望ましい。スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。 In order to obtain a high-purity intrinsic oxide semiconductor film, it is desirable not only to evacuate the chamber to a high vacuum but also to increase the purity of the sputtering gas. Oxygen gas or argon gas used as a sputtering gas has a dew point of −40 ° C. or lower, preferably −80 ° C. or lower, more preferably −100 ° C. or lower. Can be prevented as much as possible.

スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガスおよび酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガスおよ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。 As a sputtering gas, a rare gas (typically argon), oxygen, a rare gas, and a mixed gas of oxygen are appropriately used. Note that in the case of a mixed gas of a rare gas and oxygen, it is preferable to increase the ratio of oxygen to the rare gas.

なお、酸化物半導体層122となる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、好ましくは150℃以上450℃以下、さらに好ましくは200℃以上420℃以下として、酸化物半導体膜を成膜することで、CAAC−OS膜を形成することができる。 Note that when the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 is formed, for example, when a sputtering method is used, the substrate temperature is 150 ° C. to 750 ° C., preferably 150 ° C. to 450 ° C., more preferably 200 ° C. A CAAC-OS film can be formed by forming an oxide semiconductor film at a temperature higher than or equal to 420 ° C. and lower than or equal to 420 ° C.

第1の金属酸化物膜は、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜よりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。 The material of the first metal oxide film can be selected so that the electron affinity is lower than that of the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122.

また、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜において、例えばスパッタリング法により成膜する場合、マルチチャンバー方式のスパッタ装置を用いることで、第1の金属酸化物膜と酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜は大気に露出することなく連続成膜することができる。その場合、第1の金属酸化物膜と酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜の界面には余計な不純物などが入り込むことを抑えることができ、界面準位密度を低減することができる。この結果として、トランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。 In the case where the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 are formed by, for example, a sputtering method, the first metal oxide film is formed by using a multi-chamber sputtering apparatus. The oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be continuously formed without being exposed to the air. In that case, excess impurities or the like can be prevented from entering the interface between the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122, and the interface state density can be reduced. As a result, the electrical characteristics of the transistor, in particular, the characteristics can be stabilized in the reliability test.

また、絶縁層110中にダメージがあった場合に、金属酸化物層121があることにより主要な電導パスとなる酸化物半導体層122をダメージ部から遠ざけることができ、結果としてトランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。 In addition, when the insulating layer 110 is damaged, the presence of the metal oxide layer 121 allows the oxide semiconductor layer 122 serving as a main conductive path to be away from the damaged portion, resulting in the electrical characteristics of the transistor, In particular, the characteristics can be stabilized in the reliability test.

例えば、第1の金属酸化物膜として、スパッタリング法により、ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:3:4(原子数比)を用いて厚さ20nm成膜した絶縁膜を用いることができる。また、酸化物半導体膜としてスパッタリング法により、ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)を用いて厚さ15nm成膜した酸化物半導体膜を用いることができる。 For example, as the first metal oxide film, an insulating film formed with a thickness of 20 nm by sputtering using In: Ga: Zn = 1: 3: 4 (atomic ratio) as a target can be used. Alternatively, an oxide semiconductor film which is formed to a thickness of 15 nm by a sputtering method and using In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio) as a target can be used as the oxide semiconductor film.

なお、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜成膜後に第2の加熱処理を行うことにより、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜の酸素欠損量を低減することができる。 Note that after the oxide semiconductor film to be the first metal oxide film and the oxide semiconductor layer 122 is formed, the second heat treatment is performed, whereby the oxide to be the first metal oxide film and the oxide semiconductor layer 122 is obtained. The amount of oxygen vacancies in the physical semiconductor film can be reduced.

第2の加熱処理の温度は、250℃以上基板歪み点未満、好ましくは300℃以上650℃以下、更に好ましくは350℃以上550℃以下とする。 The temperature of the second heat treatment is 250 ° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 300 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.

第2の加熱処理は、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。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素雰囲気または乾燥空気(露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下、好ましくは−120℃以下である空気)雰囲気で加熱してもよい。または減圧状態で行えばよい。なお、上記乾燥空気の他、不活性ガスおよび酸素に水素、水などが含まれないことが好ましく、代表的には露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下であることが好ましい。処理時間は3分から24時間とする。 The second heat treatment is 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 or dry air (air having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower, preferably −120 ° C. or lower). Alternatively, it may be performed in a reduced pressure state. In addition to the dry air, it is preferable that hydrogen, water, and the like are not contained in the inert gas and oxygen. Typically, the dew point is preferably −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower. The processing time is 3 minutes to 24 hours.

なお、加熱処理において、電気炉の代わりに、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、不活性ガスが用いられる。 Note that in the heat treatment, an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be used instead of an electric furnace. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the high-temperature gas, a rare gas such as argon or an inert gas such as nitrogen is used.

なお、第2の加熱処理は、後述する、金属酸化物層121、酸化物半導体層122を形成するエッチングの後に行ってもよい。 Note that the second heat treatment may be performed after etching for forming the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122, which will be described later.

例えば、窒素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行うことができる。 For example, after heat treatment at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, heat treatment at 450 ° C. for 1 hour can be performed in an oxygen atmosphere.

以上の工程により、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜の酸素欠損の低減、また水素、水などの不純物を低減することができる。また、局在準位密度が低減された第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を形成することができる。 Through the above steps, oxygen vacancies in the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be reduced, and impurities such as hydrogen and water can be reduced. In addition, the first metal oxide film with reduced localized state density and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be formed.

なお、酸素を材料とした高密度のプラズマ照射により、加熱処理と同様の効果を得ることができる。照射時間は1分以上3時間以下、好ましくは3分以上2時間以下、より好ましくは5分以上1時間以下とする。 Note that the same effect as the heat treatment can be obtained by high-density plasma irradiation using oxygen as a material. The irradiation time is from 1 minute to 3 hours, preferably from 3 minutes to 2 hours, more preferably from 5 minutes to 1 hour.

<第1の導電膜の形成>
次に、酸化物半導体層122上にハードマスクとして用いる第1の導電膜を形成する。第1の導電膜は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学気相堆積(MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む。)、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法等を用いて形成することができる。
<Formation of first conductive film>
Next, a first conductive film used as a hard mask is formed over the oxide semiconductor layer 122. The first conductive film is formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD) (metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), metal chemical vapor deposition, atomic layer deposition (ALD), or plasma chemical vapor deposition. (Including deposition (PECVD) method), vapor deposition method, pulsed laser deposition (PLD) method and the like.

第1の導電膜の材料は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)などの材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。 The material of the first conductive film is copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel (Ni), chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr), etc. It is preferable to form a single layer or a stacked layer of conductive films containing a simple substance made of a material, an alloy, or a compound containing these as a main component.

例えば、厚さ20乃至100nmのタングステン膜をスパッタリング法により第1の導電膜として形成することができる。 For example, a tungsten film with a thickness of 20 to 100 nm can be formed as the first conductive film by a sputtering method.

本実施の形態では、ハードマスクとして第1の導電膜を形成しているが、これに限定されず、絶縁膜を形成してもよい。 In this embodiment mode, the first conductive film is formed as a hard mask; however, the present invention is not limited to this, and an insulating film may be formed.

<金属酸化物層121、酸化物半導体層122の形成>
次に、リソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて、第1の導電膜を選択的にエッチングし、導電層130bを形成する。続いて、ハードマスク上のレジストを除去後、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜、第1の金属酸化物膜をそれぞれ選択的にエッチングし、酸化物半導体層122、金属酸化物層121を島状に形成する(図5参照)。なお、エッチング方法としては、ドライエッチング法を用いることができる。なお、導電層130bをハードマスクとして用いて酸化物半導体層をエッチングすることで、レジストマスクと比べてエッチングした後の酸化物半導体層のエッジラフネスを低減することができる。
<Formation of Metal Oxide Layer 121 and Oxide Semiconductor Layer 122>
Next, a resist mask is formed by a lithography process, and the first conductive film is selectively etched using the resist mask to form the conductive layer 130b. Subsequently, after removing the resist on the hard mask, the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 and the first metal oxide film are selectively etched, respectively, so that the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 121 are etched. Are formed in an island shape (see FIG. 5). Note that a dry etching method can be used as an etching method. Note that when the oxide semiconductor layer is etched using the conductive layer 130b as a hard mask, the edge roughness of the oxide semiconductor layer after etching can be reduced as compared with the resist mask.

<金属酸化物膜123aの形成>
次に、酸化物半導体層122、絶縁層110上に金属酸化物層123として用いられる金属酸化物膜123aを成膜する。金属酸化物膜123aは、酸化物半導体膜、第1の金属酸化物膜と同様の方法で成膜することができ、金属酸化物膜123aは、酸化物半導体膜よりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。
<Formation of Metal Oxide Film 123a>
Next, a metal oxide film 123 a used as the metal oxide layer 123 is formed over the oxide semiconductor layer 122 and the insulating layer 110. The metal oxide film 123a can be formed by a method similar to that of the oxide semiconductor film and the first metal oxide film, and the metal oxide film 123a has lower electron affinity than the oxide semiconductor film. The material can be selected.

また、金属酸化物膜123aをロングスロー方式のスパッタリング法により成膜することで、溝部174における金属酸化物膜123aの埋め込み性を向上させることができる。 In addition, the metal oxide film 123a is formed by a long-throw sputtering method, whereby the burying property of the metal oxide film 123a in the groove 174 can be improved.

例えば、金属酸化物膜123aとして、スパッタリング法により、In:Ga:Zn=1:3:2(原子数比)のターゲットを用いて厚さ5nm成膜した酸化物半導体膜を用いることができる。 For example, as the metal oxide film 123a, an oxide semiconductor film formed with a thickness of 5 nm by a sputtering method with a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 2 (atomic ratio) can be used.

<第1の絶縁膜の成膜>
次に、金属酸化物膜123a上に後に絶縁層175となる第1の絶縁膜を成膜する。第1の絶縁膜は、絶縁層110と同様の方法で成膜することができる。
<Deposition of first insulating film>
Next, a first insulating film to be the insulating layer 175 later is formed over the metal oxide film 123a. The first insulating film can be formed by a method similar to that for the insulating layer 110.

第1の絶縁膜は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタリング法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化フッ化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの金属酸化物膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよい。 The first insulating film is formed by, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon oxyfluoride, or gallium oxide by plasma CVD, thermal CVD (MOCVD, ALD), or sputtering. Metal oxide films such as germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride and aluminum nitride oxide, or these It is possible to form using a mixed material. Alternatively, a laminate of the above materials may be used.

<第1の絶縁膜の平坦化>
次に、第1の絶縁膜の平坦化処理を行い、絶縁層175bを形成する(図6参照)。平坦化処理は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法、ドライエッチング法、リフロー法などを用いて行うことができる。また、CMP法を用いて平坦化する場合には、第1の絶縁膜上に第1の絶縁膜と組成の異なる膜を導入することにより、CMP処理後の基板面内の絶縁層175bの膜厚を均一にすることができる。
<Planarization of the first insulating film>
Next, planarization treatment of the first insulating film is performed to form an insulating layer 175b (see FIG. 6). The planarization treatment can be performed using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, a dry etching method, a reflow method, or the like. In the case where planarization is performed using the CMP method, a film having a composition different from that of the first insulating film is introduced over the first insulating film, whereby the film of the insulating layer 175b in the substrate surface after the CMP process is formed. The thickness can be made uniform.

<溝部の形成>
次に、平坦化した絶縁層175b上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。なお、当該絶縁層上に有機膜を塗布してから、あるいは、レジストマスク上に塗布してからリソグラフィ工程を行ってもよい。当該有機膜は、プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチルなど、を有することができる。当該有機膜をもちいることで、露光時の反射防止効果のほか、レジストマスクと膜との密着性の向上、解像性の向上などの効果を有する。当該有機膜は、他の工程にも用いることができる。
<Formation of groove>
Next, a resist mask is formed over the planarized insulating layer 175b by a lithography process. Note that the lithography step may be performed after an organic film is applied over the insulating layer or after application over a resist mask. The organic film can include propylene glycol monomethyl ether, ethyl lactate, and the like. By using the organic film, in addition to the antireflection effect at the time of exposure, there are effects such as improvement in adhesion between the resist mask and the film and improvement in resolution. The organic film can be used for other processes.

なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、電子ビーム露光、液浸露光、EUV(EUV:Extreme Ultra−Violet)露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、当該レジストマスクを用いてエッチングが行われればよい。なお、電子ビーム露光でレジストマスクを形成する場合、当該レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を100nm以下、30nm以下、さらには20nm以下とするトランジスタを形成することができる。または、X線等を用いた露光技術によって微細な加工を行ってもよい。 Note that in the case of forming a transistor with a very short channel length, resist mask processing is performed using a method suitable for thin line processing such as electron beam exposure, immersion exposure, EUV (Extreme Ultra-Violet) exposure, and the like. Etching may be performed using a resist mask. Note that in the case where a resist mask is formed by electron beam exposure, if a positive resist is used as the resist mask, an exposure region can be minimized and throughput can be improved. By using such a method, a transistor with a channel length of 100 nm or less, 30 nm or less, and further 20 nm or less can be formed. Alternatively, fine processing may be performed by an exposure technique using X-rays or the like.

当該レジストマスクを用いて、金属酸化物膜123aが露出するまで、絶縁層175bに対してドライエッチング法により溝加工処理を行う。当該加工処理により、絶縁層175、溝部174が形成される。 Using the resist mask, the insulating layer 175b is subjected to groove processing by a dry etching method until the metal oxide film 123a is exposed. Through the processing, the insulating layer 175 and the groove 174 are formed.

なお、溝部174の形状は、基板面に対して垂直形状であることが好ましい。 Note that the shape of the groove 174 is preferably perpendicular to the substrate surface.

なお、溝部174の加工方法は、上記方法に限定されない。例えば、レジストマスクだけでなく、ハードマスクを用いてもよいし、リソグラフィ工程においてハーフトーンマスクを用いて、レジストマスクの形状を制御してもよい。また、ナノインプリント法などによりマスクの形状を制御してもよい。当該方法は、他の工程にも適用することができる。 In addition, the processing method of the groove part 174 is not limited to the said method. For example, not only the resist mask but also a hard mask may be used, and the shape of the resist mask may be controlled using a halftone mask in the lithography process. Further, the shape of the mask may be controlled by a nanoimprint method or the like. The method can also be applied to other steps.

<第2の絶縁膜150aの形成>
次に、金属酸化物膜123a、および絶縁層175上にゲート絶縁層150となる第2の絶縁膜150aを形成する。第2の絶縁膜150aには、例えば、酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)などを用いることができる。なお、第2の絶縁膜150aは、上記材料の積層であってもよい。第2の絶縁膜150aは、スパッタリング法、CVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、などを用いて形成することができる。また、第2の絶縁膜150aは、絶縁層110と同様の方法を適宜用いて形成することができる。
<Formation of Second Insulating Film 150a>
Next, a second insulating film 150 a to be the gate insulating layer 150 is formed over the metal oxide film 123 a and the insulating layer 175. Examples of the second insulating film 150a include aluminum oxide (AlO x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), and silicon nitride oxide (SiN x O y). ), Silicon nitride (SiN x ), gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x ), neodymium oxide (NdO x ) Hafnium oxide (HfO x ), tantalum oxide (TaO x ), or the like can be used. Note that the second insulating film 150a may be a stack of any of the above materials. The second insulating film 150a can be formed by sputtering, CVD (plasma CVD, MOCVD, ALD, or the like), MBE, or the like. The second insulating film 150a can be formed as appropriate using a method similar to that of the insulating layer 110.

例えば、第2の絶縁膜150aとしてプラズマCVD法により酸化窒化シリコンを10nm形成することができる。 For example, 10 nm of silicon oxynitride can be formed as the second insulating film 150a by a plasma CVD method.

<導電膜160aの形成>
次に、第2の絶縁膜150a上にゲート電極層160となる導電膜160aを成膜する。(図7参照)。導電膜160aとしては、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。導電膜160aは、スパッタリング法やCVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、蒸着法、めっき法などにより形成することができる。また、導電膜160aとしては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記導電膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。
<Formation of Conductive Film 160a>
Next, a conductive film 160a to be the gate electrode layer 160 is formed over the second insulating film 150a. (See FIG. 7). As the conductive film 160a, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum ( Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta), tungsten (W), or an alloy material containing these as a main component can be used. The conductive film 160a can be formed by a sputtering method, a CVD method (plasma CVD method, MOCVD method, ALD method, or the like), MBE method, vapor deposition method, plating method, or the like. As the conductive film 160a, a conductive film containing nitrogen may be used, or a stack of the conductive film and the conductive film containing nitrogen may be used.

例えば、導電膜160aとして、窒化チタンをALD法により厚さ10nm形成し、タングステンをメタルCVD法により厚さ150nm形成した積層構造を用いることができる。 For example, the conductive film 160a can have a stacked structure in which titanium nitride is formed to a thickness of 10 nm by an ALD method and tungsten is formed to a thickness of 150 nm by a metal CVD method.

<平坦化処理>
次に、平坦化処理を行う。平坦化処理は、CMP法、ドライエッチング法などを用いて行うことができる。平坦化処理は、第2の絶縁膜150aが露出した時点で終了してもよいし、絶縁層175が露出した時点で終了してもよい。これにより、ゲート電極層160、ゲート絶縁層150を形成することができる(図8参照)。
<Planarization treatment>
Next, a flattening process is performed. The planarization treatment can be performed using a CMP method, a dry etching method, or the like. The planarization process may be terminated when the second insulating film 150a is exposed, or may be terminated when the insulating layer 175 is exposed. Thus, the gate electrode layer 160 and the gate insulating layer 150 can be formed (see FIG. 8).

<絶縁層175のエッチバック処理>
次に、絶縁層175をドライエッチング法によりエッチバック処理を行い、金属酸化物膜123aを露出させる。さらに、ゲート電極層160と重畳していない部分の金属酸化物膜123aをエッチングし、金属酸化物層123を形成する(図9参照)。
<Etch back treatment of insulating layer 175>
Next, the insulating layer 175 is etched back by a dry etching method to expose the metal oxide film 123a. Further, the portion of the metal oxide film 123a that does not overlap with the gate electrode layer 160 is etched to form the metal oxide layer 123 (see FIG. 9).

なお、図9に示す構造を形成する方法は、上記に限定されない。 Note that the method for forming the structure illustrated in FIG. 9 is not limited to the above.

例えば、図10に示すように溝部174に金属酸化物層123b、ゲート絶縁層150b、ゲート電極層160を有する構造としてもよい。または、図11に示すように第2の絶縁膜150aが金属酸化物膜123a上に形成された構造としてもよい。 For example, as illustrated in FIG. 10, the groove 174 may include a metal oxide layer 123 b, a gate insulating layer 150 b, and a gate electrode layer 160. Alternatively, as illustrated in FIG. 11, the second insulating film 150a may be formed over the metal oxide film 123a.

<イオン添加処理>
次に、酸化物半導体層122に対してイオン167の添加処理を行う(図12参照)。添加する材料は、水素(H)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ホウ素(B)、リン(P)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)などを用いることができる。添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法、高密度プラズマ処理法等がある。なお、微細化においては、イオン注入法を用いることで、所定のイオン以外の不純物の添加を抑えることができるので、好ましい。また、イオンドーピング法、プラズマ浸漬イオン注入法は、大面積を処理する場合に優れている。
<Ion addition treatment>
Next, an addition treatment of ions 167 is performed on the oxide semiconductor layer 122 (see FIG. 12). Materials to be added are hydrogen (H), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), boron (B), phosphorus (P), tungsten (W), Aluminum (Al) or the like can be used. Examples of the addition method include an ion doping method, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, and a high-density plasma treatment method. In miniaturization, it is preferable to use an ion implantation method because addition of impurities other than predetermined ions can be suppressed. In addition, the ion doping method and the plasma immersion ion implantation method are excellent when a large area is processed.

当該イオン添加処理において、イオンの加速電圧は、イオン種と注入深さに応じて調整することが望ましい。例えば、1kV以上100kV以下、3kV以上60kV以下とすることができる。また、イオンのドーズ量は1×1012ions/cm以上1×1017ions/cm以下、好ましくは1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすることが望ましい。 In the ion addition process, it is desirable to adjust the acceleration voltage of ions according to the ion species and the implantation depth. For example, it can be 1 kV or more and 100 kV or less, 3 kV or more and 60 kV or less. The dose amount of ions is 1 × 10 12 ions / cm 2 or more and 1 × 10 17 ions / cm 2 or less, preferably 1 × 10 14 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less. desirable.

イオン添加処理により、酸化物半導体層122に酸素欠損が形成され、低抵抗領域125を有することができる(図13参照)。なお、酸化物半導体層122において、ゲート電極層と重畳する領域にもイオンが拡散し、低抵抗領域125がゲート電極層と重畳する部分にも形成される場合がある。 By the ion addition treatment, oxygen vacancies are formed in the oxide semiconductor layer 122 and the low resistance region 125 can be provided (see FIG. 13). Note that in the oxide semiconductor layer 122, ions may be diffused also in a region overlapping with the gate electrode layer, and the low-resistance region 125 may be formed in a portion overlapping with the gate electrode layer.

また、イオン添加処理後に加熱処理を行うことにより、イオン添加処理時に生じた膜の損傷を修復することができる。 In addition, by performing heat treatment after the ion addition treatment, damage to the film that occurs during the ion addition treatment can be repaired.

次に、後に絶縁層180となる第3の絶縁膜を形成する。第3の絶縁膜の形成方法は、絶縁層110と同様とすることができる。第3の絶縁膜を成膜した後、平坦化することが望ましい。 Next, a third insulating film to be the insulating layer 180 later is formed. A method for forming the third insulating film can be the same as that of the insulating layer 110. It is desirable to planarize after the third insulating film is formed.

次に第3の絶縁膜に開口部を設けるためにドライエッチング法によりエッチングを行う。 Next, in order to provide an opening in the third insulating film, etching is performed by a dry etching method.

次に、開口部に導電層190となる第3の導電膜を形成した後、平坦化処理を行い、導電層190を形成する。 Next, after a third conductive film to be the conductive layer 190 is formed in the opening, planarization treatment is performed to form the conductive layer 190.

次に、導電層190上に導電層195となる第4の導電膜を形成する。第4の導電膜に対してフォトリソグラフィ法、ナノインプリンティング法などを用いることにより、導電層195を形成する。 Next, a fourth conductive film to be the conductive layer 195 is formed over the conductive layer 190. The conductive layer 195 is formed by using a photolithography method, a nanoimprinting method, or the like for the fourth conductive film.

上記作製方法を用いることにより、トランジスタ10を形成することができる。上記作製方法を用いることで、チャネル長が100nm以下、30nm以下、さらには20nm以下のきわめて微細なトランジスタを安定して作製することができる。 By using the above manufacturing method, the transistor 10 can be formed. By using the above manufacturing method, an extremely fine transistor having a channel length of 100 nm or less, 30 nm or less, and further 20 nm or less can be stably manufactured.

なお、トランジスタ10は、ゲート絶縁層150がゲート電極層の側面に接する領域を有してもよい(図14参照)。 Note that the transistor 10 may include a region where the gate insulating layer 150 is in contact with the side surface of the gate electrode layer (see FIG. 14).

<トランジスタ10の変形例1:トランジスタ11>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ11について、図15を用いて説明する。
<Modification Example 1 of Transistor 10: Transistor 11>
A transistor 11 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図15(A)、図15(B)、図15(C)は、トランジスタ11の上面図および断面図である。図15(A)はトランジスタ11の上面図であり、図15(B)は、図15(A)の一点鎖線B1−B2間、図15(C)は、B3−B4間の断面図である。 15A, 15B, and 15C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 11, respectively. 15A is a top view of the transistor 11, FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line B1-B2 in FIG. 15A, and FIG. 15C is a cross-sectional view between B3-B4. .

トランジスタ11は、絶縁層170、絶縁層172を有している点が、トランジスタ10と異なる。 The transistor 11 is different from the transistor 10 in that the transistor 11 includes an insulating layer 170 and an insulating layer 172.

《絶縁層170》
絶縁層170には、酸素、窒素、フッ素、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)を一種以上有することができる。
<Insulating layer 170>
The insulating layer 170 includes oxygen, nitrogen, fluorine, aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr), and lanthanum (La). ), Neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. Aluminum oxide (AlO x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon nitride oxide (SiN x O y ), silicon nitride (SiN x ), gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x ), neodymium oxide (NdO x ), hafnium oxide (HfO x ), and tantalum oxide ( One or more TaO x ) can be included.

絶縁層170には、酸化アルミニウム(AlO)膜を含むことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果を有することができる。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123への混入防止、主成分材料である酸素の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123からの放出防止、絶縁層110からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。 The insulating layer 170 preferably includes an aluminum oxide (AlO x ) film. The aluminum oxide film can have a blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen. Therefore, the aluminum oxide film includes a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, and a metal oxide layer 123 that are impurities such as hydrogen and moisture that cause variation in electric characteristics of the transistor during and after the manufacturing process of the transistor. Effects of preventing entry into oxygen, preventing release of oxygen as a main component material from the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, and preventing unnecessary release of oxygen from the insulating layer 110. Suitable for use as a protective film.

また、絶縁層170は、酸素供給能力を有する膜とすることが好ましい。絶縁層170を成膜時に、他の酸化物層との界面に混合層を形成し、かつ混合層または他の酸化物層に酸素が補填され、その後の加熱処理によって、酸素が酸化物半導体層中に拡散し、酸化物半導体層中の酸素欠損に対して、酸素を補填することができ、トランジスタ特性(例えば、しきい値電圧、信頼性など)を向上させることができる。 The insulating layer 170 is preferably a film having an oxygen supply capability. When the insulating layer 170 is formed, a mixed layer is formed at the interface with the other oxide layer, and oxygen is filled in the mixed layer or the other oxide layer, and oxygen is then converted into the oxide semiconductor layer by the subsequent heat treatment. Oxygen can be compensated for oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer by diffusing into the oxide semiconductor layer, and transistor characteristics (eg, threshold voltage, reliability, and the like) can be improved.

また、絶縁層170は、単層でもよいし、積層でもよい。また、絶縁層の上側、あるいは、下側に他の絶縁層を有してもよい。例えば、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。当該絶縁層から放出される酸素はゲート絶縁層150、あるいは絶縁層110を経由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。 The insulating layer 170 may be a single layer or a stacked layer. Further, another insulating layer may be provided on the upper side or the lower side of the insulating layer. For example, an insulating film containing one or more of magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide is used. be able to. The insulating layer preferably has more oxygen than the stoichiometric composition. Since oxygen released from the insulating layer can be diffused into the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150 or the insulating layer 110, oxygen is deficient in oxygen vacancies formed in the channel formation region. Can be compensated. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.

《絶縁層172》
絶縁層172には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば、酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層172は上記材料の積層であってもよい。
<< Insulating layer 172 >>
The insulating layer 172 includes oxygen (O), nitrogen (N), fluorine (F), aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), and yttrium (Y). , Zirconium (Zr), lanthanum (La), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. For example, aluminum oxide (AlO x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon nitride oxide (SiN x O y ), silicon nitride (SiN x ), Gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x ), neodymium oxide (NdO x ), hafnium oxide (HfO x ) and oxide An insulating film containing one or more types of tantalum (TaO x ) can be used. The insulating layer 172 may be a stack of the above materials.

絶縁層172には、酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果を有することができる。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123への混入防止、主成分材料である酸素の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123からの放出防止、絶縁層110からの酸素の放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。 The insulating layer 172 preferably includes an aluminum oxide film. The aluminum oxide film can have a blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen. Therefore, the aluminum oxide film includes a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, and a metal oxide layer 123 that are impurities such as hydrogen and moisture that cause variation in electric characteristics of the transistor during and after the manufacturing process of the transistor. As a protective film having an effect of preventing entry into oxygen, preventing release of oxygen as a main component material from the metal oxide layer 121, oxide semiconductor layer 122, and metal oxide layer 123, and preventing release of oxygen from the insulating layer 110 Suitable for use.

また、絶縁層172は、保護膜としての機能を有することができる。絶縁層172を設けることで、ゲート絶縁層150に対して、プラズマダメージから保護することができる。これにより、チャネル近傍に電子トラップが設けられることを抑えることができる。 The insulating layer 172 can function as a protective film. By providing the insulating layer 172, the gate insulating layer 150 can be protected from plasma damage. Thereby, it can suppress that an electron trap is provided in the channel vicinity.

<トランジスタ11の作製方法>
トランジスタ11の作製方法を図16乃至図18を用いて説明する。なお、トランジスタ10の作製方法と同様の部分については、当該説明を援用する。
<Method for Manufacturing Transistor 11>
A method for manufacturing the transistor 11 will be described with reference to FIGS. Note that the description is referred to for portions similar to those of the method for manufacturing the transistor 10.

<絶縁層172の形成>
絶縁層110、酸化物半導体層122、ゲート電極層160上に絶縁層172を成膜する(図16参照)。なお、絶縁層172を成膜することにより、酸化物半導体層122、ゲート絶縁層150がプラズマダメージを受ける恐れがあるため、MOCVD法、ALD法で成膜したものを用いることが好ましい。
<Formation of Insulating Layer 172>
An insulating layer 172 is formed over the insulating layer 110, the oxide semiconductor layer 122, and the gate electrode layer 160 (see FIG. 16). Note that formation of the insulating layer 172 may cause plasma damage to the oxide semiconductor layer 122 and the gate insulating layer 150; therefore, a film formed by MOCVD or ALD is preferably used.

また、絶縁層172の厚さは、1nm以上30nm以下、好ましくは3nm以上10nm以下であることが好ましい。 The insulating layer 172 has a thickness of 1 nm to 30 nm, preferably 3 nm to 10 nm.

また、絶縁層172を成膜後に酸化物半導体層122に対してイオン添加処理を行ってもよい(図16参照)。これにより、低抵抗領域を形成しつつ、イオン添加処理時の酸化物半導体層122の損傷を低減することができる(図17参照)。 Alternatively, ion addition treatment may be performed on the oxide semiconductor layer 122 after the insulating layer 172 is formed (see FIG. 16). Accordingly, damage to the oxide semiconductor layer 122 during the ion addition treatment can be reduced while forming a low resistance region (see FIG. 17).

また、絶縁層172は成膜後にリソグラフィ法、ナノインプリンティング法、ドライエッチング法などを用いて加工して設けてもよいし、成膜するのみとしてもよい。 The insulating layer 172 may be provided by being processed using a lithography method, a nano-imprinting method, a dry etching method, or the like after film formation, or may be only formed.

<絶縁層170の形成>
次に、絶縁層172上に、絶縁層170形成する。絶縁層170は単層としてもよいし、積層としてもよい。絶縁層170は、絶縁層110と同様の材料、方法などを用いて形成することができる。
<Formation of Insulating Layer 170>
Next, the insulating layer 170 is formed over the insulating layer 172. The insulating layer 170 may be a single layer or a stacked layer. The insulating layer 170 can be formed using a material, a method, or the like similar to that of the insulating layer 110.

また、絶縁層170は、スパッタリング法により形成した酸化アルミニウム膜とすることが好ましい。スパッタリング法で酸化アルミニウム膜を成膜する際に、成膜時に使用するガスとして、酸素ガスを有することが望ましい。また、酸素ガスは1体積%以上100体積%以下、好ましくは4体積%以上100体積%以下、さらに好ましくは10体積%以上100体積%以下有することが望ましい。酸素を1体積%以上とすることで、当該絶縁層中、あるいは接する絶縁層に対して余剰酸素を供給することができる。また、当該層に接した層に対して酸素を添加することができる。 The insulating layer 170 is preferably an aluminum oxide film formed by a sputtering method. When forming an aluminum oxide film by a sputtering method, it is desirable to have an oxygen gas as a gas used at the time of film formation. In addition, the oxygen gas is desirably contained in an amount of 1% to 100% by volume, preferably 4% to 100% by volume, and more preferably 10% to 100% by volume. By setting oxygen to 1% by volume or more, surplus oxygen can be supplied to the insulating layer or to the insulating layer in contact therewith. In addition, oxygen can be added to the layer in contact with the layer.

例えば、絶縁層170として、酸化アルミニウムをターゲットに用いて、スパッタリング時に用いるガスとして、酸素ガスを50体積%含有させて成膜を行い、厚さは20nm乃至40nmとすることができる。 For example, the insulating layer 170 can be formed using aluminum oxide as a target and oxygen gas as a gas used at the time of sputtering in an amount of 50% by volume, and the thickness can be 20 nm to 40 nm.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、代表的には、150℃以上基板歪み点未満、好ましくは250℃以上500℃以下、更に好ましくは300℃以上450℃以下とすることができる。当該加熱処理により、絶縁層(例えば絶縁層110)に添加された酸素173が拡散し、酸化物半導体層122まで移動し、酸化物半導体層122中に存在する酸素欠損に対して酸素を補填することができる(図18参照)。 Next, it is preferable to perform a heat treatment. The heat treatment is typically 150 ° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. Through the heat treatment, oxygen 173 added to the insulating layer (e.g., the insulating layer 110) diffuses and moves to the oxide semiconductor layer 122, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 are filled with oxygen. (See FIG. 18).

本実施の形態では、酸素雰囲気下で、400℃1時間の加熱処理を行うことができる。 In this embodiment, heat treatment can be performed at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

なお、当該加熱処理は、その他の工程においても、随時行ってもよい。加熱処理を行うことで、膜中に存在する欠陥を修復することができ、また界面準位密度を低減することができる。 Note that the heat treatment may be performed as needed in other steps. By performing the heat treatment, defects present in the film can be repaired, and the interface state density can be reduced.

<酸素の添加>
なお、酸素を添加する処理は、絶縁層170を介した処理に限らず行ってもよい。酸素を添加する処理は、絶縁層110、絶縁層175に行ってもよいし、第1の金属酸化物膜、金属酸化物膜123aに対して行ってもよい、その他の絶縁層に行ってもよい。添加する酸素として、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等のいずれか一以上を用いる。また、酸素を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法等がある。
<Addition of oxygen>
Note that the treatment for adding oxygen is not limited to the treatment through the insulating layer 170. The treatment for adding oxygen may be performed on the insulating layer 110 and the insulating layer 175, may be performed on the first metal oxide film and the metal oxide film 123a, or may be performed on other insulating layers. Good. As oxygen to be added, one or more of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen atom ions, oxygen molecular ions, and the like are used. As a method for adding oxygen, there are an ion doping method, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, and the like.

なお、酸素を添加する方法としてイオン注入法を用いる場合、酸素原子イオンを用いてもよいし、酸素分子イオンを用いてもよい。酸素分子イオンを用いると、添加される膜へのダメージを低減することが可能である。酸素分子イオンは、当該酸素が添加される膜表面で分離し、酸素原子イオンとなって添加される。酸素分子から酸素原子に分離するためにエネルギーが使用されるため、酸素分子イオンを当該酸素が添加される膜に添加した場合における酸素原子イオンあたりのエネルギーは、酸素原子イオンを当該酸素が添加される膜に添加した場合と比較して低い。このため、当該酸素が添加される膜のダメージを低減できる。 Note that when an ion implantation method is used as a method for adding oxygen, an oxygen atom ion or an oxygen molecular ion may be used. When oxygen molecular ions are used, damage to the added film can be reduced. Oxygen molecular ions are separated at the surface of the film to which the oxygen is added and added as oxygen atom ions. Since energy is used to separate oxygen molecules from oxygen atoms, the energy per oxygen atom ion when oxygen molecule ions are added to the film to which oxygen is added is the oxygen atom ions added to the oxygen. It is low compared with the case where it is added to the film. For this reason, damage to the film to which the oxygen is added can be reduced.

また、酸素分子イオンを用いることで、当該酸素が添加される膜に注入される酸素原子イオンそれぞれのエネルギーが低減するため、酸素原子イオンが注入される位置が浅い。このため、のちの加熱処理において、酸素原子が移動しやすくなり、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123に、より多くの酸素を供給することができる。 In addition, since the energy of each oxygen atom ion implanted into the film to which the oxygen is added is reduced by using oxygen molecular ions, the position where the oxygen atom ions are implanted is shallow. Therefore, oxygen atoms easily move in the heat treatment later, so that more oxygen can be supplied to the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123.

また、酸素分子イオンを注入する場合は、酸素原子イオンを注入する場合と比較して、酸素原子イオンあたりのエネルギーが低い。このため、酸素分子イオンを用いて注入することで、加速電圧を高めることが可能であり、スループットを高めることが可能である。また、酸素分子イオンを用いて注入することで、酸素原子イオンを用いた場合と比較して、ドーズ量を半分にすることが可能である。この結果、スループットを高めることができる。 Also, when oxygen molecular ions are implanted, the energy per oxygen atom ion is lower than when oxygen atom ions are implanted. Therefore, by using oxygen molecular ions for implantation, the acceleration voltage can be increased, and the throughput can be increased. In addition, by implanting using oxygen molecular ions, the dose can be halved compared to when oxygen atom ions are used. As a result, the throughput can be increased.

当該酸素が添加される膜に酸素を添加する場合、当該酸素が添加される膜に酸素原子イオンの濃度プロファイルのピークが位置するような条件を用いて、当該酸素が添加される膜に酸素を添加することが好ましい。この結果、酸素原子イオンを注入する場合に比べて、注入時の加速電圧を下げることができ、当該酸素が添加される膜のダメージを低減することが可能である。即ち、当該酸素が添加される膜の欠陥量を低減することができ、トランジスタの電気特性の変動を抑制することが可能である。さらには、絶縁層110および金属酸化物層121界面における酸素原子の添加量が、1×1021atoms/cm未満、または1×1020atoms/cm未満、または1×1019atoms/cm未満となるように、当該酸素が添加される膜に酸素を添加することで、絶縁層110に添加される酸素の量を低減できる。この結果、当該酸素が添加される膜へのダメージを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。 When oxygen is added to the film to which oxygen is added, oxygen is added to the film to which oxygen is added under such a condition that the peak of the concentration profile of oxygen atom ions is located in the film to which oxygen is added. It is preferable to add. As a result, compared with the case of implanting oxygen atom ions, the acceleration voltage at the time of implantation can be reduced, and damage to the film to which the oxygen is added can be reduced. That is, the amount of defects in the film to which oxygen is added can be reduced, and fluctuations in electrical characteristics of the transistor can be suppressed. Further, the amount of oxygen atoms added at the interface between the insulating layer 110 and the metal oxide layer 121 is less than 1 × 10 21 atoms / cm 3 , or less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , or 1 × 10 19 atoms / cm 3. By adding oxygen to the film to which oxygen is added so as to be less than 3, the amount of oxygen added to the insulating layer 110 can be reduced. As a result, damage to the film to which oxygen is added can be reduced, and fluctuations in electrical characteristics of the transistor can be suppressed.

また、酸素を有する雰囲気で発生させたプラズマに当該酸素が添加される膜を曝すプラズマ処理(プラズマ浸漬イオン注入法)により、当該酸素が添加される膜に酸素を添加してもよい。酸素を有する雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等の酸化性気体を有する雰囲気がある。なお、基板100側にバイアスを印加した状態で発生したプラズマに当該酸素が添加される膜を曝すことで、当該酸素が添加される膜への酸素添加量を増加させることが可能であり好ましい。このようなプラズマ処理を行う装置の一例として、アッシング装置がある。 Alternatively, oxygen may be added to the film to which oxygen is added by a plasma treatment (plasma immersion ion implantation method) in which the film to which oxygen is added is exposed to plasma generated in an atmosphere having oxygen. As an atmosphere containing oxygen, there is an atmosphere containing an oxidizing gas such as oxygen, ozone, dinitrogen monoxide, and nitrogen dioxide. Note that it is possible to increase the amount of oxygen added to the film to which oxygen is added by exposing the film to which oxygen is added to plasma generated with a bias applied to the substrate 100 side. An example of an apparatus that performs such plasma processing is an ashing apparatus.

例えば、加速電圧を60kVとし、ドーズ量が2×1016/cmの酸素分子イオンをイオン注入法により絶縁層110に添加することができる。 For example, oxygen molecular ions having an acceleration voltage of 60 kV and a dose of 2 × 10 16 / cm 2 can be added to the insulating layer 110 by an ion implantation method.

上記工程は、トランジスタ10、その他のトランジスタにも適用することができる。 The above steps can also be applied to the transistor 10 and other transistors.

以上により、酸化物半導体膜の局在準位密度が低減され、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。また、経時変化やストレス試験による電気特性の変動の少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。 Through the above, the localized state density of the oxide semiconductor film is reduced, and a transistor having excellent electric characteristics can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor with little change in electrical characteristics due to aging and stress tests can be manufactured.

<トランジスタ10の変形例2:トランジスタ12>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ12について、図19を用いて説明する。
<Modification Example 2 of Transistor 10: Transistor 12>
A transistor 12 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図19(A)、図19(B)、図19(C)は、トランジスタ12の上面図および断面図である。図19(A)はトランジスタ12の上面図であり、図19(B)は、図19(A)の一点鎖線C1−C2間、図19(C)は、C3−C4間の断面図である。 19A, 19B, and 19C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 12, respectively. 19A is a top view of the transistor 12, FIG. 19B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line C1-C2 in FIG. 19A, and FIG. 19C is a cross-sectional view between C3-C4. .

トランジスタ12は、金属酸化物層123が酸化物半導体層122、金属酸化物層121の側端部と接する領域を有している点と、導電層165を有している点で、トランジスタ10と異なる。なお、トランジスタ12では、金属酸化物膜123aをエッチングせずに金属酸化物層123として用いることができる。 The transistor 12 is different from the transistor 10 in that the metal oxide layer 123 has a region in contact with the side edges of the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 121 and a conductive layer 165. Different. Note that in the transistor 12, the metal oxide film 123a can be used as the metal oxide layer 123 without being etched.

《導電層165》
導電層165には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはシリコンなどの材料を有することができる。また、導電層165は、積層とすることができる。積層とする場合、例えば上記材料の窒化物など、窒素を含んだ材料と組み合わせて用いてもよい。
<< Conductive layer 165 >>
The conductive layer 165 includes, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum ( It can have materials such as Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta), tungsten (W), or silicon. The conductive layer 165 can be a stacked layer. In the case of stacking, for example, a material containing nitrogen such as a nitride of the above material may be used in combination.

導電層165は、ゲート電極層160と同様の機能を有することができる。導電層165は、ゲート電極層160と同電位を印加する構成としてもよいし、異なる電位を印加できる構成としてもよい。 The conductive layer 165 can have a function similar to that of the gate electrode layer 160. The conductive layer 165 may have a structure in which the same potential as that of the gate electrode layer 160 is applied or a structure in which a different potential can be applied.

また、導電層165を設けたトランジスタ12においては、絶縁層110はゲート絶縁層150と同様の構造、および機能を有することができる。 In the transistor 12 provided with the conductive layer 165, the insulating layer 110 can have the same structure and function as the gate insulating layer 150.

上記構造とすることで、イオン添加処理時の酸化物半導体層の損傷を抑制することができる(図20、図21参照)。また、酸化物半導体層122の側端部を保護することができる。以上により、トランジスタの電気特性を安定させることができる。 With the above structure, damage to the oxide semiconductor layer during the ion addition treatment can be suppressed (see FIGS. 20 and 21). Further, the side end portion of the oxide semiconductor layer 122 can be protected. As described above, the electrical characteristics of the transistor can be stabilized.

<トランジスタ10の変形例3:トランジスタ13>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ13について、図22を用いて説明する。
<Modification Example 3 of Transistor 10: Transistor 13>
A transistor 13 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図22(A)、図22(B)、図22(C)は、トランジスタ13の上面図および断面図である。図22(A)はトランジスタ13の上面図であり、図22(B)は、図22(A)の一点鎖線D1−D2間、図22(C)は、D3−D4間の断面図である。 22A, 22B, and 22C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 13, respectively. 22A is a top view of the transistor 13, FIG. 22B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line D1-D2 in FIG. 22A, and FIG. 22C is a cross-sectional view between D3-D4. .

トランジスタ13は、トランジスタ12と同様に金属酸化物層123が酸化物半導体層122、金属酸化物層121のチャネル長方向、およびチャネル幅方向の側端部と接する領域を有する点に加えて、ゲート絶縁層151、ゲート絶縁層152を有している点で、トランジスタ10と異なる。 Similarly to the transistor 12, the transistor 13 includes a gate in addition to the region in which the metal oxide layer 123 is in contact with the oxide semiconductor layer 122, the side edges of the metal oxide layer 121 in the channel length direction and the channel width direction. The transistor 10 is different from the transistor 10 in that an insulating layer 151 and a gate insulating layer 152 are provided.

《ゲート絶縁層151、ゲート絶縁層152》
ゲート絶縁層151、ゲート絶縁層152は、ゲート絶縁層150と同様の材料を有することができる。
<< Gate Insulating Layer 151, Gate Insulating Layer 152 >>
The gate insulating layer 151 and the gate insulating layer 152 can have the same material as the gate insulating layer 150.

なお、ゲート絶縁層151と、ゲート絶縁層152は、異なる材料で構成されることが好ましい。 Note that the gate insulating layer 151 and the gate insulating layer 152 are preferably formed using different materials.

<トランジスタ13の作製方法>
トランジスタ13の作製方法を図23乃至図26を用いて説明する。なお、トランジスタ10の作製方法と同様の部分については、当該説明を援用する。
<Method for Manufacturing Transistor 13>
A method for manufacturing the transistor 13 will be described with reference to FIGS. Note that the description is referred to for portions similar to those of the method for manufacturing the transistor 10.

<ゲート絶縁層151の形成>
金属酸化物層123成膜後にゲート絶縁層151を形成する。ゲート絶縁層151は、スパッタリング法、CVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE法、などを用いて形成することができる。
<Formation of Gate Insulating Layer 151>
A gate insulating layer 151 is formed after the metal oxide layer 123 is formed. The gate insulating layer 151 can be formed by a sputtering method, a CVD method (plasma CVD method, MOCVD method, ALD method, or the like), an MBE method, or the like.

例えば、ゲート絶縁層151としてALD法により酸化アルミニウムを5nm形成することができる。 For example, 5 nm of aluminum oxide can be formed as the gate insulating layer 151 by an ALD method.

<絶縁膜152aの形成>
次に、溝部174形成後のゲート絶縁層151、絶縁層175上に絶縁膜152a、導電膜160aを形成する(図23参照)。
<Formation of Insulating Film 152a>
Next, an insulating film 152a and a conductive film 160a are formed over the gate insulating layer 151 and the insulating layer 175 after the groove 174 is formed (see FIG. 23).

絶縁膜152aは、トランジスタ10の第2の絶縁膜150aと同様の材料、方法を用いて形成することができる。例えば、絶縁膜152aとしてプラズマCVD法により酸化シリコンを5nm形成することができる。 The insulating film 152a can be formed using a material and a method similar to those of the second insulating film 150a of the transistor 10. For example, 5 nm of silicon oxide can be formed as the insulating film 152a by a plasma CVD method.

次に、絶縁膜152a、導電膜160aに対して平坦化処理を行うことにより、ゲート電極層160、絶縁層152bを形成する(図24参照)。 Next, planarization treatment is performed on the insulating film 152a and the conductive film 160a, whereby the gate electrode layer 160 and the insulating layer 152b are formed (see FIG. 24).

次に、絶縁層175をゲート絶縁層151が露出するまでエッチングする。さらに絶縁層152bにおいて、ゲート電極層160と重畳する部分を除いてエッチングすることで、ゲート絶縁層152を形成することができる。 Next, the insulating layer 175 is etched until the gate insulating layer 151 is exposed. Further, the gate insulating layer 152 can be formed by etching the insulating layer 152 b except for a portion overlapping with the gate electrode layer 160.

次に、イオン167の添加処理を行う(図25参照)。イオン添加処理は、ゲート絶縁層151、金属酸化物層123を介して、酸化物半導体層122に対して行い、低抵抗領域125を形成する(図26参照)。 Next, ion 167 is added (see FIG. 25). Ion addition treatment is performed on the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 151 and the metal oxide layer 123, so that the low-resistance region 125 is formed (see FIG. 26).

上記方法を用いることで、例えば微細なトランジスタ作製時の金属酸化物層123などの膜減りを低減できる。また、加工時に生じる損傷を低減することができる。したがって、微細なトランジスタにおいても、形状を安定化させることができる。また、トランジスタの電気特性の向上並びに信頼性を向上させることができる。 By using the above method, film loss of the metal oxide layer 123 or the like when a fine transistor is manufactured can be reduced, for example. In addition, damage caused during processing can be reduced. Therefore, the shape of a fine transistor can be stabilized. In addition, the electrical characteristics and reliability of the transistor can be improved.

<トランジスタ10の変形例4:トランジスタ14>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ14について、図27を用いて説明する。
<Modification Example 4 of Transistor 10: Transistor 14>
A transistor 14 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図27(A)、図27(B)、図27(C)は、トランジスタ14の上面図および断面図である。図27(A)はトランジスタ14の上面図であり、図27(B)は、図27(A)の一点鎖線E1−E2間、図27(C)は、E3−E4間の断面図である。 27A, 27B, and 27C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 14, respectively. 27A is a top view of the transistor 14, FIG. 27B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line E1-E2 in FIG. 27A, and FIG. 27C is a cross-sectional view taken along the line E3-E4. .

トランジスタ14は、金属酸化物層123の形状は、トランジスタ12と同様であり、ゲート絶縁層150がゲート電極層160の側面と接する領域を有する点と、ゲート絶縁層150の側面と接する領域を有する絶縁層176が設けられている点でトランジスタ10と異なる。 The shape of the metal oxide layer 123 in the transistor 14 is the same as that of the transistor 12. The transistor 14 has a region where the gate insulating layer 150 is in contact with the side surface of the gate electrode layer 160 and a region in contact with the side surface of the gate insulating layer 150. It differs from the transistor 10 in that an insulating layer 176 is provided.

なお、基板の底面と、ゲート電極層の側面の接線とがなす角(勾配)は、30度以上90度未満、好ましくは、60度以上85度以下とすることが望ましい。 Note that an angle (gradient) formed by the bottom surface of the substrate and the tangent to the side surface of the gate electrode layer is 30 to 90 degrees, preferably 60 to 85 degrees.

上記構造とすることにより、低抵抗領域125の大きさの制御が可能となる。これにより、オン電流を向上させることができる。また、トランジスタの特性を安定させることができる。 With the above structure, the size of the low resistance region 125 can be controlled. Thereby, the on-current can be improved. In addition, the characteristics of the transistor can be stabilized.

《絶縁層176》
絶縁層176は、絶縁層175と同様の材料を用いて構成できる。
<< Insulating layer 176 >>
The insulating layer 176 can be formed using a material similar to that of the insulating layer 175.

<トランジスタ14の作製方法>
トランジスタ14の作製方法を図28乃至図32を用いて説明する。なお、他のトランジスタの作製方法と同様の部分については、当該説明を援用する。
<Method for Manufacturing Transistor 14>
A method for manufacturing the transistor 14 is described with reference to FIGS. Note that the description is referred to for portions similar to those of another method for manufacturing a transistor.

金属酸化物膜123a上に設けられた溝部174に第2の絶縁膜150a、導電膜160aを形成する(図28参照)。 A second insulating film 150a and a conductive film 160a are formed in the groove 174 provided over the metal oxide film 123a (see FIG. 28).

なお、図28は、作製過程は図7と同様であるが、溝部174を設ける上で、基板底面と絶縁層175の側面の接線がなす角(勾配)は、30度以上90度未満、好ましくは、60度以上85度以下とすることが望ましい。 28, the manufacturing process is the same as that in FIG. 7, but the angle (gradient) formed by the tangent line between the bottom surface of the substrate and the side surface of the insulating layer 175 in providing the groove 174 is preferably 30 degrees or more and less than 90 degrees. Is preferably 60 degrees or more and 85 degrees or less.

上記勾配については、絶縁層175と対向する導電膜160aにおいても同様に得ることができる。 The above gradient can be similarly obtained in the conductive film 160a facing the insulating layer 175.

次に、第2の絶縁膜150a、導電膜160aに対して、平坦化処理を行うことにより、ゲート電極層160、ゲート絶縁層150を形成する(図29参照)。 Next, planarization treatment is performed on the second insulating film 150a and the conductive film 160a, so that the gate electrode layer 160 and the gate insulating layer 150 are formed (see FIG. 29).

次に、ゲート電極層160をマスクとして、絶縁層175、ゲート絶縁層150をドライエッチング法により、金属酸化物膜123aが露出するまでエッチングすることにより金属酸化物層123、および絶縁層176を形成する(図30参照)。絶縁層176は、側壁としての機能を有することができる。上記工程を用いることで、側壁を自己整合的に形成することができるため、工程を簡略化することができる。 Next, using the gate electrode layer 160 as a mask, the insulating layer 175 and the gate insulating layer 150 are etched by dry etching until the metal oxide film 123a is exposed, whereby the metal oxide layer 123 and the insulating layer 176 are formed. (See FIG. 30). The insulating layer 176 can function as a sidewall. By using the above process, the side wall can be formed in a self-aligned manner, so that the process can be simplified.

次に、イオン167の添加処理をすることにより(図31参照)、低抵抗領域を形成する(図32参照)。 Next, by adding ions 167 (see FIG. 31), a low resistance region is formed (see FIG. 32).

なお、絶縁層176を有することにより、例えば加熱処理を行った際にイオンが横方向に拡散し、イオン添加していない領域がそのイオンを含んでも、低抵抗領域の大きさを制御することが可能である。したがって、チャネル長が100nm以下、60nm以下、30nm以下、20nm以下となってもトランジスタを安定して動作させることができる。 Note that the insulating layer 176 can control the size of the low-resistance region even when, for example, ions are diffused in the lateral direction when heat treatment is performed and a region where ions are not added includes the ions. Is possible. Accordingly, the transistor can be stably operated even when the channel length is 100 nm or less, 60 nm or less, 30 nm or less, or 20 nm or less.

なお、トランジスタ14は、絶縁層170を設ける構成としてもよい(図33参照)。また、金属酸化物層123を加工して設ける構成としてもよい(図34参照)。また、ゲート絶縁層150となる第2の絶縁膜150aを溝部形成前に設ける構成としてもよい(図35参照)。 Note that the transistor 14 may be provided with an insulating layer 170 (see FIG. 33). Alternatively, the metal oxide layer 123 may be processed and provided (see FIG. 34). Alternatively, the second insulating film 150a to be the gate insulating layer 150 may be provided before forming the groove (see FIG. 35).

また、基板底面とゲート電極層160の側面の接線がなす角(勾配)が大きい場合には、絶縁層176を有しない領域を有する場合がある(図36参照)。 In the case where the angle (gradient) formed by the tangent line between the bottom surface of the substrate and the side surface of the gate electrode layer 160 is large, a region without the insulating layer 176 may be included (see FIG. 36).

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

(実施の形態2)
<酸化物半導体の構造>
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
(Embodiment 2)
<Structure of oxide semiconductor>
Hereinafter, the structure of the oxide semiconductor is described.

酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。 An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS (c-axis-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.

即ち、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。 That is, 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.

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

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。 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37(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 including 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37(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37(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 when 2θ is fixed at around 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37(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37(E)に示す。図37(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37(E)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図37(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。 Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS 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. 37E 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. 37E, 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. 37E is considered to originate from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 37E is considered to be due 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38(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. 38A 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38(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。 From FIG. 38A, a pellet which is a region where metal atoms are arranged in layers can be confirmed. 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 CAAC-OS formation surface or top surface and is parallel to the CAAC-OS formation surface or top surface.

また、図38(B)および図38(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38(D)および図38(E)は、それぞれ図38(B)および図38(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38(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. 38B and 38C show Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of the CAAC-OS observed from the direction substantially perpendicular to the sample surface. FIGS. 38D and 38E are images obtained by performing image processing on FIGS. 38B and 38C, 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38(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. 38D, 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38(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、の間を点線で示し、格子配列の向き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. 38E, the area between the lattice arrangements and the area with another lattice arrangement is indicated by a dotted line, and the direction of the lattice arrangement is indicated by a broken line. A clear crystal grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. A distorted hexagon can be formed by connecting the surrounding lattice points around the lattice points near the dotted line. 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)を有する酸化物半導体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. Thus, the CAAC-OS can also be referred to as an oxide semiconductor having 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/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, less than 8 × 10 11 atoms / cm 3, preferably 1 × 10 11 / cm less than 3, more preferably less than 1 × 10 10 atoms / cm 3, 1 × 10 -9 / cm 3 or An oxide semiconductor having the above carrier density 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.

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

nc−OS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39(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39(B)に示す。図39(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 in parallel with the formation surface, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. FIG. 39B 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. 39B, 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39(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。 Further, when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on a region having a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagonal shape 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39(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. 39D illustrates 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.

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

図40に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図40(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40(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40(A)および図40(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. 40 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 40A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 40B 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 . 40A and 40B, 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 a crystal part of InGaZnO 4 . Note that the lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.

図41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41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41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41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. 41 is an example in which the average size of the crystal parts (22 to 30 locations) of each sample was investigated. Note that the length of the lattice stripes described above is the size of the crystal part. From FIG. 41, 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 and the like. From FIG. 41, the crystal part (also referred to as the initial nucleus), which was about 1.2 nm in the initial observation by TEM, has a cumulative electron (e ) 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. 41 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.

<CACの構成>
以下では、本発明の一態様に用いることができるCAC(Cloud Aligned Complementary)−OSの構成について説明する。
<Configuration of CAC>
Hereinafter, a configuration of a CAC (Cloud Aligned Complementary) -OS that can be used in one embodiment of the present invention will be described.

CACとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。 The CAC is one structure of a material in which an element included in an oxide semiconductor is unevenly distributed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. Note that in the following, in an oxide semiconductor, one or more metal elements are unevenly distributed, and a region including the metal element has a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. The state mixed with is also referred to as a mosaic or patch.

例えば、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZOともいう。)におけるCAC−IGZOとは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4Z4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2Z2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, CAC-IGZO in an In—Ga—Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO) is indium oxide (hereinafter referred to as InO X1 (X1 is a real number greater than 0)) or indium zinc oxide. objects (hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real) than 0.), gallium oxide (hereinafter, GaO X3 (X3 is a large real number) than 0. ), Or gallium zinc oxide (hereinafter referred to as Ga X4 Zn Y4 O Z4 (X4, Y4, and Z4 are real numbers greater than 0)), etc. InO X1 or In X2 Zn Y2 O Z2 is uniformly distributed in the film (hereinafter also referred to as cloud shape).

つまり、CAC−IGZOは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。 That, CAC-IGZO has a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 is the main component region is a composite oxide semiconductor having a structure that is mixed. Note that in this specification, for example, the first region indicates that the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region. It is assumed that the concentration of In is higher than that in the second region.

なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1−x0)(ZnO)m0(−1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。 Note that IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. As a typical example, InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number) or In (1 + x0) Ga (1-x0) O 3 (ZnO) m0 (−1 ≦ x0 ≦ 1, m0 is an arbitrary number) A crystalline compound may be mentioned.

上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した結晶構造である。 The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure. Note that the CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.

一方、CACは、材料構成に関する。CACとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。従って、CACにおいて、結晶構造は副次的な要素である。 On the other hand, CAC relates to a material structure. CAC is a material structure containing In, Ga, Zn, and O, and is a region that is observed in a part of nanoparticles mainly composed of Ga, and a part of nanoparticles composed mainly of In. The observed region is a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic pattern. Therefore, in CAC, the crystal structure is a secondary element.

なお、CACは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。 Note that CAC does not include a stacked structure of two or more kinds of films having different compositions. For example, a structure composed of two layers of a film mainly containing In and a film mainly containing Ga is not included.

なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。 Incidentally, a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component region, in some cases clear boundary can not be observed.

<CAC−IGZOの解析>
続いて、各種測定方法を用い、基板上に成膜した酸化物半導体について測定を行った結果について説明する。
<Analysis of CAC-IGZO>
Subsequently, the results of measurement of an oxide semiconductor film formed on a substrate using various measurement methods will be described.

≪試料の構成と作製方法≫
以下では、本発明の一態様に係る9個の試料について説明する。各試料は、それぞれ、酸化物半導体を成膜する際の基板温度、および酸素ガス流量比を異なる条件で作製する。なお、試料は、基板と、基板上の酸化物半導体と、を有する構造である。
<< Sample structure and production method >>
In the following, nine samples according to one embodiment of the present invention are described. Each sample is manufactured under different conditions for the substrate temperature and the oxygen gas flow rate when the oxide semiconductor film is formed. Note that the sample has a structure including a substrate and an oxide semiconductor over the substrate.

各試料の作製方法について、説明する。 A method for manufacturing each sample will be described.

まず、基板として、ガラス基板を用いる。続いて、スパッタリング装置を用いて、ガラス基板上に酸化物半導体として、厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を形成する。成膜条件は、チャンバー内の圧力を0.6Paとし、ターゲットには、酸化物ターゲット(In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])を用いる。また、スパッタリング装置内に設置された酸化物ターゲットに2500WのAC電力を供給する。 First, a glass substrate is used as the substrate. Subsequently, an In—Ga—Zn oxide with a thickness of 100 nm is formed as an oxide semiconductor over the glass substrate with a sputtering apparatus. The deposition conditions are such that the pressure in the chamber is 0.6 Pa and an oxide target (In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio]) is used as the target. In addition, 2500 W AC power is supplied to the oxide target installed in the sputtering apparatus.

なお、酸化物を成膜する際の条件として、基板温度を、意図的に加熱しない温度(以下、R.T.ともいう。)、130℃、または170℃とした。また、Arと酸素の混合ガスに対する酸素ガスの流量比(以下、酸素ガス流量比ともいう。)を、10%、30%、または100%とすることで、9個の試料を作製する。 Note that as a condition for forming an oxide film, the substrate temperature was set to a temperature at which heating was not performed intentionally (hereinafter also referred to as RT), 130 ° C., or 170 ° C. In addition, nine samples are manufactured by setting the flow rate ratio of oxygen gas to the mixed gas of Ar and oxygen (hereinafter also referred to as oxygen gas flow rate ratio) to 10%, 30%, or 100%.

≪X線回折による解析≫
本項目では、9個の試料に対し、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定を行った結果について説明する。なお、XRD装置として、Bruker社製D8 ADVANCEを用いた。また、条件は、Out−of−plane法によるθ/2θスキャンにて、走査範囲を15deg.乃至50deg.、ステップ幅を0.02deg.、走査速度を3.0deg./分とした。
≪Analysis by X-ray diffraction≫
In this item, the results of X-ray diffraction (XRD) measurement on nine samples will be described. Note that Bruker D8 ADVANCE was used as the XRD apparatus. The condition is that the scanning range is 15 deg. In θ / 2θ scanning by the out-of-plane method. To 50 deg. , The step width is 0.02 deg. The scanning speed is 3.0 deg. / Min.

図68にOut−of−plane法を用いてXRDスペクトルを測定した結果を示す。なお、図68において、上段には成膜時の基板温度条件が170℃の試料における測定結果、中段には成膜時の基板温度条件が130℃の試料における測定結果、下段には成膜時の基板温度条件がR.T.の試料における測定結果を示す。また、左側の列には酸素ガス流量比の条件が10%の試料における測定結果、中央の列には酸素ガス流量比の条件が30%の試料における測定結果、右側の列には酸素ガス流量比の条件が100%の試料における測定結果、を示す。 FIG. 68 shows the result of measuring the XRD spectrum using the out-of-plane method. In FIG. 68, the upper part shows the measurement result for the sample whose substrate temperature condition during film formation is 170 ° C., the middle part shows the measurement result for the sample whose substrate temperature condition during film formation is 130 ° C., and the lower part shows the measurement result during film formation. The substrate temperature condition of R.R. T.A. The measurement result in the sample is shown. The left column shows the measurement results for the sample with an oxygen gas flow ratio of 10%, the center column shows the measurement results for a sample with an oxygen gas flow ratio of 30%, and the right column shows the oxygen gas flow rate. The measurement result in the sample whose ratio condition is 100% is shown.

図68に示すXRDスペクトルは、成膜時の基板温度を高くする、または、成膜時の酸素ガス流量比の割合を大きくすることで、2θ=31°付近のピーク強度が高くなる。なお、2θ=31°付近のピークは、被形成面または上面に略垂直方向に対してc軸に配向した結晶性IGZO化合物(CAAC(c−axis aligned crystalline)−IGZOともいう。)であることに由来することが分かっている。 In the XRD spectrum shown in FIG. 68, the peak intensity in the vicinity of 2θ = 31 ° increases by increasing the substrate temperature during film formation or increasing the ratio of the oxygen gas flow rate ratio during film formation. Note that the peak near 2θ = 31 ° is a crystalline IGZO compound (also referred to as CAAC (c-axis aligned crystalline) -IGZO) oriented in the c-axis with respect to a surface to be formed or an upper surface substantially perpendicular to the surface. Is known to originate from

また、図68に示すXRDスペクトルは、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さいほど、明確なピークが現れなかった。従って、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい試料は、測定領域のa−b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。 In the XRD spectrum shown in FIG. 68, a clear peak did not appear as the substrate temperature during film formation was lower or the oxygen gas flow rate ratio was smaller. Therefore, it can be seen that the sample having a low substrate temperature during film formation or a small oxygen gas flow ratio does not show orientation in the ab plane direction and c-axis direction of the measurement region.

≪電子顕微鏡による解析≫
本項目では、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料を、HAADF(High−Angle Annular Dark Field)−STEM(Scanning Transmission Electron Microscope)によって観察、および解析した結果について説明する(以下、HAADF−STEMによって取得した像は、TEM像ともいう。)。
≪Analysis with electron microscope≫
In this item, the substrate temperature R.D. T.A. Samples prepared at a gas flow rate ratio of 10% and HAADF (High-Angle Angular Dark Field) -STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) will be described and explained below (hereinafter obtained by HAADF-STEM). The image is also called a TEM image.)

HAADF−STEMによって取得した平面像(以下、平面TEM像ともいう。)、および断面像(以下、断面TEM像ともいう。)の画像解析を行った結果について説明する。なお、TEM像は、球面収差補正機能を用いて観察した。なお、HAADF−STEM像の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fを用いて、加速電圧200kV、ビーム径約0.1nmφの電子線を照射して行った。 The results of image analysis of a planar image (hereinafter also referred to as a planar TEM image) acquired by HAADF-STEM and a sectional image (hereinafter also referred to as a sectional TEM image) will be described. The TEM image was observed using a spherical aberration correction function. The HAADF-STEM image was taken by irradiating an electron beam with an acceleration voltage of 200 kV and a beam diameter of about 0.1 nmφ using an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

図69(A)は、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の平面TEM像である。図69(B)は、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の断面TEM像である。 FIG. 69A shows the substrate temperature R.P. T.A. , And a plane TEM image of a sample fabricated at an oxygen gas flow rate ratio of 10%. FIG. 69B shows the substrate temperature R.D. T.A. And a cross-sectional TEM image of a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10%.

≪電子線回折パターンの解析≫
本項目では、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料に、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで、電子線回折パターンを取得した結果について説明する。
≪Analysis of electron diffraction pattern≫
In this item, the substrate temperature R.D. T.A. The result of acquiring an electron beam diffraction pattern by irradiating an electron beam having a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam) to a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10% will be described.

図69(A)に示す、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の平面TEM像において、黒点a1、黒点a2、黒点a3、黒点a4、および黒点a5で示す電子線回折パターンを観察する。なお、電子線回折パターンの観察は、電子線を照射しながら0秒の位置から35秒の位置まで一定の速度で移動させながら行う。黒点a1の結果を図69(C)、黒点a2の結果を図69(D)、黒点a3の結果を図69(E)、黒点a4の結果を図69(F)、および黒点a5の結果を図69(G)に示す。 As shown in FIG. 69A, the substrate temperature R.D. T.A. , And an electron beam diffraction pattern indicated by black spots a1, black spots a2, black spots a3, black spots a4, and black spots a5 in a planar TEM image of a sample prepared at an oxygen gas flow rate ratio of 10%. The observation of the electron beam diffraction pattern is performed while moving at a constant speed from the 0 second position to the 35 second position while irradiating the electron beam. FIG. 69C shows the result of black point a1, FIG. 69D shows the result of black point a2, FIG. 69E shows the result of black point a3, FIG. 69F shows the result of black point a4, and FIG. It is shown in FIG.

図69(C)、図69(D)、図69(E)、図69(F)、および図69(G)より、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できる。 From FIG. 69 (C), FIG. 69 (D), FIG. 69 (E), FIG. 69 (F), and FIG. 69 (G), it is possible to observe a region with high luminance like a circle (in a ring shape). A plurality of spots can be observed in the ring-shaped region.

また、図69(B)に示す、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の断面TEM像において、黒点b1、黒点b2、黒点b3、黒点b4、および黒点b5で示す電子線回折パターンを観察する。黒点b1の結果を図69(H)、黒点b2の結果を図69(I)、黒点b3の結果を図69(J)、黒点b4の結果を図69(K)、および黒点b5の結果を図69(L)に示す。 In addition, as shown in FIG. T.A. In the cross-sectional TEM image of the sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10%, the electron beam diffraction pattern indicated by black spot b1, black spot b2, black spot b3, black spot b4, and black spot b5 is observed. FIG. 69 (H) shows the result of black point b1, FIG. 69 (I) shows the result of black point b2, FIG. 69 (J) shows the result of black point b3, FIG. 69 (K) shows the result of black point b4, and FIG. As shown in FIG.

図69(H)、図69(I)、図69(J)、図69(K)、および図69(L)より、リング状に輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できる。 From FIG. 69 (H), FIG. 69 (I), FIG. 69 (J), FIG. 69 (K), and FIG. 69 (L), a region with high luminance can be observed in a ring shape. A plurality of spots can be observed in the ring-shaped region.

ここで、例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる回折パターンが見られる。つまり、CAAC−OSは、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ると、リング状の回折パターンが確認される。つまり、CAAC−OSは、a軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。 Here, for example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal in parallel to the sample surface, spots resulting from the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal are included. A diffraction pattern is seen. That is, it can be seen that the CAAC-OS has c-axis orientation and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample perpendicularly to the sample surface, a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. That is, in the CAAC-OS, the a-axis and the b-axis do not have orientation.

また、微結晶を有する酸化物半導体(nano crystalline oxide semiconductor。以下、nc−OSという。)に対し、大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。また、nc−OSに対し、小さいプローブ径の電子線(例えば50nm未満)を用いるナノビーム電子線回折を行うと、輝点(スポット)が観測される。また、nc−OSに対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域に複数の輝点が観測される場合がある。 Further, when electron beam diffraction using an electron beam with a large probe diameter (for example, 50 nm or more) is performed on an oxide semiconductor having microcrystals (hereinafter referred to as nc-OS), a halo pattern is obtained. A simple diffraction pattern is observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS using an electron beam with a small probe diameter (for example, less than 50 nm), bright spots (spots) are observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). In addition, a plurality of bright spots may be observed in the ring-shaped region.

成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の電子線回折パターンは、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点を有する。従って、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料は、電子線回折パターンが、nc−OSになり、平面方向、および断面方向において、配向性は有さない。 Substrate temperature R.D. T.A. The electron beam diffraction pattern of a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10% has a ring-like high luminance region and a plurality of bright spots in the ring region. Therefore, the substrate temperature R.D. T.A. And the sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10% has an electron beam diffraction pattern of nc-OS and has no orientation in the plane direction and the cross-sectional direction.

以上より、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい酸化物半導体は、アモルファス構造の酸化物半導体膜とも、単結晶構造の酸化物半導体膜とも明確に異なる性質を有すると推定できる。 As described above, an oxide semiconductor with a low substrate temperature or a low oxygen gas flow ratio during deposition has properties that are clearly different from those of an amorphous oxide semiconductor film and a single crystal oxide semiconductor film. Can be estimated.

≪元素分析≫
本項目では、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用い、EDXマッピングを取得し、評価することによって、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の元素分析を行った結果について説明する。なお、EDX測定には、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型X線分析装置JED−2300Tを用いる。なお、試料から放出されたX線の検出にはSiドリフト検出器を用いる。
≪Elemental analysis≫
In this item, by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and obtaining and evaluating EDX mapping, the substrate temperature R.D. T.A. The results of elemental analysis of a sample prepared at an oxygen gas flow rate ratio of 10% will be described. For EDX measurement, an energy dispersive X-ray analyzer JED-2300T manufactured by JEOL Ltd. is used as an element analyzer. A Si drift detector is used to detect X-rays emitted from the sample.

EDX測定では、試料の分析対象領域の各点に電子線照射を行い、これにより発生する試料の特性X線のエネルギーと発生回数を測定し、各点に対応するEDXスペクトルを得る。本実施の形態では、各点のEDXスペクトルのピークを、In原子のL殻への電子遷移、Ga原子のK殻への電子遷移、Zn原子のK殻への電子遷移及びO原子のK殻への電子遷移に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出する。これを試料の分析対象領域について行うことにより、各原子の比率の分布が示されたEDXマッピングを得ることができる。 In the EDX measurement, each point in the analysis target region of the sample is irradiated with an electron beam, and the characteristic X-ray energy and the number of occurrences of the sample generated thereby are measured to obtain an EDX spectrum corresponding to each point. In this embodiment, the peak of the EDX spectrum at each point is represented by the electron transition from the In atom to the L shell, the electron transition from the Ga atom to the K shell, the electron transition from the Zn atom to the K shell, and the K shell from the O atom. And the ratio of each atom at each point is calculated. By performing this for the analysis target region of the sample, EDX mapping showing the distribution of the ratio of each atom can be obtained.

図70には、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の断面におけるEDXマッピングを示す。図70(A)は、Ga原子のEDXマッピング(全原子に対するGa原子の比率は1.18乃至18.64[atomic%]の範囲とする。)である。図70(B)は、In原子のEDXマッピング(全原子に対するIn原子の比率は9.28乃至33.74[atomic%]の範囲とする。)である。図70(C)は、Zn原子のEDXマッピング(全原子に対するZn原子の比率は6.69乃至24.99[atomic%]の範囲とする。)である。また、図70(A)、図70(B)、および図70(C)は、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の断面において、同範囲の領域を示している。なお、EDXマッピングは、範囲における、測定元素が多いほど明るくなり、測定元素が少ないほど暗くなるように、明暗で元素の割合を示している。また、図70に示すEDXマッピングの倍率は720万倍である。 FIG. 70 shows the substrate temperature R.D. T.A. And EDX mapping in a cross section of a sample fabricated at an oxygen gas flow rate ratio of 10%. FIG. 70A is an EDX mapping of Ga atoms (the ratio of Ga atoms to all atoms is in the range of 1.18 to 18.64 [atomic%]). FIG. 70B is an EDX mapping of In atoms (the ratio of In atoms to all atoms is in the range of 9.28 to 33.74 [atomic%]). FIG. 70C is an EDX mapping of Zn atoms (the ratio of Zn atoms to all atoms is in the range of 6.69 to 24.99 [atomic%]). 70A, 70B, and 70C show the substrate temperature R.D. during film formation. T.A. In a cross section of a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10%, a region in the same range is shown. Note that the EDX mapping shows the ratio of elements in light and dark so that the more measurement elements in the range, the brighter the brightness, and the darker the measurement elements. The magnification of EDX mapping shown in FIG. 70 is 7.2 million times.

図70(A)、図70(B)、および図70(C)に示すEDXマッピングでは、画像に相対的な明暗の分布が見られ、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料において、各原子が分布を持って存在している様子が確認できる。ここで、図70(A)、図70(B)、および図70(C)に示す実線で囲む範囲と破線で囲む範囲に注目する。 In the EDX mapping shown in FIGS. 70A, 70B, and 70C, a relative light / dark distribution is seen in the image, and the substrate temperature R.D. T.A. In the sample prepared at an oxygen gas flow rate ratio of 10%, it can be confirmed that each atom exists in a distributed manner. Here, attention is focused on a range surrounded by a solid line and a range surrounded by a broken line shown in FIGS. 70 (A), 70 (B), and 70 (C).

図70(A)では、実線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に明るい領域を多く含む。また、図70(B)では実線で囲む範囲は、相対的に明るい領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含む。 In FIG. 70A, a range surrounded by a solid line includes many relatively dark regions, and a range surrounded by a broken line includes many relatively bright regions. In FIG. 70B, the range surrounded by the solid line includes many relatively bright areas, and the range surrounded by the broken line includes many relatively dark areas.

つまり、実線で囲む範囲はIn原子が相対的に多い領域であり、破線で囲む範囲はIn原子が相対的に少ない領域である。ここで、図70(C)では、実線で囲む範囲において、右側は相対的に明るい領域であり、左側は相対的に暗い領域である。従って、実線で囲む範囲は、InX2ZnY2Z2、またはInOX1などが主成分である領域である。 That is, the range surrounded by the solid line is a region having a relatively large number of In atoms, and the range surrounded by a broken line is a region having a relatively small number of In atoms. Here, in FIG. 70C, in the range surrounded by the solid line, the right side is a relatively bright region and the left side is a relatively dark region. Therefore, the range surrounded by the solid line is a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 .

また、実線で囲む範囲はGa原子が相対的に少ない領域であり、破線で囲む範囲はGa原子が相対的に多い領域である。図70(C)では、破線で囲む範囲において、左上の領域は、相対的に明るい領域であり、右下側の領域は、相対的に暗い領域である。従って、破線で囲む範囲は、GaOX3、またはGaX4ZnY4Z4などが主成分である領域である。 A range surrounded by a solid line is a region with relatively few Ga atoms, and a range surrounded by a broken line is a region with relatively many Ga atoms. In FIG. 70C, in the range surrounded by the broken line, the upper left region is a relatively bright region, and the lower right region is a relatively dark region. Therefore, the range surrounded by the broken line is a region whose main component is GaO X3 , Ga X4 Zn Y4 O Z4 , or the like.

また、図70(A)、図70(B)、および図70(C)より、In原子の分布は、Ga原子よりも、比較的、均一に分布しており、InOX1が主成分である領域は、InX2ZnY2Z2が主成分となる領域を介して、互いに繋がって形成されているように見える。このように、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、クラウド状に広がって形成されている。 Further, from FIGS. 70A, 70B, and 70C, the distribution of In atoms is relatively more uniform than Ga atoms, and InO X1 is the main component. The regions appear to be connected to each other through a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 . As described above, the region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is formed so as to spread in a cloud shape.

このように、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有するIn−Ga−Zn酸化物を、CAC−IGZOと呼称することができる。 As described above, an In—Ga—Zn oxide having a structure in which a region containing GaO X3 as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are unevenly distributed. Can be referred to as CAC-IGZO.

また、CACにおける結晶構造は、nc構造を有する。CACが有するnc構造は、電子線回折像において、単結晶、多結晶、またはCAAC構造を含むIGZOに起因する輝点(スポット)以外にも、数か所以上の輝点(スポット)を有する。または、数か所以上の輝点(スポット)に加え、リング状に輝度の高い領域が現れるとして結晶構造が定義される。 The crystal structure in CAC has an nc structure. The nc structure possessed by CAC has several bright spots (spots) in addition to bright spots (spots) caused by IGZO including single crystal, polycrystal, or CAAC structure in an electron diffraction image. Alternatively, in addition to several bright spots (spots), a crystal structure is defined as a region having a high brightness in a ring shape.

また、図70(A)、図70(B)、および図70(C)より、GaOX3が主成分である領域、及びInX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域のサイズは、0.5nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下で観察される。なお、好ましくは、EDXマッピングにおいて、各金属元素が主成分である領域の径は、1nm以上2nm以下とする。 Further, FIG. 70 (A), FIG. 70 (B), and FIG. 70 from (C), area GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the size of the area which is the main component, Are observed from 0.5 nm to 10 nm, or from 1 nm to 3 nm. Preferably, in EDX mapping, the diameter of a region in which each metal element is a main component is 1 nm or more and 2 nm or less.

以上より、CAC−IGZOは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC−IGZOは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。従って、CAC−IGZOを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する性質と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。 As described above, CAC-IGZO has a structure different from that of an IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has a property different from that of an IGZO compound. That, CAC-IGZO is a region such as GaO X3 is a region which is a main component, In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is phase-separated from each other region and, in the main component, is mainly composed of the elements Has a mosaic structure. Therefore, when CAC-IGZO is used for a semiconductor element, a high on-current can be obtained because the properties caused by GaO X3 and the like and the properties caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily. (I on ) and high field effect mobility (μ) can be realized.

また、CAC−IGZOを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、CAC−IGZOは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。 A semiconductor element using CAC-IGZO has high reliability. Therefore, CAC-IGZO is most suitable for various semiconductor devices including a display.

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

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a circuit using the transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

<断面構造>
図42(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図42(A)において、X1−X2方向はチャネル長方向、Y1−Y2方向はチャネル幅方向を示す。図42(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。図42(A)では、第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100として、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
<Cross-section structure>
FIG. 42A is a cross-sectional view of the semiconductor device of one embodiment of the present invention. In FIG. 42A, the X1-X2 direction indicates the channel length direction, and the Y1-Y2 direction indicates the channel width direction. The semiconductor device illustrated in FIG. 42A includes a transistor 2200 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 2100 using a second semiconductor material in an upper portion. FIG. 42A illustrates an example in which the transistor illustrated in the above embodiment is applied as the transistor 2100 including the second semiconductor material. Note that the left side of the alternate long and short dash line is a cross section in the channel length direction of the transistor, and the right side is a cross section in the channel width direction.

第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン(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、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、有機半導体など)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することで、S値(サブスレッショルド値)を小さくすることができ、微細なトランジスタとすることが可能である。また、スイッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電流が低いためリーク電流が小さい。 The first semiconductor material and the second semiconductor material are preferably materials having different band gaps. For example, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor (silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, organic semiconductor, etc. And the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor using single crystal silicon or the like as a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can have a small S value (subthreshold value) and can be a minute transistor by using the transistor illustrated in the above embodiment. is there. Further, since the switch speed is high, high speed operation is possible, and since the off current is low, the leakage current is small.

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

図42(A)に示す構成では、トランジスタ2200の上部に、絶縁体2201、絶縁体2207を介してトランジスタ2100が設けられている。また、トランジスタ2200とトランジスタ2100の間には、複数の配線2202が設けられている。また、各種絶縁体に埋め込まれた複数のプラグ2203により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ2100を覆う絶縁体2204と、絶縁体2204上に配線2205と、が設けられている。 In the structure illustrated in FIG. 42A, the transistor 2100 is provided over the transistor 2200 with the insulator 2201 and the insulator 2207 provided therebetween. A plurality of wirings 2202 are provided between the transistors 2200 and 2100. In addition, wirings and electrodes provided in the upper layer and the lower layer are electrically connected by a plurality of plugs 2203 embedded in various insulators. An insulator 2204 that covers the transistor 2100 and a wiring 2205 over the insulator 2204 are provided.

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

ここで、下層に設けられるトランジスタ2200にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ2200の半導体膜の近傍に設けられる絶縁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2200の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ2100に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ2100の半導体膜の近傍に設けられる絶縁体中の水素は、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ため、トランジスタ2100の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ2100を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁体2207を設けることは特に効果的である。絶縁体2207により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ2100の信頼性も同時に向上させることができる。 Here, in the case where a silicon-based semiconductor material is used for the transistor 2200 provided in the lower layer, hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the semiconductor film of the transistor 2200 terminates dangling bonds of silicon, and the reliability of the transistor 2200 is increased. There is an effect to improve. On the other hand, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 2100 provided in the upper layer, hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the semiconductor film of the transistor 2100 is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor. In some cases, the reliability of the transistor 2100 may be reduced. Therefore, in the case where the transistor 2100 including an oxide semiconductor is stacked over the transistor 2200 including a silicon-based semiconductor material, it is particularly preferable to provide the insulator 2207 having a function of preventing hydrogen diffusion therebetween. It is effective. In addition to improving the reliability of the transistor 2200 by confining hydrogen in the lower layer with the insulator 2207, it is possible to simultaneously improve the reliability of the transistor 2100 by suppressing diffusion of hydrogen from the lower layer to the upper layer. it can.

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

また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ2100を覆うように、トランジスタ2100上に水素の拡散を防止する機能を有するブロック膜を形成することが好ましい。当該ブロック膜としては、絶縁体2207と同様の材料を用いることができ、特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い。したがって、トランジスタ2100を覆う当該ブロック膜として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ2100に含まれる酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防止することができる。なお、当該ブロック膜は、絶縁体2204を積層にすることで用いてもよいし、絶縁体2204の下側に設けてもよい。 In addition, a block film having a function of preventing hydrogen diffusion is preferably formed over the transistor 2100 so as to cover the transistor 2100 including the oxide semiconductor film. As the block film, a material similar to that of the insulator 2207 can be used, and aluminum oxide is particularly preferably used. The aluminum oxide film has a high blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture and oxygen. Therefore, by using an aluminum oxide film as the block film covering the transistor 2100, desorption of oxygen from the oxide semiconductor film included in the transistor 2100 is prevented, and mixing of water and hydrogen into the oxide semiconductor film is prevented. Can be prevented. Note that the block film may be used by stacking the insulators 2204 or may be provided below the insulators 2204.

なお、トランジスタ2200は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、FIN(フィン)型、TRI−GATE(トライゲート)型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図42(D)に示す。半導体基板2211の上に、絶縁体2212が設けられている。半導体基板2211は、先端の細い凸部(フィンともいう)を有する。なお、凸部の上には、絶縁体が設けられていてもよい。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板2211の凸部の上には、ゲート絶縁体2214が設けられ、その上には、ゲート電極2213が設けられている。半導体基板2211には、ソース領域およびドレイン領域2215が形成されている。なお、ここでは、半導体基板2211が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。 Note that the transistor 2200 can be a transistor of various types as well as a planar transistor. For example, a transistor of FIN (fin) type, TRI-GATE (trigate) type, or the like can be used. An example of a cross-sectional view in that case is shown in FIG. An insulator 2212 is provided over the semiconductor substrate 2211. The semiconductor substrate 2211 has a convex portion (also referred to as a fin) with a thin tip. Note that an insulator may be provided on the convex portion. In addition, the convex part does not need to have a thin tip, for example, it may be a substantially rectangular parallelepiped convex part or a thick convex part. A gate insulator 2214 is provided on the convex portion of the semiconductor substrate 2211, and a gate electrode 2213 is provided thereon. A source region and a drain region 2215 are formed in the semiconductor substrate 2211. Note that although the example in which the semiconductor substrate 2211 includes a convex portion is described here, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, an SOI substrate may be processed to form a semiconductor region having a convex portion.

<回路構成例>
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極を適宜接続することにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
<Circuit configuration example>
In the above structure, a variety of circuits can be formed by appropriately connecting the electrodes of the transistor 2100 and the transistor 2200. An example of a circuit configuration that can be realized by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below.

<CMOSインバータ回路>
図42(B)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOSインバータの構成を示している。
<CMOS inverter circuit>
The circuit diagram shown in FIG. 42B shows a structure of a so-called CMOS inverter in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and their gates are connected.

<CMOSアナログスイッチ>
また、図42(C)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
<CMOS analog switch>
A circuit diagram illustrated in FIG. 42C illustrates a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected to each other. With such a configuration, it can function as a so-called CMOS analog switch.

<記憶装置の例>
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図43に示す。
<Example of storage device>
FIG. 43 illustrates an example of a semiconductor device (memory device) that can store stored contents even in a state where power is not supplied and has no limit on the number of writing times, using the transistor which is one embodiment of the present invention.

図43(A)に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、先の実施の形態で説明したトランジスタを用いることができる。 A semiconductor device illustrated in FIG. 43A includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, the transistor described in the above embodiment can be used.

図43(B)に図43(A)に示す半導体装置の断面図を示す。当該断面図の半導体装置では、トランジスタ3300にバックゲートを設けた構成を示しているが、バックゲートを設けない構成であってもよい。 FIG. 43B is a cross-sectional view of the semiconductor device illustrated in FIG. In the semiconductor device in the cross-sectional view, the transistor 3300 is provided with a back gate; however, the back gate may not be provided.

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

図43(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極は、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、および容量素子3400の第1の端子と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の第2の端子と電気的に接続されている。 In FIG. 43A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to a gate electrode of the transistor 3300. The gate electrode of the transistor 3200 is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 3300 and the first terminal of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is a second terminal of the capacitor 3400. And are electrically connected.

図43(A)に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 43A, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held.

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

トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲート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 3300 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 3200 is held for a long time.

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

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。例えば情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、すなわち、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、すなわち、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. For example, in a memory cell from which information is not read, a potential that turns off the transistor 3200 regardless of the state of the gate, that is, a potential smaller than V th_H , is applied to the fifth wiring 3005. It is sufficient that only the information is read. Alternatively , in a memory cell from which information is not read, a potential that turns on the transistor 3200 regardless of the state of the gate, that is, a potential that is higher than V th_L is applied to the fifth wiring 3005. A configuration in which only cell information can be read out is sufficient.

図43(C)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を設けていない点で図43(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。 The semiconductor device illustrated in FIG. 43C is different from FIG. 43A in that the transistor 3200 is not provided. In this case, information can be written and held by the same operation as described above.

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

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

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

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

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

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

本実施の形態に示す半導体装置を用いることで、低消費電力であり、また高容量(例えば1テラビット以上)の記憶装置を作製することができる。 By using the semiconductor device described in this embodiment, a memory device with low power consumption and high capacity (eg, 1 terabit or more) can be manufactured.

なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数のケースが考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。 Note that in this specification and the like, a person skilled in the art can connect all terminals of an active element (a transistor, a diode, etc.), a passive element (a capacitor element, a resistance element, etc.) without specifying connection destinations. Thus, it may be possible to constitute an aspect of the invention. That is, it can be said that one aspect of the invention is clear without specifying the connection destination. And, when the content specifying the connection destination is described in this specification etc., it is possible to determine that one aspect of the invention that does not specify the connection destination is described in this specification etc. There is. In particular, when a plurality of cases can be considered as the connection destination of the terminal, it is not necessary to limit the connection destination of the terminal to a specific location. Therefore, it is possible to constitute one embodiment of the present invention by specifying connection destinations of only some terminals of active elements (transistors, diodes, etc.) and passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.). There are cases.

なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であると言える。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。 Note that in this specification and the like, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the connection portion of a circuit is specified. Alternatively, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the function of a circuit is specified. That is, if the function is specified, it can be said that one aspect of the invention is clear. Then, it may be possible to determine that one embodiment of the invention whose function is specified is described in this specification and the like. Therefore, if a connection destination is specified for a certain circuit without specifying a function, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. Alternatively, if a function is specified for a certain circuit without specifying a connection destination, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention.

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

<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44(A)は、本発明の一態様に係る撮像装置200の例を示す平面図である。撮像装置200は、画素部210と、画素部210を駆動するための周辺回路260と、周辺回路270、周辺回路280と、周辺回路290と、を有する。画素部210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211を有する。周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290は、それぞれ複数の画素211に接続し、複数の画素211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260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290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260は周辺回路の一部といえる。 FIG. 44A is a plan view illustrating an example of an imaging device 200 according to one embodiment of the present invention. The imaging device 200 includes a pixel unit 210, a peripheral circuit 260 for driving the pixel unit 210, a peripheral circuit 270, a peripheral circuit 280, and a peripheral circuit 290. The pixel unit 210 includes a plurality of pixels 211 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are integers of 2 or more). The peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, and the peripheral circuit 290 are connected to the plurality of pixels 211 and have a function of supplying signals for driving the plurality of pixels 211, respectively. Note that in this specification and the like, the peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, the peripheral circuit 290, and the like are all referred to as “peripheral circuits” or “driving circuits” in some cases. For example, the peripheral circuit 260 can be said to be part of the peripheral circuit.

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210を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路は、そ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260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290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. Further, the peripheral circuit may be formed on a substrate over which the pixel portion 210 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 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, and the peripheral circuit 290 may be omitted from the peripheral circuit.

また、図44(B)に示すように、撮像装置200が有する画素部210において、画素211を傾けて配置してもよい。画素211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200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. 44B, the pixel 211 may be tilted in the pixel portion 210 included in the imaging device 200. By arranging the pixels 211 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 200 can be further improved.

<画素の構成例1>
撮像装置200が有する1つの画素211を複数の副画素212で構成し、それぞれの副画素212に特定の波長帯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 211 included in the imaging apparatus 200 is configured by a plurality of sub-pixels 212, and a color image display is realized by combining each sub-pixel 212 with a filter (color filter) that transmits light in a specific wavelength band. Information can be acquired.

図45(A)は、カラー画像を取得するための画素211の一例を示す平面図である。図45(A)に示す画素211は、赤(R)の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212R」ともいう)、緑(G)の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212G」ともいう)および青(B)の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212B」ともいう)を有する。副画素212は、フォトセンサとして機能させることができる。 FIG. 45A is a plan view illustrating an example of a pixel 211 for acquiring a color image. 45A includes a sub-pixel 212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 212R”) provided with a color filter that transmits light in the red (R) wavelength band, and a green (G) wavelength. Sub-pixel 212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 212G”) provided with a color filter that transmits light in the band and sub-pixel 212 (hereinafter referred to as “color filter” that transmits light in the blue (B) wavelength band. , Also referred to as “sub-pixel 212B”. The sub-pixel 212 can function as a photosensor.

副画素212(副画素212R、副画素212G、および副画素212B)は、配線231、配線247、配線248、配線249、配線250と電気的に接続される。また、副画素212R、副画素212G、および副画素212Bは、それぞれが独立した配線253に接続している。また、本明細書等において、例えばn行目(nは1以上p以下の整数)の画素211に接続された配線248および配線249を、それぞれ配線248[n]および配線249[n]と記載する。また、例えばm列目(mは1以上q以下の整数)の画素211に接続された配線253を、配線253[m]と記載する。なお、図45(A)において、m列目の画素211が有する副画素212Rに接続する配線253を配線253[m]R、副画素212Gに接続する配線253を配線253[m]G、および副画素212Bに接続する配線253を配線253[m]Bと記載している。副画素212は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。 The subpixel 212 (subpixel 212R, subpixel 212G, and subpixel 212B) is electrically connected to the wiring 231, the wiring 247, the wiring 248, the wiring 249, and the wiring 250. Further, the sub-pixel 212R, the sub-pixel 212G, and the sub-pixel 212B are each connected to an independent wiring 253. In this specification and the like, for example, the wiring 248 and the wiring 249 connected to the pixel 211 in the n-th row (n is an integer of 1 to p) are described as a wiring 248 [n] and a wiring 249 [n], respectively. To do. For example, the wiring 253 connected to the pixel 211 in the m-th column (m is an integer of 1 to q) is referred to as a wiring 253 [m]. 45A, the wiring 253 connected to the subpixel 212R included in the pixel 211 in the m-th column is the wiring 253 [m] R, the wiring 253 connected to the subpixel 212G is the wiring 253 [m] G, and A wiring 253 connected to the subpixel 212B is described as a wiring 253 [m] B. The subpixel 212 is electrically connected to a peripheral circuit through the wiring.

また、撮像装置200は、隣接する画素211の、同じ波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212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45(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211が有する副画素212と、該画素211に隣接するn+1行m列に配置された画素211が有する副画素212の接続例を示す。図45(B)において、n行m列に配置された副画素212Rと、n+1行m列に配置された副画素212Rがスイッチ201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212Gと、n+1行m列に配置された副画素212Gがスイッチ202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212Bと、n+1行m列に配置された副画素212Bがスイッチ203を介して接続されている。 In addition, the imaging apparatus 200 has a configuration in which subpixels 212 provided with color filters that transmit light in the same wavelength band of adjacent pixels 211 are electrically connected via a switch. In FIG. 45B, the sub-pixel 212 included in the pixel 211 arranged in n rows (n is an integer of 1 to p) and m columns (m is an integer of 1 to q) is adjacent to the pixel 211. A connection example of the sub-pixel 212 included in the pixel 211 arranged in n + 1 rows and m columns is shown. In FIG. 45B, a sub-pixel 212R arranged in n rows and m columns and a sub-pixel 212R arranged in n + 1 rows and m columns are connected through a switch 201. Further, the sub-pixel 212G arranged in n rows and m columns and the sub-pixel 212G arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 202. Further, the sub-pixel 212B arranged in n rows and m columns and the sub-pixel 212B arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 203.

なお、副画素212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211に3種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素212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 212 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 212 that detects light of three different wavelength bands in one pixel 211.

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212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212を有する画素211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212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212を有する画素211を用いてもよい。1つの画素211に4種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素212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 212 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 211 having a sub-pixel 212 may be used. Alternatively, in addition to the sub-pixel 212 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 211 having a sub-pixel 212 may be used. By providing the sub-pixel 212 that detects light of four different wavelength bands in one pixel 211, the color reproducibility of the acquired image can be further enhanced.

また、例えば、図45(A)において、赤の波長帯域の光を検出する副画素212、緑の波長帯域の光を検出する副画素212、および青の波長帯域の光を検出する副画素212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。 Also, for example, in FIG. 45A, the sub-pixel 212 that detects light in the red wavelength band, the sub-pixel 212 that detects light in the green wavelength band, and the sub-pixel 212 that detects light in the blue wavelength band. The pixel number ratio (or the 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211に設ける副画素212は1つでもよいが、2つ以上が好ましい。例えば、同じ波長帯域の光を検出する副画素212を2つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置200の信頼性を高めることができる。 Note that the number of subpixels 212 provided in the pixel 211 may be one, but two or more are preferable. For example, by providing two or more subpixels 212 that detect light in the same wavelength band, redundancy can be increased and the reliability of the imaging apparatus 200 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200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, the imaging device 200 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211にレンズを設けてもよい。ここで、図46の断面図を用いて、画素211、フィルタ254、レンズ255の配置例を説明する。レンズ255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46(A)に示すように、画素211に形成したレンズ255、フィルタ254(フィルタ254R、フィルタ254Gおよびフィルタ254B)、および画素回路230等を通して光256を光電変換素子220に入射させる構造とすることができる。 In addition to the filters described above, a lens may be provided in the pixel 211. Here, an arrangement example of the pixel 211, the filter 254, and the lens 255 will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. By providing the lens 255, the photoelectric conversion element can receive incident light efficiently. Specifically, as illustrated in FIG. 46A, the light 256 is transmitted to the photoelectric conversion element 220 through the lens 255, the filter 254 (filter 254R, the filter 254G, and the filter 254B) formed in the pixel 211, the pixel circuit 230, 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256の一部が配線257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46(B)に示すように光電変換素子220側にレンズ255およびフィルタ254を配置して、光電変換素子220が光256を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子220側から光256を光電変換素子220に入射させることで、検出感度の高い撮像装置200を提供することができる。 However, as illustrated in the region surrounded by the alternate long and short dash line, part of the light 256 indicated by the arrow may be blocked by part of the wiring 257. Therefore, a structure in which a lens 255 and a filter 254 are disposed on the photoelectric conversion element 220 side as illustrated in FIG. 46B so that the photoelectric conversion element 220 efficiently receives the light 256 is preferable. By making the light 256 incident on the photoelectric conversion element 220 from the photoelectric conversion element 220 side, the imaging device 200 with high detection sensitivity can be provided.

図46に示す光電変換素子220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 220 illustrated in FIG. 46, 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220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 220 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220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帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子220を実現できる。 For example, when selenium is used for the photoelectric conversion element 220, the photoelectric conversion element 220 having a light absorption coefficient over a wide wavelength band 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200が有する1つの画素211は、図45に示す副画素212に加えて、第1のフィルタを有する副画素212を有してもよい。 Here, one pixel 211 included in the imaging apparatus 200 may include a sub-pixel 212 including a first filter in addition to the sub-pixel 212 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。
<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.

図47(A)、図47(B)は、撮像装置を構成する素子の断面図である。 47A and 47B are cross-sectional views of elements included in the imaging device.

図47(A)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353、およびシリコン基板300に設けられた、アノード361と、カソード362を有するフォトダイオード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、配線372、配線373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。 An imaging device illustrated in FIG. 47A is provided over a transistor 351 using silicon provided over a silicon substrate 300, a transistor 353 using an oxide semiconductor stacked over the transistor 351, and the silicon substrate 300. And a photodiode 360 having an anode 361 and a cathode 362. Each transistor and photodiode 360 has electrical connection with various plugs 370, wirings 371, wirings 372, and wirings 373. 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. And a layer 340 which is provided in contact with the layer 330 and includes a wiring 372 and a wiring 373.

なお、図47(A)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 in FIG. 47A, the silicon substrate 300 has a light-receiving surface of the photodiode 360 on a surface opposite to a surface where 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 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.

また、図47(A)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。 In the cross-sectional view of FIG. 47A, the photodiode 360 provided in the layer 310 and the transistor provided in the layer 330 can be formed 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、図47(B)は、撮像装置は層340側にフォトダイオード365をトランジスタの上に配置した構造とすることができる。図47(B)において、例えば層310には、シリコンを用いたトランジスタ351を有し、層320には配線371を有し、層330には酸化物半導体を用いたトランジスタ353、絶縁層380を有し、層340にはフォトダイオード365を有しており、配線373と、プラグ370を介した配線374と電気的に接続している。 In FIG. 47B, the imaging device can have a structure in which a photodiode 365 is provided over a transistor on the layer 340 side. 47B, for example, the layer 310 includes a transistor 351 using silicon, the layer 320 includes a wiring 371, the layer 330 includes a transistor 353 using an oxide semiconductor, and an insulating layer 380. The layer 340 includes a photodiode 365, and is electrically connected to the wiring 373 and the wiring 374 through the plug 370.

図47(B)に示す素子構成とすることで、開口率を向上させることができる。 With the element structure illustrated in FIG. 47B, the aperture ratio can be improved.

また、フォトダイオード365には、非晶質シリコン膜や微結晶シリコン膜などを用いたpin型ダイオード素子などを用いてもよい。フォトダイオード365は、n型の半導体368、i型の半導体367、およびp型の半導体366が順に積層された構成を有している。i型の半導体367には非晶質シリコンを用いることが好ましい。また、p型の半導体366およびn型の半導体368には、それぞれの導電型を付与するドーパントを含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンなどを用いることができる。非晶質シリコンを光電変換層とするフォトダイオード365は可視光の波長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。 As the photodiode 365, a pin-type diode element using an amorphous silicon film, a microcrystalline silicon film, or the like may be used. The photodiode 365 has a structure in which an n-type semiconductor 368, an i-type semiconductor 367, and a p-type semiconductor 366 are sequentially stacked. Amorphous silicon is preferably used for the i-type semiconductor 367. For the p-type semiconductor 366 and the n-type semiconductor 368, amorphous silicon, microcrystalline silicon, or the like containing a dopant imparting each conductivity type can be used. The photodiode 365 using amorphous silicon as a photoelectric conversion layer has high sensitivity in the wavelength region of visible light and can easily detect weak visible light.

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体層を有したトランジスタ(OSトランジスタ)を適用可能な回路構成の一例について、図48乃至51を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a circuit configuration to which the transistor including an oxide semiconductor layer (OS transistor) described in the above embodiment can be applied will be described with reference to FIGS.

図48(A)には、メモリ、FPGA、CPUなど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2800は、入力端子INに与える信号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2800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切り替えることができる信号である。 FIG. 48A is a circuit diagram of an inverter that can be applied to a memory, an FPGA, a CPU, or the like. The inverter 2800 outputs a signal obtained by inverting the logic of the signal supplied to the input terminal IN to the output terminal OUT. The inverter 2800 includes a plurality of OS transistors. The signal SBG is a signal that can switch the electrical characteristics of the OS transistor.

図48(B)は、インバータ2800の一例となる回路図である。インバータ2800は、OSトランジスタ2810、およびOSトランジスタ2820を有する。インバータ2800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。単極性の回路構成でインバータを作製できるため、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)回路でインバータ(CMOSインバータ)を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。 FIG. 48B is a circuit diagram illustrating an example of the inverter 2800. The inverter 2800 includes an OS transistor 2810 and an OS transistor 2820. The inverter 2800 can be manufactured in an n-channel type and can have a so-called unipolar circuit configuration. Since an inverter can be manufactured with a unipolar circuit configuration, it can be manufactured at a lower cost than a case where an inverter (CMOS inverter) is manufactured using a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) circuit.

なおOSトランジスタを有するインバータ2800は、Siトランジスタで構成されるCMOS回路上に配置することもできる。インバータ2800は、CMOSの回路構成に重ねて配置できるため、インバータ2800を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。 Note that the inverter 2800 including an OS transistor can be provided over a CMOS circuit including Si transistors. Since the inverter 2800 can be arranged so as to overlap with the CMOS circuit configuration, an increase in circuit area corresponding to the addition of the inverter 2800 can be suppressed.

OSトランジスタ2810、OSトランジスタ2820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 transistor 2810 and the OS transistor 2820 each 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. It has 2 terminals.

OSトランジスタ2810の第1ゲートは、第2端子に接続される。OSトランジスタ2810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2810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2810の第2端子は、出力端子OUTに接続される。 A first gate of the OS transistor 2810 is connected to the second terminal. A second gate of the OS transistor 2810 is connected to a wiring that transmits the signal SBG . A first terminal of the OS transistor 2810 is connected to a wiring that supplies the voltage VDD. A second terminal of the OS transistor 2810 is connected to the output terminal OUT.

OSトランジスタ2820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2820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2820の第1端子は、出力端子OUTに接続される。OSトランジスタ2820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 2820 is connected to the input terminal IN. A second gate of the OS transistor 2820 is connected to the input terminal IN. A first terminal of the OS transistor 2820 is connected to the output terminal OUT. A second terminal of the OS transistor 2820 is connected to a wiring that supplies the voltage VSS.

図48(C)は、インバータ2800の動作を説明するためのタイミングチャートである。図48(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2810の閾値電圧の変化について示している。 FIG. 48C is a timing chart for explaining the operation of the inverter 2800. In the timing chart of FIG. 48 (C), the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, and indicates a change in the signal waveform, and the threshold voltage of the OS transistor 2810 of the signal S BG.

信号SBGはOSトランジスタ2810の第2ゲートに与えることで、OSトランジスタ2810の閾値電圧を制御することができる。 The signal SBG is supplied to the second gate of the OS transistor 2810, whereby the threshold voltage of the OS transistor 2810 can be controlled.

信号SBGは、閾値電圧をマイナスシフトさせるための電圧VBG_A、閾値電圧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2810は閾値電圧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2810は閾値電圧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 of the threshold voltage, the threshold voltage is positive shift. By applying the voltage V BG_A to the second gate, the OS transistor 2810 can be negatively shifted to the threshold voltage V TH_A . Further, by applying the voltage V BG_B to the second gate, the OS transistor 2810 can be positively shifted to the threshold voltage V TH_B .

前述の説明を可視化するために、図49(A)には、トランジスタの電気特性の一つである、Vg−Idカーブのグラフを示す。 In order to visualize the above description, FIG. 49A shows a graph of a Vg-Id curve which is one of the electrical characteristics of the transistor.

上述したOSトランジスタ2810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_Aのように大きくすることで、図49(A)中の破線2840で表される曲線にシフトさせることができる。また、上述したOSトランジスタ2810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_Bのように小さくすることで、図49(A)中の実線2841で表される曲線にシフトさせることができる。図49(A)に示すように、OSトランジスタ2810は、信号SBGを電圧VBG_Aあるいは電圧VBG_Bというように切り替えることで、閾値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。 The above-described electrical characteristics of the OS transistor 2810 can be shifted to a curve represented by a broken line 2840 in FIG. 49A by increasing the voltage of the second gate like the voltage V BG_A . Further, the above-described electrical characteristics of the OS transistor 2810 can be shifted to a curve represented by a solid line 2841 in FIG. 49A by reducing the voltage of the second gate as the voltage V BG_B . As shown in FIG. 49 (A), OS transistor 2810, by switching the signal S BG and so the voltage V BG_A or voltage V BG_B, can be shifted in the positive or negative shift of the threshold voltage.

閾値電圧を閾値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることで、OSトランジスタ2810は電流が流れにくい状態とすることができる。図49(B)には、この状態を可視化して示す。図49(B)に図示するように、OSトランジスタ2810に流れる電流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2820はオン状態(ON)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。 By positively shifting the threshold voltage to the threshold voltage VTH_B , the OS transistor 2810 can be in a state in which current does not easily flow. FIG. 49B visualizes this state. As shown in FIG. 49 (B), it can be extremely small current I B flowing through the OS transistor 2810. Therefore, when the signal supplied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 2820 is in an on state (ON), the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased.

図49(B)に図示したように、OSトランジスタ2810に流れる電流が流れにくい状態とすることができるため、図48(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2831を急峻な変化にすることができる。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。 As shown in FIG. 49B, since the current flowing through the OS transistor 2810 can hardly flow, the signal waveform 2831 at the output terminal in the timing chart shown in FIG. be able to. Since the through current flowing between the wiring for applying the voltage VDD and the wiring for supplying the voltage VSS can be reduced, an operation with low power consumption can be performed.

また、閾値電圧を閾値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることで、OSトランジスタ2810は電流が流れやすい状態とすることができる。図49(C)には、この状態を可視化して示す。図49(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2820はオフ状態(OFF)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。 Further, the OS transistor 2810 can be in a state in which a current easily flows by negatively shifting the threshold voltage to the threshold voltage VTH_A . FIG. 49C visualizes this state. As shown in FIG. 49 (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 supplied to the input terminal IN is low and the OS transistor 2820 is off (OFF), the voltage of the output terminal OUT can be increased rapidly.

図49(C)に図示したように、OSトランジスタ2810に流れる電流が流れやすい状態とすることができるため、図48(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2832を急峻な変化にすることができる。 As illustrated in FIG. 49C, the current flowing through the OS transistor 2810 can easily flow, and thus the signal waveform 2832 at the output terminal in the timing chart illustrated in FIG. be able to.

なお、信号SBGによるOSトランジスタ2810の閾値電圧の制御は、OSトランジスタ2820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48(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、閾値電圧VTH_Aから閾値電圧VTH_BにOSトランジスタ2810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図48(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、閾値電圧VTH_Bから閾値電圧VTH_AにOSトランジスタ2810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。 The control of the threshold voltage of the OS transistor 2810 by signal S BG previously the state of the OS transistor 2820 switches, i.e. it is preferably performed before time T1 and T2. For example, as illustrated in FIG. 48C , the threshold voltage of the OS transistor 2810 is switched 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. Is preferred. As shown in FIG. 48C , the threshold voltage of the OS transistor 2810 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. Is preferred.

なお、図48(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、閾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2810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50(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. 48C , 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 2810 in a floating state. An example of a circuit configuration that can realize this configuration is illustrated in FIG.

図50(A)では、図48(B)で示した回路構成に加えて、OSトランジスタ2850を有する。OSトランジスタ2850の第1端子は、OSトランジスタ2810の第2ゲートに接続される。またOSトランジスタ2850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2850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2850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。 50A includes an OS transistor 2850 in addition to the circuit configuration illustrated in FIG. The first terminal of the OS transistor 2850 is connected to the second gate of the OS transistor 2810. The second terminal of the OS transistor 2850 is connected to a wiring for applying the voltage V BG_B (or voltage V BG_A ). The first gate of the OS transistor 2850 is connected to a wiring for providing signal S F. A second gate of the OS transistor 2850 is connected to a wiring that supplies the voltage V BG_B (or voltage V BG_A ).

図50(A)の回路構成の動作について、図50(B)のタイミングチャートを用いて説明する。 The operation of the circuit configuration in FIG. 50A will be described with reference to a timing chart in FIG.

OSトランジスタ2810の閾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2810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2850をオン状態とし、ノードNBGに閾値電圧を制御するための電圧VBG_Bを与える。 The voltage for controlling the threshold voltage of the OS transistor 2810 is applied to the second gate of the OS transistor 2810 before time T3 when the signal applied to the input terminal IN switches to a high level. The OS transistor 2850 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2850をオフ状態とする。OSトランジスタ2850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NBGに保持させた電圧VBG_Bを保持することができる。そのため、OSトランジスタ2850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 the voltage V BG_B , the OS transistor 2850 is turned off. Since the off-state current of the OS transistor 2850 is extremely small, the voltage V BG_B once held at the node N BG 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 2850 is reduced, so that power consumption required for rewriting the voltage V BG_B can be reduced.

なお、図48(B)および図50(A)の回路構成では、OSトランジスタ2810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。たとえば閾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2810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51(A)に示す。 Note that in the circuit structures in FIGS. 48B and 50A, the voltage supplied to the second gate of the OS transistor 2810 is given by control from the outside, but another structure 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 2810. FIG. 51A illustrates an example of a circuit configuration that can realize this configuration.

図51(A)では、図48(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2810の第2ゲートとの間にCMOSインバータ2860を有する。CMOSインバータ2860の入力端子は、入力端子INに接続される。CMOSインバータ2860の出力端子は、OSトランジスタ2810の第2ゲートに接続される。 In FIG. 51A, a CMOS inverter 2860 is provided between the input terminal IN and the second gate of the OS transistor 2810 in the circuit configuration shown in FIG. The input terminal of the CMOS inverter 2860 is connected to the input terminal IN. The output terminal of the CMOS inverter 2860 is connected to the second gate of the OS transistor 2810.

図51(A)の回路構成の動作について、図51(B)のタイミングチャートを用いて説明する。図51(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2860の出力波形IN_B、およびOSトランジスタ2810の閾値電圧の変化について示している。 The operation of the circuit configuration in FIG. 51A will be described with reference to a timing chart in FIG. The timing chart in FIG. 51B 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 2860, and the threshold voltage of the OS transistor 2810.

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、OSトランジスタ2810の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図49(A)乃至(C)で説明したように、OSトランジスタ2810の閾値電圧を制御できる。例えば、図51(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2820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2810は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧の下降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 be a signal for controlling the threshold voltage of the OS transistor 2810. Therefore, as described in FIGS. 49A to 49C, the threshold voltage of the OS transistor 2810 can be controlled. For example, at time T4 in FIG. 51B, a signal supplied to the input terminal IN is high and the OS transistor 2820 is turned on. At this time, the output waveform IN_B is at a low level. Therefore, the OS transistor 2810 can be in a state in which current does not easily flow, and the voltage at the output terminal OUT can be sharply decreased.

また、図51(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2820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2810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. 51B, the signal supplied to the input terminal IN is low and the OS transistor 2820 is turned off. At this time, the output waveform IN_B is at a high level. Therefore, the OS transistor 2810 can be in a state in which current easily flows, and the voltage of the output terminal OUT can be increased sharply.

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トランジスタの閾値電圧を制御することができる。OSトランジスタの閾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 voltage change 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.

(実施の形態5)
<RFタグ>
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むRFタグについて、図52を用いて説明する。
(Embodiment 5)
<RF tag>
In this embodiment, an RF tag including the transistor or the memory device described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

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

RFタグの構成について図52を用いて説明する。図52は、RFタグの構成例を示すブロック図である。 The configuration of the RF tag will be described with reference to FIG. FIG. 52 is a block diagram illustrating a configuration example of an RF tag.

図52に示すようにRFタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどともいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。 As shown in FIG. 52, the RF tag 800 includes an antenna 804 that receives a radio signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also referred to as an interrogator or a reader / writer). The RF tag 800 includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a storage circuit 810, and a ROM 811. Note that a material that can sufficiently suppress a reverse current, such as an oxide semiconductor, may be used for the transistor including the rectifying action included in the demodulation circuit 807. Thereby, the fall of the rectification action resulting from a reverse current can be suppressed, and it can prevent that the output of a demodulation circuit is saturated. That is, the output of the demodulation circuit with respect to the input of the demodulation circuit can be made closer to linear. Note that there are three major data transmission formats: an electromagnetic coupling method in which a pair of coils are arranged facing each other to perform communication by mutual induction, an electromagnetic induction method in which communication is performed by an induction electromagnetic field, and a radio wave method in which communication is performed using radio waves. Separated. The RF tag 800 described in this embodiment can be used for any of the methods.

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

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

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

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

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

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

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

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

(実施の形態6)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a CPU including the storage device described in the above embodiment will be described.

図53は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。 FIG. 53 is a block diagram illustrating a configuration example of a CPU in which the transistor described in the above embodiment is used at least in part.

<CPUの回路図>
図53に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図53に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図53に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。
<Circuit diagram of CPU>
53 includes an ALU 1191 (ALU: arithmetic logic unit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, and a bus interface 1198. A rewritable ROM 1199 and a ROM interface 1189. As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU in FIG. 53 is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application. For example, a configuration including a CPU or an arithmetic circuit illustrated in FIG. 53 may be used as one core, and a plurality of the cores may be included, and each core may operate in parallel. Further, the number of bits that the CPU can handle with the internal arithmetic circuit or the data bus can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, or the like.

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

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

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

図53に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、実施の形態1に示したトランジスタを用いることができる。 In the CPU illustrated in FIG. 53, a memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in Embodiment 1 can be used.

図53に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。 In the CPU shown in FIG. 53, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, whether to hold data by a flip-flop or to hold data by a capacitor in a memory cell included in the register 1196 is selected. When data retention by the flip-flop is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When holding of data in the capacitor is selected, data is rewritten to the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.

<記憶回路>
図54は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
<Memory circuit>
FIG. 54 is an example of a circuit diagram of a memory element that can be used as the register 1196. The memory element 1200 includes a circuit 1201 in which stored data is volatilized by power-off, a circuit 1202 in which stored data is not volatilized by power-off, a switch 1203, a switch 1204, a logic element 1206, a capacitor 1207, and a selection function. Circuit 1220 having. The circuit 1202 includes a capacitor 1208, a transistor 1209, and a transistor 1210. Note that the memory element 1200 may further include other elements such as a diode, a resistance element, and an inductor, as necessary.

ここで、回路1202には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209の第1ゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。 Here, the memory device described in the above embodiment can be used for the circuit 1202. When supply of power supply voltage to the memory element 1200 is stopped, the gate of the transistor 1209 in the circuit 1202 is continuously input with the ground potential (0 V) or the potential at which the transistor 1209 is turned off. For example, the first gate of the transistor 1209 is grounded through a load such as a resistor.

スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。 The switch 1203 is configured using a transistor 1213 of one conductivity type (eg, n-channel type), and the switch 1204 is configured using a transistor 1214 of conductivity type (eg, p-channel type) opposite to the one conductivity type. An example is shown. Here, the first terminal of the switch 1203 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1213, the second terminal of the switch 1203 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1213, and the switch 1203 corresponds to the gate of the transistor 1213. In accordance with the control signal RD input to the second terminal, conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1213) is selected. The first terminal of the switch 1204 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1214, the second terminal of the switch 1204 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1214, and the switch 1204 is input to the gate of the transistor 1214. The control signal RD selects the conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1214).

トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の第1の端子、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の第1の端子と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の第2の端子は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の第2の端子は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の第2の端子は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の第2の端子は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。 One of a source and a drain of the transistor 1209 is electrically connected to the first terminal of the capacitor 1208 and the gate of the transistor 1210. Here, the connection part is referred to as a node M2. One of a source and a drain of the transistor 1210 is electrically connected to a wiring that can supply a low power supply potential (eg, a GND line), and the other is connected to the first terminal of the switch 1203 (the source and the drain of the transistor 1213 On the other hand). A second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is electrically connected to a first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214). A second terminal of the switch 1204 (the other of the source and the drain of the transistor 1214) is electrically connected to a wiring that can supply the power supply potential VDD. A second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213), a first terminal of the switch 1204 (one of a source and a drain of the transistor 1214), an input terminal of the logic element 1206, and the capacitor 1207 The first terminal is electrically connected. Here, the connection part is referred to as a node M1. The second terminal of the capacitor 1207 can have a structure in which a constant potential is input. For example, a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) can be input. The second terminal of the capacitor 1207 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) that can supply a low power supply potential. The second terminal of the capacitor 1208 can be input with a constant potential. For example, a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) can be input. A second terminal of the capacitor 1208 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) that can supply a low power supply potential.

なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。 Note that the capacitor 1207 and the capacitor 1208 can be omitted by positively using a parasitic capacitance of a transistor or a wiring.

トランジスタ1209の第1ゲート(第1のゲート電極)には、制御信号WEが入力される。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態となる。 A control signal WE is input to a first gate (first gate electrode) of the transistor 1209. The switch 1203 and the switch 1204 are selected to be in a conductive state or a non-conductive state between the first terminal and the second terminal by a control signal RD different from the control signal WE. When the terminals of the other switch are in a conductive state, the first terminal and the second terminal of the other switch are in a non-conductive state.

なお、図54におけるトランジスタ1209では第2ゲート(第2のゲート電極:バックゲート)を有する構成を図示している。第1ゲートには制御信号WEを入力し、第2ゲートには制御信号WE2を入力することができる。制御信号WE2は、一定の電位の信号とすればよい。当該一定の電位には、例えば、接地電位GNDやトランジスタ1209のソース電位よりも小さい電位などが選ばれる。このとき、制御信号WE2は、トランジスタ1209のしきい値電圧を制御するための電位信号であり、ゲート電圧VGが0V時の電流をより低減することができる。また、制御信号WE2は、制御信号WEと同じ電位信号であってもよい。なお、トランジスタ1209としては、第2ゲートを有さないトランジスタを用いることもできる。 Note that the transistor 1209 in FIG. 54 has a structure including a second gate (second gate electrode: back gate). A control signal WE can be input to the first gate, and a control signal WE2 can be input to the second gate. The control signal WE2 may be a signal having a constant potential. As the certain potential, for example, a ground potential GND or a potential smaller than the source potential of the transistor 1209 is selected. At this time, the control signal WE2 is a potential signal for controlling the threshold voltage of the transistor 1209, and the current when the gate voltage VG is 0V can be further reduced. The control signal WE2 may be the same potential signal as the control signal WE. Note that as the transistor 1209, a transistor having no second gate can be used.

トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図54では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。 A signal corresponding to data held in the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. FIG. 54 illustrates an example in which the signal output from the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. A signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is an inverted signal obtained by inverting the logic value by the logic element 1206 and is input to the circuit 1201 through the circuit 1220. .

なお、図54では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。 Note that FIG. 54 illustrates an example in which a signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is input to the circuit 1201 through the logic element 1206 and the circuit 1220. It is not limited to. A signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) may be input to the circuit 1201 without inversion of the logical value. For example, when there is a node in the circuit 1201 that holds a signal in which the logical value of the signal input from the input terminal is inverted, the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) An output signal can be input to the node.

また、図54において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。 In FIG. 54, among the transistors used for the memory element 1200, a transistor other than the transistor 1209 can be a transistor in which a channel is formed in a layer formed of a semiconductor other than an oxide semiconductor or the substrate 1190. For example, a transistor in which a channel is formed in a silicon layer or a silicon substrate can be used. Further, all the transistors used for the memory element 1200 can be transistors whose channels are formed using an oxide semiconductor. Alternatively, the memory element 1200 may include a transistor whose channel is formed using an oxide semiconductor in addition to the transistor 1209, and the remaining transistors are formed using a semiconductor layer other than the oxide semiconductor or the substrate 1190. It can also be a transistor.

図54における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。 For the circuit 1201 in FIG. 54, for example, a flip-flop circuit can be used. As the logic element 1206, for example, an inverter, a clocked inverter, or the like can be used.

本発明の一態様における半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。 In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, data stored in the circuit 1201 can be held by the capacitor 1208 provided in the circuit 1202 while the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200.

また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能である。 In addition, a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor has extremely low off-state current. For example, the off-state current of a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor is significantly lower than the off-state current of a transistor in which a channel is formed in crystalline silicon. Therefore, by using the transistor as the transistor 1209, the signal held in the capacitor 1208 is maintained for a long time even when the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200. In this manner, the memory element 1200 can hold stored data (data) even while the supply of power supply voltage is stopped.

また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。 Further, by providing the switch 1203 and the switch 1204, the memory element is characterized by performing a precharge operation; therefore, after the supply of power supply voltage is resumed, the time until the circuit 1201 retains the original data again is shortened. be able to.

また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。 In the circuit 1202, the signal held by the capacitor 1208 is input to the gate of the transistor 1210. Therefore, after the supply of the power supply voltage to the memory element 1200 is restarted, the signal held by the capacitor 1208 can be converted into the state of the transistor 1210 (on state or off state) and read from the circuit 1202. it can. Therefore, the original signal can be accurately read even if the potential corresponding to the signal held in the capacitor 1208 slightly fluctuates.

このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。 By using such a storage element 1200 for a storage device such as a register or a cache memory included in the processor, loss of data in the storage device due to stop of 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. Accordingly, power can be stopped in a short time in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits constituting the processor, so that power consumption can be suppressed.

本実施の形態では、記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF(Radio Frequency)タグにも応用可能である。 In this embodiment, the memory element 1200 is described as an example of using the CPU. However, the memory element 1200 is an LSI such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, or a PLD (Programmable Logic Device), or an RF (Radio Frequency) tag. It can also be applied to.

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

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した表示装置の構成例について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of a structure of a display device using the transistor of one embodiment of the present invention will be described.

<表示装置回路構成例>
図55(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図55(B)は、本発明の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図55(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
<Display device circuit configuration example>
FIG. 55A is a top view of a display device of one embodiment of the present invention, and FIG. 55B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention. It is a circuit diagram for demonstrating a pixel circuit. FIG. 55C is a circuit diagram illustrating a pixel circuit that can be used when an organic EL element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention.

画素部に配置するトランジスタは、実施の形態1に従って形成することができる。また、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。 The transistor provided in the pixel portion can be formed according to Embodiment 1. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, a part of the driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. In this manner, a highly reliable display device can be provided by using the transistor described in the above embodiment for the pixel portion and the driver circuit.

アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図55(A)に示す。表示装置の基板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、および第2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。 An example of a top view of the active matrix display device is shown in FIG. A pixel portion 701, a first scan line driver circuit 702, a second scan line driver circuit 703, and a signal line driver circuit 704 are provided over a substrate 700 of the display device. In the pixel portion 701, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 704, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 702 and the second scan line driver circuit 703. Has been placed. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 700 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection unit such as an FPC (Flexible Printed Circuit).

図55(A)では、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板700の外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。なお、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704のいずれかが基板700上に実装された構成や基板700の外部に設けられた構成としてもよい。 In FIG. 55A, the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 are formed over the same substrate 700 as the pixel portion 701. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when the drive circuit is provided outside the substrate 700, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings is increased. In the case where a driver circuit is provided over the same substrate 700, the number of connections between the wirings can be reduced, so that reliability or yield can be improved. Note that any of the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 may be mounted on the substrate 700 or provided outside the substrate 700. .

<液晶表示装置>
また、画素の回路構成の一例を図55(B)に示す。ここでは、一例としてVA型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
<Liquid crystal display device>
An example of a circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel circuit that can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display device is shown as an example.

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

トランジスタ716の走査線712と、トランジスタ717の走査線713には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、信号線714は、トランジスタ716とトランジスタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は実施の形態1で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。 The scan line 712 of the transistor 716 and the scan line 713 of the transistor 717 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the signal line 714 is used in common by the transistor 716 and the transistor 717. As the transistor 716 and the transistor 717, the transistor described in Embodiment 1 can be used as appropriate. Thereby, a highly reliable liquid crystal display device can be provided.

また、トランジスタ716には、第1の画素電極層が電気的に接続され、トランジスタ717には、第2の画素電極層が電気的に接続される。第1の画素電極層と第2の画素電極層とは、それぞれ分離されている。なお、第1の画素電極層及び第2の画素電極層の形状としては、特に限定は無い。例えば、第1の画素電極層は、V字状とすればよい。 In addition, a first pixel electrode layer is electrically connected to the transistor 716, and a second pixel electrode layer is electrically connected to the transistor 717. The first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are separated from each other. Note that there is no particular limitation on the shape of the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer. For example, the first pixel electrode layer may be V-shaped.

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

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

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

なお、図55(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図55(B)に示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回路などを追加してもよい。 Note that the pixel circuit illustrated in FIG. 55B is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel circuit illustrated in FIG.

図56(A)、および図56(B)は、液晶表示装置の上面図および断面図の一例である。なお、図56(A)では表示装置20、表示領域21、周辺回路22、およびFPC(フレキシブルプリント基板)42を有する代表的な構成を図示している。図56で示す表示装置は反射型液晶を用いている。 FIG. 56A and FIG. 56B are examples of a top view and a cross-sectional view of a liquid crystal display device. Note that FIG. 56A illustrates a typical structure including the display device 20, the display region 21, the peripheral circuit 22, and an FPC (flexible printed circuit board). The display device shown in FIG. 56 uses reflective liquid crystal.

図56(B)に図56(A)の破線A−A’間、B−B’間、C−C’間、およびD−D’間の断面図を示す。A−A’間は周辺回路部を示し、B−B’間は表示領域を示し、C−C’間はFPCとの接続部を示す。 56B is a cross-sectional view taken along broken lines A-A ′, B-B ′, C-C ′, and D-D ′ in FIG. 56A. A-A 'indicates a peripheral circuit portion, B-B' indicates a display area, and C-C 'indicates a connection portion with the FPC.

液晶素子を用いた表示装置20は、トランジスタ50およびトランジスタ52(実施の形態1で示したトランジスタ10)の他、導電層165、導電層197、絶縁層420、液晶層490、液晶素子80、容量素子60、容量素子62、絶縁層430、スペーサ440、着色層460、接着層470、導電層480、遮光層418、基板400、接着層473、接着層474、接着層475、接着層476、偏光板103、偏光板403、保護基板105、保護基板402、異方性導電層510を有する。 In addition to the transistor 50 and the transistor 52 (the transistor 10 described in Embodiment 1), the display device 20 including a liquid crystal element includes a conductive layer 165, a conductive layer 197, an insulating layer 420, a liquid crystal layer 490, a liquid crystal element 80, a capacitor Element 60, capacitive element 62, insulating layer 430, spacer 440, colored layer 460, adhesive layer 470, conductive layer 480, light shielding layer 418, substrate 400, adhesive layer 473, adhesive layer 474, adhesive layer 475, adhesive layer 476, polarization A plate 103, a polarizing plate 403, a protective substrate 105, a protective substrate 402, and an anisotropic conductive layer 510 are included.

<有機EL表示装置>
画素の回路構成の他の一例を図55(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
<Organic EL display device>
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display device using an organic EL element is shown.

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

図55(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のトランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。 FIG. 55C illustrates an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used for one pixel is shown. In addition, digital time grayscale driving can be applied to the pixel circuit.

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

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

スイッチング用トランジスタ721および駆動用トランジスタ722には実施の形態1乃至3で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL表示装置を提供することができる。 The transistors described in Embodiments 1 to 3 can be used as appropriate as the switching transistor 721 and the driving transistor 722. Thereby, an organic EL display device with high reliability can be provided.

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

なお、容量素子723は駆動用トランジスタ722のゲート容量を代用することにより省略できる。 Note that the capacitor 723 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 722.

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

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

なお、画素回路の構成は、図55(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図55(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは論理回路などを追加してもよい。 Note that the structure of the pixel circuit is not limited to the pixel structure illustrated in FIG. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit illustrated in FIG.

図55(C)で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位を印加するなど、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。 In the case where the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 55C, the source electrode (first electrode) is provided on the low potential side and the drain electrode (second electrode) is provided on the high potential side. It is configured to be electrically connected. Furthermore, the potential illustrated above can be input, for example, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown) is applied to the second gate electrode. What is necessary is just to make it a structure.

図57(A)、および図57(B)は発光素子を用いた表示装置の上面図および断面図の一例である。なお、図57(A)では表示装置24、表示領域21、周辺回路22、およびFPC(フレキシブルプリント基板)42を有する代表的な構成を図示している。 57A and 57B are examples of a top view and a cross-sectional view of a display device using a light-emitting element. Note that FIG. 57A illustrates a typical structure including the display device 24, the display region 21, the peripheral circuit 22, and an FPC (flexible printed circuit board).

図57(B)に図57(A)の破線A−A’間、B−B’間、C−C’間の断面図を示す。A−A’間は周辺回路部を示し、B−B’間は表示領域を示し、C−C’間はFPCとの接続部を示す。 FIG. 57B is a cross-sectional view taken along broken lines A-A ′, B-B ′, and C-C ′ in FIG. A-A 'indicates a peripheral circuit portion, B-B' indicates a display area, and C-C 'indicates a connection portion with the FPC.

発光素子を用いた表示装置24は、トランジスタ50およびトランジスタ52(実施の形態1で示したトランジスタ10)の他、導電層197、導電層410、光学調整層530、EL層450、導電層415、発光素子70、容量素子60、容量素子62、絶縁層430、スペーサ440、着色層460、接着層470、隔壁445、遮光層418、基板400、異方性導電層510を有する。 In addition to the transistor 50 and the transistor 52 (the transistor 10 described in Embodiment 1), the display device 24 including a light-emitting element includes a conductive layer 197, a conductive layer 410, an optical adjustment layer 530, an EL layer 450, a conductive layer 415, The light-emitting element 70, the capacitor 60, the capacitor 62, the insulating layer 430, the spacer 440, the coloring layer 460, the adhesive layer 470, the partition 445, the light-blocking layer 418, the substrate 400, and the anisotropic conductive layer 510 are provided.

本明細書等において、例えば、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。 In this specification and the like, for example, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. Can do. A display element, a display device, a light emitting element, or a light emitting device includes, for example, an EL (electroluminescence) element (an EL element including an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, red LED, green LED, Blue LEDs, etc.), transistors (transistors that emit light in response to current), electron-emitting devices, liquid crystal devices, electronic ink, electrophoretic devices, grating light valves (GLV), plasma display panels (PDP), MEMS (micro electro Mechanical system), digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, electrowetting element, piezoelectric ceramic element Play has at least one such display device using a carbon nanotube. In addition to these, a display medium in which contrast, luminance, reflectance, transmittance, or the like is changed by an electric or magnetic action may be included. An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper.

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

(実施の形態8)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、図58を用いて説明を行う。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a display module to which the semiconductor device of one embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIGS.

<表示モジュール>
図58に示す表示モジュール6000は、上部カバー6001と下部カバー6002との間に、FPC6003に接続されたタッチパネル6004、FPC6005に接続された表示パネル6006、バックライトユニット6007、フレーム6009、プリント基板6010、バッテリー6011を有する。なお、バックライトユニット6007、バッテリー6011、タッチパネル6004などは、設けられない場合もある。
<Display module>
A display module 6000 shown in FIG. 58 includes a touch panel 6004 connected to the FPC 6003, a display panel 6006 connected to the FPC 6005, a backlight unit 6007, a frame 6009, a printed circuit board 6010, between the upper cover 6001 and the lower cover 6002. A battery 6011 is included. Note that the backlight unit 6007, the battery 6011, the touch panel 6004, and the like may not be provided.

本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル6006であったり、プリント基板に実装された集積回路に用いることができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for, for example, the display panel 6006 or an integrated circuit mounted on a printed board.

上部カバー6001および下部カバー6002は、タッチパネル6004および表示パネル6006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 6001 and the lower cover 6002 can be changed as appropriate in accordance with the sizes of the touch panel 6004 and the display panel 6006.

タッチパネル6004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6006に重畳して用いることができる。また、表示パネル6006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。または、表示パネル6006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネル機能を付加することも可能である。または、表示パネル6006の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタッチパネル機能を付加することも可能である。 As the touch panel 6004, a resistive touch panel or a capacitive touch panel can be used by being superimposed on the display panel 6006. Further, the counter substrate (sealing substrate) of the display panel 6006 can have a touch panel function. Alternatively, an optical sensor can be provided in each pixel of the display panel 6006 and an optical touch panel function can be added. Alternatively, a touch sensor electrode may be provided in each pixel of the display panel 6006 to add a capacitive touch panel function.

バックライトユニット6007は、光源6008を有する。光源6008をバックライトユニット6007の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。 The backlight unit 6007 has a light source 6008. The light source 6008 may be provided at the end of the backlight unit 6007 and a light diffusing plate may be used.

フレーム6009は、表示パネル6006の保護機能の他、プリント基板6010から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6009は、放熱板としての機能を有していてもよい。 The frame 6009 has a function as an electromagnetic shield for blocking electromagnetic waves generated from the printed board 6010 in addition to a protective function of the display panel 6006. The frame 6009 may function as a heat sink.

プリント基板6010は、電源回路、ビデオ信号およ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ー6011であってもよい。なお、商用電源を用いる場合には、バッテリー6011を省略することができる。 The printed board 6010 includes a power supply circuit, a signal processing circuit for outputting a video signal and a clock signal. As a power source for supplying power to the power circuit, an external commercial power source or a battery 6011 provided separately may be used. Note that the battery 6011 can be omitted when a commercial power source is used.

また、表示モジュール6000には、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。 Further, the display module 6000 may be additionally provided with a member such as a polarizing plate, a retardation plate, and a prism sheet.

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

(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の使用例について説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, usage examples of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

<リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージ>
図59(A)に、リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図を示す。図59(A)に示すパッケージは、本発明の一態様に係る半導体装置に相当するチップ1751が、ワイヤボンディング法により、インターポーザ1750上の端子1752と接続されている。端子1752は、インターポーザ1750のチップ1751がマウントされている面上に配置されている。そしてチップ1751はモールド樹脂1753によって封止されていてもよいが、各端子1752の一部が露出した状態で封止されるようにする。
<Package using lead frame type interposer>
FIG. 59A is a perspective view showing a cross-sectional structure of a package using a lead frame type interposer. In a package illustrated in FIG. 59A, a chip 1751 corresponding to a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is connected to a terminal 1752 over an interposer 1750 by a wire bonding method. The terminal 1752 is disposed on the surface on which the chip 1751 of the interposer 1750 is mounted. The chip 1751 may be sealed with a mold resin 1753, but is sealed with a part of each terminal 1752 exposed.

パッケージが回路基板に実装されている電子機器(携帯電話)のモジュールの構成を、図59(B)に示す。図59(B)に示す携帯電話のモジュールは、プリント配線基板1801に、パッケージ1802と、バッテリー1804とが実装されている。また、表示素子が設けられたパネル1800に、プリント配線基板1801がFPC1803によって実装されている。 FIG. 59B shows the structure of a module of an electronic device (mobile phone) in which a package is mounted on a circuit board. In the mobile phone module illustrated in FIG. 59B, a package 1802 and a battery 1804 are mounted on a printed wiring board 1801. In addition, a printed wiring board 1801 is mounted with an FPC 1803 on a panel 1800 provided with a display element.

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

(実施の形態10)
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器及び照明装置について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 10)
In this embodiment, an electronic device and a lighting device of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

<電子機器>
本発明の一態様の半導体装置を用いて、電子機器や照明装置を作製できる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いて、信頼性の高い電子機器や照明装置を作製できる。また本発明の一態様の半導体装置を用いて、タッチセンサの検出感度が向上した電子機器や照明装置を作製できる。
<Electronic equipment>
An electronic device or a lighting device can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention. A highly reliable electronic device or lighting device can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention. Further, an electronic device or a lighting device with improved detection sensitivity of a touch sensor can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention.

電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。 Examples of the electronic device include a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (also referred to as a mobile phone or a mobile phone device). ), Large game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproducing devices, and pachinko machines.

また、本発明の一態様の電子機器又は照明装置は可撓性を有する場合、家屋やビルの内壁もしくは外壁、又は、自動車の内装もしくは外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。 In the case where the electronic device or the lighting device of one embodiment of the present invention has flexibility, the electronic device or the lighting device can be incorporated along an inner wall or an outer wall of a house or a building, or a curved surface of an interior or exterior of an automobile.

また、本発明の一態様の電子機器は、二次電池を有していてもよく、非接触電力伝送を用いて、二次電池を充電することができると好ましい。 The electronic device of one embodiment of the present invention may include a secondary battery, and it is preferable that the secondary battery can be charged using non-contact power transmission.

二次電池としては、例えば、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池(リチウムイオンポリマー電池)等のリチウムイオン二次電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池などが挙げられる。 Secondary batteries include, for example, lithium ion secondary batteries such as lithium polymer batteries (lithium ion polymer batteries) using a gel electrolyte, lithium ion batteries, nickel metal hydride batteries, nickel-cadmium batteries, organic radical batteries, lead storage batteries, air batteries A secondary battery, a nickel zinc battery, a silver zinc battery, etc. are mentioned.

本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器が二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。 The electronic device of one embodiment of the present invention may include an antenna. By receiving a signal with an antenna, video, information, and the like can be displayed on the display unit. Further, when the electronic device has a secondary battery, the antenna may be used for non-contact power transmission.

図60(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体7101、筐体7102、表示部7103、表示部7104、マイク7105、スピーカー7106、操作キー7107、スタイラス7108等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体7101に内蔵されている集積回路、CPUなどに用いることができる。CPUにはノーマリオフ型のCPUを用いることで、低消費電力化することができ、従来よりも長い時間ゲームを楽しむことができる。表示部7103または表示部7104に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、ユーザーの使用感に優れ、品質の低下が起こりにくい携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図60(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部7103と表示部7104とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 60A illustrates a portable game machine including a housing 7101, a housing 7102, a display portion 7103, a display portion 7104, a microphone 7105, speakers 7106, operation keys 7107, a stylus 7108, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit, a CPU, or the like incorporated in the housing 7101. By using a normally-off CPU as a CPU, power consumption can be reduced and games can be enjoyed for a longer time than before. With the use of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention for the display portion 7103 or the display portion 7104, a portable game machine that has an excellent usability and is unlikely to deteriorate in quality can be provided. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 60A includes two display portions 7103 and 7104, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図60(B)は、スマートウオッチであり、筐体7302、表示部7304、操作ボタン7311、7312、接続端子7313、バンド7321、留め金7322、等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は筐体7302に内蔵されているメモリ、CPUなどに用いることができる。なお、図60(B)に用いるディスプレイには反射型の液晶パネル、CPUにはノーマリオフ型のCPUを用いることで、低消費電力化することができて、日常における充電回数を減らすことができる。 FIG. 60B illustrates a smart watch, which includes a housing 7302, a display portion 7304, operation buttons 7311 and 7312, a connection terminal 7313, a band 7321, a clasp 7322, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a memory, a CPU, or the like incorporated in the housing 7302. Note that a reflective liquid crystal panel is used for the display shown in FIG. 60B and a normally-off CPU is used for the CPU, so that power consumption can be reduced and the number of daily charging operations can be reduced.

図60(C)は、携帯情報端末であり、筐体7501に組み込まれた表示部7502の他、操作ボタン7503、外部接続ポート7504、スピーカー7505、マイク7506、表示部7502などを備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体7501に内蔵されているモバイル用メモリ、CPUなどに用いることができる。なお、ノーマリオフ型のCPUを用いることで、充電回数を減らすことができる。また、表示部7502は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながらフルハイビジョン、4k、または8kなど、様々な表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。 FIG. 60C illustrates a portable information terminal which includes an operation button 7503, an external connection port 7504, a speaker 7505, a microphone 7506, a display portion 7502, and the like in addition to a display portion 7502 incorporated in a housing 7501. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a mobile memory, a CPU, or the like incorporated in the housing 7501. Note that the number of times of charging can be reduced by using a normally-off type CPU. In addition, since the display portion 7502 can have extremely high definition, the display portion 7502 can perform various displays such as full high-definition, 4k, or 8k while being small and medium, and can obtain a very clear image. it can.

図60(D)はビデオカメラであり、第1筐体7701、第2筐体7702、表示部7703、操作キー7704、レンズ7705、接続部7706等を有する。操作キー7704およびレンズ7705は第1筐体7701に設けられており、表示部7703は第2筐体7702に設けられている。そして、第1筐体7701と第2筐体7702とは、接続部7706により接続されており、第1筐体7701と第2筐体7702の間の角度は、接続部7706により変更が可能である。表示部7703における映像を、接続部7706における第1筐体7701と第2筐体7702との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ7705の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。本発明の一態様に係る半導体装置は、第1筐体7701に内蔵されている集積回路、CPUなどに用いることができる。 FIG. 60D illustrates a video camera, which includes a first housing 7701, a second housing 7702, a display portion 7703, operation keys 7704, a lens 7705, a connection portion 7706, and the like. The operation key 7704 and the lens 7705 are provided in the first housing 7701, and the display portion 7703 is provided in the second housing 7702. The first housing 7701 and the second housing 7702 are connected by a connection portion 7706, and the angle between the first housing 7701 and the second housing 7702 can be changed by the connection portion 7706. is there. The video on the display portion 7703 may be switched in accordance with the angle between the first housing 7701 and the second housing 7702 in the connection portion 7706. The imaging device of one embodiment of the present invention can be provided at a position where the lens 7705 is focused. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit, a CPU, or the like incorporated in the first housing 7701.

図60(E)は、デジタルサイネージであり、電柱7901に設置された表示部7902を備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部7902の表示パネルおよび内蔵されている制御回路に用いることができる。 FIG. 60E illustrates digital signage, which includes a display portion 7902 installed on a utility pole 7901. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for the display panel of the display portion 7902 and a built-in control circuit.

図61(A)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体8121、表示部8122、キーボード8123、ポインティングデバイス8124等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体8121内に内蔵されているCPUや、メモリに適用することができる。なお、表示部8122は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながら8kの表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。 FIG. 61A illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 8121, a display portion 8122, a keyboard 8123, a pointing device 8124, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be applied to a CPU or a memory built in the housing 8121. Note that since the display portion 8122 can have very high definition, the display portion 8122 can display 8k while being small and medium-sized, and a very clear image can be obtained.

図61(B)に自動車9700の外観を示す。図61(C)に自動車9700の運転席を示す。自動車9700は、車体9701、車輪9702、ダッシュボード9703、ライト9704等を有する。本発明の一態様の半導体装置は、自動車9700の表示部、および制御用の集積回路に用いることができる。例えば、図61(C)に示す表示部9710乃至表示部9715に本発明の一態様の半導体装置を設けることができる。 FIG. 61B shows the appearance of an automobile 9700. FIG. 61C illustrates a driver seat of a car 9700. The automobile 9700 includes a vehicle body 9701, wheels 9702, a dashboard 9703, lights 9704, and the like. The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for a display portion of the automobile 9700 and an integrated circuit for control. For example, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be provided in the display portion 9710 to the display portion 9715 illustrated in FIG.

表示部9710と表示部9711は、自動車のフロントガラスに設けられた表示装置、または入出力装置である。本発明の一態様の表示装置、または入出力装置は、表示装置、または入出力装置が有する電極を、透光性を有する導電性材料で作製することによって、反対側が透けて見える、いわゆるシースルー状態の表示装置、または入出力装置とすることができる。シースルー状態の表示装置、または入出力装置であれば、自動車9700の運転時にも視界の妨げになることがない。よって、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を自動車9700のフロントガラスに設置することができる。なお、表示装置、または入出力装置に、表示装置、または入出力装置を駆動するためのトランジスタなどを設ける場合には、有機半導体材料を用いた有機トランジスタや、酸化物半導体を用いたトランジスタなど、透光性を有するトランジスタを用いるとよい。 The display portion 9710 and the display portion 9711 are display devices or input / output devices provided on a windshield of an automobile. A display device or an input / output device of one embodiment of the present invention is a so-called see-through state in which an electrode of the display device or the input / output device is made of a light-transmitting conductive material so that the opposite side can be seen through. Display devices or input / output devices. If the display device or the input / output device is in a see-through state, the view is not hindered even when the automobile 9700 is driven. Thus, the display device or the input / output device of one embodiment of the present invention can be provided on the windshield of the automobile 9700. Note that in the case where a transistor for driving the display device or the input / output device is provided in the display device or the input / output device, an organic transistor using an organic semiconductor material, a transistor using an oxide semiconductor, or the like, A transistor having a light-transmitting property may be used.

表示部9712はピラー部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9712に映し出すことによって、ピラーで遮られた視界を補完することができる。表示部9713はダッシュボード部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9713に映し出すことによって、ダッシュボードで遮られた視界を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像手段からの映像を映し出すことによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。 A display portion 9712 is a display device provided in the pillar portion. For example, the field of view blocked by the pillar can be complemented by displaying an image from the imaging means provided on the vehicle body on the display portion 9712. A display portion 9713 is a display device provided in the dashboard portion. For example, by displaying an image from an imaging unit provided on the vehicle body on the display portion 9713, the view blocked by the dashboard can be complemented. That is, by projecting an image from the imaging means provided outside the automobile, the blind spot can be compensated and safety can be improved. Also, by displaying a video that complements the invisible part, it is possible to confirm the safety more naturally and without a sense of incongruity.

また、図61(D)は、運転席と助手席にベンチシートを採用した自動車の室内を示している。表示部9721は、ドア部に設けられた表示装置、または入出力装置である。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9721に映し出すことによって、ドアで遮られた視界を補完することができる。また、表示部9722は、ハンドルに設けられた表示装置である。表示部9723は、ベンチシートの座面の中央部に設けられた表示装置である。なお、表示装置を座面や背もたれ部分などに設置して、当該表示装置を、当該表示装置の発熱を熱源としたシートヒーターとして利用することもできる。 FIG. 61D shows the interior of an automobile in which bench seats are used for the driver seat and the passenger seat. The display portion 9721 is a display device or an input / output device provided in the door portion. For example, the field of view blocked by the door can be complemented by displaying an image from an imaging unit provided on the vehicle body on the display portion 9721. The display portion 9722 is a display device provided on the handle. The display unit 9723 is a display device provided at the center of the seat surface of the bench seat. Note that the display device can be installed on a seating surface or a backrest portion, and the display device can be used as a seat heater using heat generated by the display device as a heat source.

表示部9714、表示部9715、または表示部9722はナビゲーション情報、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示部に表示される表示項目やレイアウトなどは、使用者の好みに合わせて適宜変更することができる。なお、上記情報は、表示部9710乃至表示部9713、表示部9721、表示部9723にも表示することができる。また、表示部9710乃至表示部9715、表示部9721乃至表示部9723は照明装置として用いることも可能である。また、表示部9710乃至表示部9715、表示部9721乃至表示部9723は加熱装置として用いることも可能である。 The display portion 9714, the display portion 9715, or the display portion 9722 can provide various other information such as navigation information, a speedometer and a tachometer, a travel distance, an oil supply amount, a gear state, and an air conditioner setting. In addition, display items, layouts, and the like displayed on the display unit can be changed as appropriate according to the user's preference. Note that the above information can also be displayed on the display portion 9710 to the display portion 9713, the display portion 9721, and the display portion 9723. The display portions 9710 to 9715 and the display portions 9721 to 9723 can also be used as lighting devices. The display portions 9710 to 9715 and the display portions 9721 to 9723 can also be used as heating devices.

また、図62(A)に、カメラ8000の外観を示す。カメラ8000は、筐体8001、表示部8002、操作ボタン8003、シャッターボタン8004、結合部8005等を有する。またカメラ8000には、レンズ8006を取り付けることができる。 FIG. 62A shows the appearance of the camera 8000. FIG. A camera 8000 includes a housing 8001, a display portion 8002, operation buttons 8003, a shutter button 8004, a coupling portion 8005, and the like. A lens 8006 can be attached to the camera 8000.

結合部8005は、電極を有し、後述するファインダー8100のほか、ストロボ装置等を接続することができる。 The coupling portion 8005 includes electrodes, and can connect a strobe device or the like in addition to a finder 8100 described later.

ここではカメラ8000として、レンズ8006を筐体8001から取り外して交換することが可能な構成としたが、レンズ8006と筐体が一体となっていてもよい。 Here, the camera 8000 is configured such that the lens 8006 can be removed from the housing 8001 and replaced, but the lens 8006 and the housing may be integrated.

シャッターボタン8004を押すことにより、撮像することができる。また、表示部8002はタッチパネルとしての機能を有し、表示部8002をタッチすることにより撮像することも可能である。 An image can be taken by pressing a shutter button 8004. In addition, the display portion 8002 has a function as a touch panel and can capture an image by touching the display portion 8002.

表示部8002に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を適用することができる。 The display device or the input / output device of one embodiment of the present invention can be applied to the display portion 8002.

図62(B)には、カメラ8000にファインダー8100を取り付けた場合の例を示している。 FIG. 62B shows an example in which a viewfinder 8100 is attached to a camera 8000.

ファインダー8100は、筐体8101、表示部8102、ボタン8103等を有する。 The viewfinder 8100 includes a housing 8101, a display portion 8102, a button 8103, and the like.

筐体8101には、カメラ8000の結合部8005と係合する結合部を有しており、ファインダー8100をカメラ8000に取り付けることができる。また当該結合部には電極を有し、当該電極を介してカメラ8000から受信した映像等を表示部8102に表示させることができる。 The housing 8101 includes a coupling portion that engages with the coupling portion 8005 of the camera 8000, and the finder 8100 can be attached to the camera 8000. In addition, the coupling portion includes an electrode, and an image received from the camera 8000 via the electrode can be displayed on the display portion 8102.

ボタン8103は、電源ボタンとしての機能を有する。ボタン8103により、表示部8102の表示のオン・オフを切り替えることができる。 The button 8103 has a function as a power button. A button 8103 can be used to switch display on the display portion 8102 on and off.

筐体8101の中にある、集積回路、イメージセンサに本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to an integrated circuit or an image sensor in the housing 8101.

なお、図62(A)(B)では、カメラ8000とファインダー8100とを別の電子機器とし、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ8000の筐体8001に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を備えるファインダーが内蔵されていてもよい。 62A and 62B, the camera 8000 and the viewfinder 8100 are separate electronic devices and are configured to be detachable. However, a display of one embodiment of the present invention is displayed on the housing 8001 of the camera 8000. A finder provided with a device or an input / output device may be incorporated.

また、図62(C)には、ヘッドマウントディスプレイ8200の外観を示している。 FIG. 62C shows the appearance of the head mounted display 8200.

ヘッドマウントディスプレイ8200は、装着部8201、レンズ8202、本体8203、表示部8204、ケーブル8205等を有している。また装着部8201には、バッテリー8206が内蔵されている。 The head mounted display 8200 includes a mounting portion 8201, a lens 8202, a main body 8203, a display portion 8204, a cable 8205, and the like. In addition, a battery 8206 is built in the mounting portion 8201.

ケーブル8205は、バッテリー8206から本体8203に電力を供給する。本体8203は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部8204に表示させることができる。また、本体8203に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を入力手段として用いることができる。 A cable 8205 supplies power from the battery 8206 to the main body 8203. The main body 8203 includes a wireless receiver and the like, and can display video information such as received image data on the display portion 8204. In addition, it is possible to use the user's viewpoint as an input unit by capturing the movement of the user's eyeball or eyelid with a camera provided in the main body 8203 and calculating the coordinates of the user's viewpoint based on the information. it can.

また、装着部8201には、使用者に触れる位置に複数の電極が設けられていてもよい。本体8203は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、使用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知することにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部8201には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用者の生体情報を表示部8204に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭部の動きなどを検出し、表示部8204に表示する映像をその動きに合わせて変化させてもよい。 In addition, the mounting portion 8201 may be provided with a plurality of electrodes at a position where the user touches the user. The main body 8203 may have a function of recognizing the user's viewpoint by detecting a current flowing through the electrode in accordance with the movement of the user's eyeball. Moreover, you may have a function which monitors a user's pulse by detecting the electric current which flows into the said electrode. The mounting portion 8201 may have various sensors such as a temperature sensor, a pressure sensor, and an acceleration sensor, and may have a function of displaying the user's biological information on the display portion 8204. Further, the movement of the user's head or the like may be detected, and the video displayed on the display unit 8204 may be changed in accordance with the movement.

本体8203の内部の集積回路に、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to the integrated circuit in the main body 8203.

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

(実施の形態11)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いたRFタグの使用例について図63を用いながら説明する。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of using an RF tag using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<RFタグの使用例>
RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図63(A)参照)、乗り物類(自転車等、図63(B)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図63(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図63(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図63(E)、図63(F)参照)等に設けて使用することができる。
<Usage example of RF tag>
Applications of RF tags are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident's card, etc., see FIG. 63A), vehicles (bicycles, FIG. 63, etc.) (See (B)), packaging containers (wrapping paper, bottles, etc., see FIG. 63 (C)), recording media (DVD, video tape, etc., see FIG. 63 (D)), personal items (bags, glasses, etc.) , Articles such as foods, plants, animals, human bodies, clothing, daily necessities, medical products including drugs and drugs, or electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, television devices, or mobile phones), Alternatively, it can be used by being provided on a tag (see FIGS. 63E and 63F) attached to each article.

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

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

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

本実施例では、イオン添加処理後の酸化物半導体層122の抵抗値の測定を行った結果について説明する。 In this example, the results of measuring the resistance value of the oxide semiconductor layer 122 after the ion addition treatment will be described.

測定用サンプルとして、図64に示す構造を作製した。測定サンプルは、実施の形態1にて説明した方法により作製した。なお、サンプルの作製方法は、この方法に限定されない。 A structure shown in FIG. 64 was produced as a measurement sample. The measurement sample was manufactured by the method described in Embodiment 1. Note that a sample manufacturing method is not limited to this method.

基板100として、約700μmのSiウェハを用いた。 As the substrate 100, an Si wafer of about 700 μm was used.

絶縁層110として、酸化シリコン膜と酸化窒化シリコン膜の積層を形成した。 As the insulating layer 110, a stack of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film was formed.

当該酸化シリコン膜として、Siウェハを950℃の塩酸酸化法により、100nmの熱酸化膜を形成した。 As the silicon oxide film, a thermal oxidation film of 100 nm was formed on a Si wafer by a hydrochloric acid oxidation method at 950 ° C.

酸化窒化シリコン膜はプラズマCVD法で300nm成膜した。当該成膜条件は、成膜用ガス流量をシラン2.3sccm、一酸化二窒素800sccmとし、成膜時のチャンバー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびAPCバルブ制御により40Paとし、RF電源周波数を27MHzとし、成膜時のパワーは50Wとし、電極間の距離を15mmとし、成膜時の基板加熱温度を400℃とした。 The silicon oxynitride film was formed to a thickness of 300 nm by a plasma CVD method. The film formation conditions are as follows: the gas flow rate for film formation is 2.3 sccm of silane, 800 sccm of dinitrogen monoxide, the pressure in the chamber during film formation is 40 Pa by the diaphragm type ballatron sensor and APC valve control, and the RF power supply frequency is 27 MHz. The power during film formation was 50 W, the distance between the electrodes was 15 mm, and the substrate heating temperature during film formation was 400 ° C.

次に、酸化物半導体層122としてスパッタリング法により、ターゲットとしてIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)の酸化物を用いて厚さ50nmに成膜した酸化物半導体膜を用いた。当該成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を0.7Paとし、成膜時のパワーはDC電源を用いて0.5kWとし、スパッタリング用のガス流量をArガス30sccm、酸素ガス15sccmとし、サンプルーターゲット間の距離を60mmとし、成膜時の基板加熱温度を300℃とした。 Next, an oxide semiconductor film formed to a thickness of 50 nm using an oxide of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio) as a target by a sputtering method as the oxide semiconductor layer 122 is used. It was. The film formation conditions are as follows: the pressure in the chamber during film formation is 0.7 Pa, the power during film formation is 0.5 kW using a DC power source, the gas flow rate for sputtering is 30 sccm Ar gas, and 15 sccm oxygen gas, The distance between the sample and the target was 60 mm, and the substrate heating temperature during film formation was 300 ° C.

酸化物半導体層122形成後、窒素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行った。 After the oxide semiconductor layer 122 was formed, heat treatment was performed at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then heat treatment was performed at 450 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

イオン添加処理は、イオン注入法により行った。サンプルごとに異なるイオン注入条件のまとめを表1に示す。 The ion addition treatment was performed by an ion implantation method. A summary of the different ion implantation conditions for each sample is shown in Table 1.

サンプルの抵抗値測定は、シート抵抗測定機を用いて行い、装置は日立国際電気製のVR−200を用いた。図65、図66、図67にシート抵抗測定結果を示す。 The resistance value of the sample was measured using a sheet resistance measuring machine, and a VR-200 manufactured by Hitachi Kokusai Electric was used as the apparatus. 65, 66, and 67 show the sheet resistance measurement results.

図65、図66、図67より、リン、アルゴン、キセノンいずれのイオン種においても、ドーズ量を3.0×1014ions/cm以上注入したサンプルにおいて、抵抗率を安定して低減することができることが確認された。 65, 66, and 67, the resistivity can be stably reduced in a sample in which a dose amount of 3.0 × 10 14 ions / cm 2 or more is implanted for any ion species of phosphorus, argon, and xenon. It was confirmed that

10 トランジスタ
11 トランジスタ
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 トランジスタ
20 表示装置
21 表示領域
22 周辺回路
24 表示装置
50 トランジスタ
52 トランジスタ
60 容量素子
62 容量素子
70 発光素子
80 液晶素子
100 基板
103 偏光板
105 保護基板
110 絶縁層
121 金属酸化物層
122 酸化物半導体層
123 金属酸化物層
123a 金属酸化物膜
123b 金属酸化物層
125 低抵抗領域
130 ソース電極層
130b 導電層
140 ドレイン電極層
150 ゲート絶縁層
150a 絶縁膜
150b ゲート絶縁層
151 ゲート絶縁層
152 ゲート絶縁層
152a 絶縁膜
152b 絶縁層
160 ゲート電極層
160a 導電膜
165 導電層
167 イオン
170 絶縁層
172 絶縁層
173 酸素
174 溝部
175 絶縁層
175b 絶縁層
176 絶縁層
180 絶縁層
190 導電層
195 導電層
197 導電層
200 撮像装置
201 スイッチ
202 スイッチ
203 スイッチ
210 画素部
211 画素
212 副画素
212B 副画素
212G 副画素
212R 副画素
220 光電変換素子
230 画素回路
231 配線
247 配線
248 配線
249 配線
250 配線
253 配線
254 フィルタ
254B フィルタ
254G フィルタ
254R フィルタ
255 レンズ
256 光
257 配線
260 周辺回路
270 周辺回路
280 周辺回路
290 周辺回路
300 シリコン基板
310 層
320 層
330 層
340 層
351 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
362 カソード
363 低抵抗領域
365 フォトダイオード
366 半導体
367 半導体
368 半導体
370 プラグ
371 配線
372 配線
373 配線
374 配線
380 絶縁層
400 基板
402 保護基板
403 偏光板
410 導電層
415 導電層
418 遮光層
420 絶縁層
430 絶縁層
440 スペーサ
445 隔壁
450 EL層
460 着色層
470 接着層
473 接着層
474 接着層
475 接着層
476 接着層
480 導電層
490 液晶層
510 異方性導電層
530 光学調整層
601 プリカーサ
602 プリカーサ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 走査線
713 走査線
714 信号線
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
1700 基板
1701 チャンバー
1702 ロード室
1703 前処理室
1704 チャンバー
1705 チャンバー
1706 アンロード室
1711a 原料供給部
1711b 原料供給部
1712a 高速バルブ
1712b 高速バルブ
1713a 原料導入口
1713b 原料導入口
1714 原料排出口
1715 排気装置
1716 基板ホルダ
1720 搬送室
1750 インターポーザ
1751 チップ
1752 端子
1753 モールド樹脂
1800 パネル
1801 プリント配線基板
1802 パッケージ
1803 FPC
1804 バッテリー
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁体
2202 配線
2203 プラグ
2204 絶縁体
2205 配線
2207 絶縁体
2211 半導体基板
2212 絶縁体
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁体
2215 ソース領域およびドレイン領域
2800 インバータ
2810 OSトランジスタ
2820 OSトランジスタ
2831 信号波形
2832 信号波形
2840 破線
2841 実線
2850 OSトランジスタ
2860 CMOSインバータ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFタグ
6000 表示モジュール
6001 上部カバー
6002 下部カバー
6003 FPC
6004 タッチパネル
6005 FPC
6006 表示パネル
6007 バックライトユニット
6008 光源
6009 フレーム
6010 プリント基板
6011 バッテリー
7101 筐体
7102 筐体
7103 表示部
7104 表示部
7105 マイク
7106 スピーカー
7107 操作キー
7108 スタイラス
7302 筐体
7304 表示部
7311 操作ボタン
7312 操作ボタン
7313 接続端子
7321 バンド
7322 留め金
7501 筐体
7502 表示部
7503 操作ボタン
7504 外部接続ポート
7505 スピーカー
7506 マイク
7701 筐体
7702 筐体
7703 表示部
7704 操作キー
7705 レンズ
7706 接続部
7901 電柱
7902 表示部
8000 カメラ
8001 筐体
8002 表示部
8003 操作ボタン
8004 シャッターボタン
8005 結合部
8006 レンズ
8100 ファインダー
8101 筐体
8102 表示部
8103 ボタン
8121 筐体
8122 表示部
8123 キーボード
8124 ポインティングデバイス
8200 ヘッドマウントディスプレイ
8201 装着部
8202 レンズ
8203 本体
8204 表示部
8205 ケーブル
8206 バッテリー
9700 自動車
9701 車体
9702 車輪
9703 ダッシュボード
9704 ライト
9710 表示部
9711 表示部
9712 表示部
9713 表示部
9714 表示部
9715 表示部
9721 表示部
9722 表示部
9723 表示部
10 transistor 11 transistor 12 transistor 13 transistor 14 transistor 20 display device 21 display region 22 peripheral circuit 24 display device 50 transistor 52 transistor 60 capacitor element 62 capacitor element 70 light emitting element 80 liquid crystal element 100 substrate 103 polarizing plate 105 protective substrate 110 insulating layer 121 Metal oxide layer 122 Oxide semiconductor layer 123 Metal oxide layer 123a Metal oxide film 123b Metal oxide layer 125 Low resistance region 130 Source electrode layer 130b Conductive layer 140 Drain electrode layer 150 Gate insulating layer 150a Insulating film 150b Gate insulating layer 151 Gate insulating layer 152 Gate insulating layer 152a Insulating film 152b Insulating layer 160 Gate electrode layer 160a Conductive film 165 Conductive layer 167 Ion 170 Insulating layer 172 Insulating layer 173 Oxygen 174 Groove part 1 75 Insulating layer 175b Insulating layer 176 Insulating layer 180 Insulating layer 190 Conductive layer 195 Conductive layer 197 Conductive layer 200 Imaging device 201 Switch 202 Switch 203 Switch 210 Pixel portion 211 Pixel 212 Subpixel 212B Subpixel 212G Subpixel 212R Subpixel 220 Photoelectric conversion Element 230 Pixel circuit 231 wiring 247 wiring 248 wiring 249 wiring 250 wiring 253 wiring 254 filter 254B filter 254G filter 254R filter 255 lens 256 light 257 wiring 260 peripheral circuit 270 peripheral circuit 280 peripheral circuit 290 peripheral circuit 300 silicon substrate 310 layer 320 layer 330 Layer 340 Layer 351 Transistor 353 Transistor 360 Photodiode 361 Anode 362 Cathode 363 Low resistance region 365 Photodiode 36 Semiconductor 367 Semiconductor 368 Semiconductor 370 Plug 371 Wiring 372 Wiring 373 Wiring 374 Wiring 380 Insulating layer 400 Substrate 402 Protective substrate 403 Polarizing plate 410 Conductive layer 415 Conductive layer 418 Light shielding layer 420 Insulating layer 430 Insulating layer 440 Spacer 445 Partition 450 EL layer 460 Coloring Layer 470 Adhesive layer 473 Adhesive layer 474 Adhesive layer 475 Adhesive layer 476 Adhesive layer 480 Conductive layer 490 Liquid crystal layer 510 Anisotropic conductive layer 530 Optical adjustment layer 601 Precursor 602 Precursor 700 Substrate 701 Pixel portion 702 Scan line drive circuit 703 Scan line drive Circuit 704 Signal line driver circuit 710 Capacitor wiring 712 Scan line 713 Scan line 714 Signal line 716 Transistor 717 Transistor 718 Liquid crystal element 719 Liquid crystal element 720 Pixel 721 Switching transistor 722 Dynamic transistor 723 Capacitance element 724 Light emitting element 725 Signal line 726 Scan line 727 Power supply line 728 Common electrode 800 RF tag 801 Communication device 802 Antenna 803 Radio signal 804 Antenna 805 Rectifier circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulator circuit 809 Modulator circuit 809 Logic circuit 810 Memory circuit 811 ROM
1189 ROM interface 1190 board 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
1200 memory element 1201 circuit 1202 circuit 1203 switch 1204 switch 1206 logic element 1207 capacitor element 1208 capacitor element 1209 transistor 1210 transistor 1213 transistor 1214 transistor 1220 circuit 1700 substrate 1701 chamber 1702 load chamber 1703 pretreatment chamber 1704 chamber 1705 chamber 1706 unload chamber 1711a Raw material supply unit 1711b Raw material supply unit 1712a High speed valve 1712b High speed valve 1713a Raw material introduction port 1713b Raw material introduction port 1714 Raw material discharge port 1715 Exhaust device 1716 Substrate holder 1720 Transfer chamber 1750 Interposer 1751 Chip 1752 Terminal 1753 Mold resin 1800 Panel 1801 Printed wiring board 1802 Package 1 803 FPC
1804 battery 2100 transistor 2200 transistor 2201 insulator 2202 wiring 2203 plug 2204 insulator 2205 wiring 2207 insulator 2211 semiconductor substrate 2212 insulator 2213 gate electrode 2214 gate insulator 2215 source region and drain region 2800 inverter 2810 OS transistor 2820 OS transistor 2831 signal Waveform 2832 Signal waveform 2840 Broken line 2841 Solid line 2850 OS transistor 2860 CMOS inverter 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3200 Transistor 3300 Transistor 3400 Capacitance element 4000 RF tag 6000 Display module 6001 Upper cover 6002 Lower cover 6003 FPC
6004 Touch panel 6005 FPC
6006 Display panel 6007 Backlight unit 6008 Light source 6009 Frame 6010 Printed circuit board 6011 Battery 7101 Case 7102 Case 7103 Display portion 7104 Display portion 7105 Microphone 7106 Speaker 7107 Operation key 7108 Stylus 7302 Case 7304 Display portion 7311 Operation button 7312 Operation button 7313 Connection terminal 7321 Band 7322 Clasp 7501 Case 7502 Display unit 7503 Operation button 7504 External connection port 7505 Speaker 7506 Microphone 7701 Case 7702 Case 7703 Display unit 7704 Operation key 7705 Lens 7706 Connection unit 7901 Power pole 7902 Display unit 8000 Camera 8001 Case Body 8002 Display unit 8003 Operation button 8004 Shutter button 8005 Coupling unit 006 Lens 8100 Viewfinder 8101 Case 8102 Display unit 8103 Button 8121 Case 8122 Display unit 8123 Keyboard 8124 Pointing device 8200 Head mounted display 8201 Mounting unit 8202 Lens 8203 Body 8204 Display unit 8205 Cable 8206 Battery 9700 Car 9701 Car body 9702 Wheel 9703 Dashboard 9704 Light 9710 Display unit 9711 Display unit 9712 Display unit 9713 Display unit 9714 Display unit 9715 Display unit 9721 Display unit 9722 Display unit 9723 Display unit

Claims (18)

基板上の第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、
前記第1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、
前記第2金属酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上のゲート電極層と、
を有し、
前記酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、
前記第1領域および前記第2領域は、前記ゲート電極層と重なる領域を有し、
前記第2領域は、前記第1領域と前記第3領域の間の領域であって、
前記第2領域は、前記第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、
前記第3領域は、前記第2領域に比して抵抗の低い領域を有し、
前記第2領域および、前記第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
A first insulating layer on the substrate;
A first metal oxide layer on the first insulating layer;
An oxide semiconductor layer on the first metal oxide layer;
A second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer;
A gate insulating layer on the second metal oxide layer;
A gate electrode layer on the gate insulating layer;
Have
The oxide semiconductor layer has a first region to a third region,
The first region and the second region have a region overlapping with the gate electrode layer,
The second region is a region between the first region and the third region,
The second region has a region having a lower resistance than the first region,
The third region has a region having a lower resistance than the second region,
The second region and the third region have a region containing an element N (N is phosphorus, argon, xenon);
A semiconductor device characterized by the above.
基板上の第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、
前記第1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、
前記第1絶縁層、前記酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、
前記第2金属酸化物層上の第1ゲート絶縁層と、
前記第1ゲート絶縁層上のゲート電極層と、
を有し、
前記第2金属酸化物層、および前記第1ゲート絶縁層は、第1金属酸化物層、酸化物半導体層の側面と対向する領域を有し、
前記酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、
前記第1領域および前記第2領域は、前記ゲート電極層と重なる領域を有し、
前記第2領域は、前記第1領域と前記第3領域の間の領域であって、
前記第2領域は、前記第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、
前記第3領域は、前記第2領域に比して抵抗の低い領域を有し、
前記第2領域および、前記第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
A first insulating layer on the substrate;
A first metal oxide layer on the first insulating layer;
An oxide semiconductor layer on the first metal oxide layer;
The first insulating layer, a second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer, and
A first gate insulating layer on the second metal oxide layer;
A gate electrode layer on the first gate insulating layer;
Have
The second metal oxide layer and the first gate insulating layer have regions facing the side surfaces of the first metal oxide layer and the oxide semiconductor layer,
The oxide semiconductor layer has a first region to a third region,
The first region and the second region have a region overlapping with the gate electrode layer,
The second region is a region between the first region and the third region,
The second region has a region having a lower resistance than the first region,
The third region has a region having a lower resistance than the second region,
The second region and the third region have a region containing an element N (N is phosphorus, argon, xenon);
A semiconductor device characterized by the above.
請求項2において、
前記第1ゲート絶縁層、およびゲート電極層の間に第2ゲート絶縁層を有すること、
を特徴とする半導体装置。
In claim 2,
Having a second gate insulating layer between the first gate insulating layer and the gate electrode layer;
A semiconductor device characterized by the above.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記第2領域は、前記第1領域に比して前記元素Nの濃度が高い領域を有し、
前記第3領域は、前記第2領域に比して前記元素Nの濃度が高い領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The second region has a region where the concentration of the element N is higher than that of the first region,
The third region has a region where the concentration of the element N is higher than that of the second region;
A semiconductor device characterized by the above.
請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記第3領域は前記元素Nの濃度が、1×1018atoms/cm以上1×1022atoms/cm以下である領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The third region has a region in which the concentration of the element N is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 22 atoms / cm 3 or less;
A semiconductor device characterized by the above.
基板上の第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、
前記第1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、
前記第2金属酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記第2金属酸化物層上の第2絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上のゲート電極層と、
を有し、
前記ゲート絶縁層は、前記ゲート電極層の側面と接する領域を有し、
前記第2絶縁層は、前記ゲート絶縁層と接する領域を有し、
前記酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、
前記第1領域は、前記ゲート電極層と重なる領域を有し、
前記第2領域は、前記ゲート絶縁層、または第2絶縁層と重なる領域を有し、
前記第2領域は、前記第1領域と前記第3領域の間の領域であって、
前記第2領域および、前記第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
A first insulating layer on the substrate;
A first metal oxide layer on the first insulating layer;
An oxide semiconductor layer on the first metal oxide layer;
A second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer;
A gate insulating layer on the second metal oxide layer;
A second insulating layer on the second metal oxide layer;
A gate electrode layer on the gate insulating layer;
Have
The gate insulating layer has a region in contact with a side surface of the gate electrode layer;
The second insulating layer has a region in contact with the gate insulating layer,
The oxide semiconductor layer has a first region to a third region,
The first region has a region overlapping the gate electrode layer,
The second region has a region overlapping with the gate insulating layer or the second insulating layer,
The second region is a region between the first region and the third region,
The second region and the third region have a region containing an element N (N is phosphorus, argon, xenon);
A semiconductor device characterized by the above.
請求項6において、
前記第2領域は、前記第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、
前記第3領域は、前記第2領域に比して抵抗の低い領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
In claim 6,
The second region has a region having a lower resistance than the first region,
The third region has a region having a lower resistance than the second region;
A semiconductor device characterized by the above.
請求項6または7において、
基板底面と前記ゲート電極層の側面の接線がなす角は、60度以上85度以下である領域を有すること、
を特徴とする半導体装置。
In claim 6 or 7,
The angle formed by the tangent line between the bottom surface of the substrate and the side surface of the gate electrode layer has a region of 60 degrees to 85 degrees,
A semiconductor device characterized by the above.
基板上に第1絶縁層を形成し、
前記第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、
前記第1金属酸化物層、および前記第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、
前記第2酸化物半導体層、および前記第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、
前記第3金属酸化物層上に第2絶縁層を形成し、
前記第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、
第2マスクを用いて前記第3絶縁層の一部をエッチングすることにより前記第3金属酸化物層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、
前記第4絶縁層および前記第3金属酸化物層上に第5絶縁層を形成し、
第5絶縁層上に第1導電層を形成し、
前記第1導電層および前記第5絶縁層に対して前記第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、
前記ゲート電極層をマスクとして用いて前記第4絶縁層および前記第6絶縁層をエッチングすることにより、ゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート電極層をマスクとして用いて前記第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first insulating layer on the substrate;
Forming a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer on the first insulating layer;
A stack of the first metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using a first mask to form a second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer. ,
Forming a third metal oxide layer on the second oxide semiconductor layer and the first insulating layer;
Forming a second insulating layer on the third metal oxide layer;
By performing a planarization process on the second insulating layer, a third insulating layer is formed,
Forming a fourth insulating layer having a groove reaching the third metal oxide layer by etching a part of the third insulating layer using a second mask;
Forming a fifth insulating layer on the fourth insulating layer and the third metal oxide layer;
Forming a first conductive layer on the fifth insulating layer;
By performing a planarization process until the fourth insulating layer is exposed with respect to the first conductive layer and the fifth insulating layer, a gate electrode layer and a sixth insulating layer are formed,
Forming the gate insulating layer by etching the fourth insulating layer and the sixth insulating layer using the gate electrode layer as a mask;
Forming a source region and a drain region by adding ions to the second oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device.
基板上に第1絶縁層を形成し、
前記第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、
前記第1金属酸化物層、および前記第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、
前記第2酸化物半導体層、および前記第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、
前記第3金属酸化物層上に第1ゲート絶縁層を形成し、
前記第1ゲート絶縁層上に第2絶縁層を形成し、
前記第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、
第2マスクを用いて前記第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、前記第1ゲート絶縁層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、
前記第4絶縁層および前記第1ゲート絶縁層上に第1導電層を形成し、
前記第1導電層に対して前記第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層をマスクとして用いて、前記第4絶縁層をエッチングすることにより、前記第1ゲート絶縁層を露出する領域を設け、
前記ゲート電極層をマスクとして用いて前記第1ゲート絶縁層をエッチングすることにより、第2ゲート絶縁層を形成し、
前記第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first insulating layer on the substrate;
Forming a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer on the first insulating layer;
A stack of the first metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using a first mask to form a second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer. ,
Forming a third metal oxide layer on the second oxide semiconductor layer and the first insulating layer;
Forming a first gate insulating layer on the third metal oxide layer;
Forming a second insulating layer on the first gate insulating layer;
By performing a planarization process on the second insulating layer, a third insulating layer is formed,
Etching a part of the third insulating layer using a second mask to form a fourth insulating layer having a groove reaching the first gate insulating layer;
Forming a first conductive layer on the fourth insulating layer and the first gate insulating layer;
By planarizing the first conductive layer until the fourth insulating layer is exposed, a gate electrode layer is formed,
Etching the fourth insulating layer using the gate electrode layer as a mask provides a region exposing the first gate insulating layer;
Forming a second gate insulating layer by etching the first gate insulating layer using the gate electrode layer as a mask;
Forming a source region and a drain region by adding ions to the second oxide semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device.
基板上に第1絶縁層を形成し、
前記第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、
前記第1金属酸化物層、および前記第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、
前記第2酸化物半導体層、および前記第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、
前記第3金属酸化物層上に第1ゲート絶縁層を形成し、
前記第1ゲート絶縁層上に第2絶縁層を形成し、
前記第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、
第2マスクを用いて前記第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、前記第1ゲート絶縁層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、
前記第4絶縁層および前記第1ゲート絶縁層上に第5絶縁層を形成し、
前記第5絶縁層上に第1導電層を形成し、
前記第1導電層、および前記第5絶縁層に対して前記第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、
前記ゲート電極層をマスクとして用いて前記第4絶縁層、および前記第6絶縁層をエッチングすることにより、前記第1ゲート絶縁層を露出する領域を設け、
前記第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first insulating layer on the substrate;
Forming a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer on the first insulating layer;
A stack of the first metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched into an island shape using a first mask to form a second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer. ,
Forming a third metal oxide layer on the second oxide semiconductor layer and the first insulating layer;
Forming a first gate insulating layer on the third metal oxide layer;
Forming a second insulating layer on the first gate insulating layer;
By performing a planarization process on the second insulating layer, a third insulating layer is formed,
Etching a part of the third insulating layer using a second mask to form a fourth insulating layer having a groove reaching the first gate insulating layer;
Forming a fifth insulating layer on the fourth insulating layer and the first gate insulating layer;
Forming a first conductive layer on the fifth insulating layer;
By planarizing the first conductive layer and the fifth insulating layer until the fourth insulating layer is exposed, a gate electrode layer and a sixth insulating layer are formed,
Etching the fourth insulating layer and the sixth insulating layer using the gate electrode layer as a mask provides a region exposing the first gate insulating layer,
Forming a source region and a drain region by adding ions to the second oxide semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項9乃至11のいずれか一項において、
前記イオン添加において、リン、アルゴン、またはキセノンを用いること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 9 thru | or 11,
Using phosphorus, argon, or xenon in the ion addition;
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項9乃至12のいずれか一項において、
前記イオン添加において、
イオンのドーズ量は1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of claims 9 to 12,
In the ion addition,
The dose amount of ions is 1 × 10 14 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less,
A method for manufacturing a semiconductor device.
基板上に第1絶縁層を形成し、
前記第1絶縁層上に、第1金属酸化物層、および第1酸化物半導体層の積層を島状に成膜し、
前記第1金属酸化物層、および前記第1酸化物半導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより、第2金属酸化物層、および第2酸化物半導体層を形成し、
前記第2酸化物半導体層、および前記第1絶縁層上に第3金属酸化物層を形成し、
前記第3金属酸化物層上に第2絶縁層を形成し、
前記第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、
第2マスクを用いて前記第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、前記第3金属酸化物層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、
前記第4絶縁層および前記第3金属酸化物層上に第5絶縁層を形成し、
前記第5絶縁層上に第1導電層を形成し、
前記第1導電層および前記第5絶縁層に対して、前記第4絶縁層が露出するまで平坦化処理をすることにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、
前記ゲート電極層をマスクとして用いて、前記第4絶縁層および前記第6絶縁層をエッチングすることにより、ゲート電極層の側面と接する領域を有するゲート絶縁層、およびゲート絶縁層と接する領域を有する第7絶縁層を形成し、
前記第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a first insulating layer on the substrate;
A stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed in an island shape over the first insulating layer,
The second metal oxide layer and the second oxide semiconductor layer are formed by etching the first metal oxide layer and the stack of the first oxide semiconductor layer into an island shape using a first mask. And
Forming a third metal oxide layer on the second oxide semiconductor layer and the first insulating layer;
Forming a second insulating layer on the third metal oxide layer;
By performing a planarization process on the second insulating layer, a third insulating layer is formed,
Etching a part of the third insulating layer using a second mask to form a fourth insulating layer having a groove reaching the third metal oxide layer;
Forming a fifth insulating layer on the fourth insulating layer and the third metal oxide layer;
Forming a first conductive layer on the fifth insulating layer;
A planarization process is performed on the first conductive layer and the fifth insulating layer until the fourth insulating layer is exposed, thereby forming a gate electrode layer and a sixth insulating layer,
Etching the fourth insulating layer and the sixth insulating layer using the gate electrode layer as a mask has a gate insulating layer having a region in contact with a side surface of the gate electrode layer, and a region in contact with the gate insulating layer Forming a seventh insulating layer;
Forming a source region and a drain region by adding ions to the second oxide semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項14において、
前記イオン添加において、リン、アルゴン、またはキセノンを用いること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 14,
Using phosphorus, argon, or xenon in the ion addition;
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項14または15において、
前記イオン添加において、
イオンのドーズ量は1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすること、
を特徴とする半導体装置の作製方法。
In claim 14 or 15,
In the ion addition,
The dose amount of ions is 1 × 10 14 ions / cm 2 or more and 5 × 10 16 ions / cm 2 or less,
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項14乃至16のいずれか一項において、
前記ゲート電極層の側面の接線と、基板の底面がなす角は、60度以上85度以下である領域を有すること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法。
In any one of claims 14 to 16,
An angle formed by a tangent to a side surface of the gate electrode layer and a bottom surface of the substrate has a region of 60 degrees to 85 degrees;
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の半導体装置と、
筐体と、スピーカーと、
を有することを特徴とする電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
A housing, a speaker,
An electronic device comprising:
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