JP2018022904A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
導体集積回路を構成する要素としてシリコン半導体の他に化合物半導体によって構成され
る素子が含まれ、その一例としてワイドギャップ半導体を適用したものが開示される。
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
化物半導体としては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛な
どがあり、このような酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタが既に
知られている。
れている。中でもIn−Ga−Zn−O系の酸化物材料(以下、IGZOとも呼ぶ)に関
する研究が盛んに行われている。IGZOは1985年に無機材研の君塚、中村、李らに
より結晶構造が見出され、InGaO3(ZnO)m(m=1〜n)で表されるホモロガ
ス構造をとることが非特許文献1に示されている。
ル形成領域に適用可能であることが確認されている(例えば、特許文献1参照)。
W=10μm/50μm)のオフ電流が100zA/μm以下であることを算出している
。
体集積回路によって電子機器に色々な機能を持たせることができ、電子機器の小型化や、
高機能化が進められている。例えば、シリコン基板を用いたトランジスタは、オフ電流が
増大すると、結果として半導体装置の消費電力が増大することとなる。また、論理回路に
おいて用いているトランジスタのオフ電流が増大すると、出力信号の電圧の値を一定の範
囲に維持したい場合であっても、出力信号の電圧の値が変化し、誤動作する恐れがある。
で、十分に低いオフ電流である半導体装置を実現する。
そのような酸化物半導体材料としては、少なくともインジウムを含み、ガリウム、錫、チ
タン、ジルコニウム、ハフニウム、亜鉛、ゲルマニウムから選ばれる一または複数含む材
料が挙げられる。
有効質量に比べて少なくとも5倍以上、好ましくは10倍以上、さらに好ましくは20倍
以上の重い正孔を持つ酸化物半導体層と、酸化物半導体層と接するソース電極層と、酸化
物半導体層と接するドレイン電極層とを有するトランジスタを備え、トランジスタのオフ
電流密度は、チャネル幅1μmあたり、100zA/μm以下、好ましくは1zA/μm
以下、さらに好ましくは100yA/μm以下の半導体装置である。なお、オフ電流とは
、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソース電極層とドレイン電極層の間に流れる電
流を指すものとする。
ある。
ート電圧にフラットバンド電位が印加された状態において、10−10/cm3以上10
17/cm3未満とする。
を含む。
Axis Aligned Crystal)、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。
非晶質部は、微結晶、CAACよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、CAACよ
りも欠陥準位密度が高い。なお、CAACを有する酸化物半導体を、CAAC−OS(C
Axis Aligned Crystalline Oxide Semicond
uctor)と呼ぶ。
c軸配向し、a軸または/およびb軸はマクロに揃っていない。
、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、1nm以上10nm未
満のサイズの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を膜中に含む。または、微結晶酸化物半導体
膜は、例えば、1nm以上10nm未満の結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物
半導体を有している。
体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、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、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質
であり、結晶部を有さない。
混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物
半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質
酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、CAAC−OSの領域と、の積層
構造を有してもよい。
たは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部
間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜
の一例としては、CAAC−OS膜がある。
び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体を有している。なお、当該結晶
部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型
電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microsco
pe)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界、結晶
部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には明確な
粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜
は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつab面に垂直
な方向から見て金属原子が三角形状または六角形状に配列し、c軸に垂直な方向から見て
金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部
間で、それぞれa軸およびb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂
直と記載する場合、80°以上100°以下、好ましくは85°以上95°以下の範囲も
含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−10°以上10°以下、好まし
くは−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。
C−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形
成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CA
AC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶
質化することもある。
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、CAAC−OS膜の形
状(被形成面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くこと
がある。また、結晶部は、成膜したとき、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行
ったときに形成される。従って、結晶部のc軸は、CAAC−OS膜が形成されたときの
被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
は、正孔の有効質量(mh*/me(meは裸の電子の静止質量))が約10以上であり
、電子の有効質量(me*/me)が約0.25であるIGZOや、正孔の有効質量が約
2〜3程度であり、電子の有効質量が約0.2であるIn2O3、正孔の有効質量が約2
.3である酸化インジウムガリウム(IGOとも呼ぶ)などが挙げられる。また、金属M
(MはSn、Ti、Zr、Hf、Geのいずれか一)でインジウム原子の一部(典型的に
は0〜10atomic%)を置換した酸化インジウム(In1.875M0.125O
3を一例として表記する)も電子の有効質量に比べて正孔の有効質量が重い酸化物半導体
材料として用いることができる。また、IGZO(In:Ga:Zn=1:1:1)にお
いて、金属M(MはSn、Ti、Zr、Hf、Geのいずれか一)でGaを置換した材料
も電子の有効質量に比べて正孔の有効質量が重い酸化物半導体材料として用いることがで
きる。なお、これらの有効質量の値は、第一原理計算による見積もりである。
効質量を指す。正孔の有効質量は、価電子帯のエネルギー最大の点での曲率を用いて求め
ることができる。
材料は、正孔が縮退して重い正孔と軽い正孔の両方が存在する場合を含まない。縮退して
いるとは、価電子帯のエネルギー最大の点で、同じもしくはほぼ同じエネルギーを有する
バンドが複数存在することをいう。縮退した複数のバンドに対して、それぞれ有効質量が
求められるが、軽い有効質量が存在すれば、軽い正孔が存在することになる。軽い正孔と
は、典型的には有効質量0.5以下の正孔をさす。
材料は、異方性により、方向によって軽い正孔と重い正孔が存在する場合を含む。オフ電
流の流れる方向の正孔の有効質量が重い事が十分に低いオフ電流である半導体装置の実現
にとって重要である。従って、全ての方向で正孔の有効質量が重くなくても良い。
.52である。また、シリコンにおける縦軸方向の電子の有効質量は、0.92、横軸方
向の電子の有効質量は、0.19である。
GaNと大きく異なっている。シリコンやGaNを用いたトランジスタは、軽い正孔の存
在により、有効質量が1以上の重い正孔のみが存在する上記酸化物半導体材料を用いたト
ランジスタと比べてオフ電流が小さくならない。
消費電力を低減できる。
以下の説明に限定されず、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。また、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。
半導体装置および半導体装置の作製方法について、図1(A)を用いて説明する。図1(
A)は、トランジスタ140の断面図の一例である。
、ソース電極層104a、ドレイン電極層104b、ゲート絶縁膜110、ゲート電極1
12を含む。また、トランジスタ140は、絶縁膜114で覆われている。
を有していることが必要となる。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、基板100として用いることができる。また、シリコンや炭化シリコ
ンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導
体基板、SOI基板などを適用す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、基板100として用いてもよい。
ける場合、可撓性基板上に直接的にトランジスタを作り込んでもよいし、他の基板にトラ
ンジスタを形成した後、これを剥離し、可撓性基板に転置しても良い。なお、トランジス
タを剥離し、可撓性基板に転置するためには、上記他の基板とトランジスタとの間に剥離
層を形成すると良い。
化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ガリウム、これ
らの混合材料、などを用いればよい。また、絶縁膜102は、上述の材料を含む絶縁膜の
単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
法などの成膜方法を用いて絶縁膜102を作製することができる。なお、水素や水などが
混入しにくいという点では、スパッタリング法が好適である。本実施の形態では、スパッ
タリング法を用いた膜厚300nmの酸化シリコン膜を用いる。
状の酸化物半導体膜108を形成する。
スパッタリング法などを用いて作製することができる。また、酸化物半導体膜の厚さは、
3nm以上40nm以下とするのが望ましい。酸化物半導体膜を厚くしすぎると(例えば
、膜厚を50nm以上)、トランジスタがノーマリーオンとなってしまうおそれがあるた
めである。
化物半導体材料を用い、例えば、インジウムを含有する酸化物半導体材料や、インジウム
およびガリウムを含有する酸化物半導体材料などがある。
−Zn−O系の材料や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系の材料、In−
Sn−Zn−O系の材料や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系の材料、In−M
g−O系の材料、In−Sn−O系の材料、In−Hf−O系の材料、In−Ti−O系
の材料、In−Zr−O系の材料、In−Ga−O系の材料や、一元系金属酸化物である
In−O系の材料などがある。ここで、例えば、In−Ga−Zn−O系の材料とは、イ
ンジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)を有する酸化物、という意味であり
、その組成は特に問わない。また、InとGaとZn以外の元素を含んでいてもよい。
いたスパッタリング法により形成し、膜厚30nmとする。In−Ga−Zn−O系の酸
化物ターゲットとしては、例えば、組成として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:
1:2[mol数比]の組成の酸化物ターゲットを用いる。なお、ターゲットの材料およ
び組成を上述に限定する必要はない。例えば、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1
:1[mol数比]の酸化物ターゲットを用いることもできる。
00℃以下好ましくは200℃以上400℃以下とする。基板100が加熱された状態で
成膜を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができるためで
ある。また、スパッタリングによる損傷を軽減することができるためである。
分に除去された高純度ガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板100上に酸化物半導
体膜を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、排気手段として、クライオポ
ンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどの吸着型の真空ポンプを用いる
ことが望ましい。また、排気手段は、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたもの
であってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(
H2O)などの水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)などが
除去されているため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低
減できる。
、直流(DC)電源を0.5kW、成膜雰囲気を酸素(酸素流量比率100%)雰囲気と
することができる。
する。この熱処理によって酸化物半導体膜中の水素(水や水酸基を含む)を除去し、酸化
物半導体膜の構造を整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができる。上
記熱処理の温度は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、
または基板の歪み点未満とする。上記熱処理によって絶縁膜102から酸素を供給し、i
型(真性半導体)またはi型に限りなく近い酸化物半導体膜を形成することで、極めて優
れた特性のトランジスタを実現することができる。
化物半導体膜をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォト
リソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法など
の方法を用いてマスクを形成しても良い。
い。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
b(これと同じ層で形成される配線を含む)を形成するための導電膜を形成し、当該導電
膜を加工して、ソース電極層104aおよびドレイン電極層104bを形成する。本実施
の形態ではソース電極およびドレイン電極層を形成するための導電膜として、膜厚100
nmのタングステン膜を用いる。なお、ここで形成されるソース電極層104aの端部と
ドレイン電極層104bの端部との間隔によって、トランジスタ140のチャネル長Lが
決定されることになる。
104bを覆うゲート絶縁膜110を形成する。
絶縁膜110は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、
酸化ガリウム、これらの混合材料、などを用いて形成すればよい。ただし、トランジスタ
のゲート絶縁膜として機能することを考慮して、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イ
ットリウム、ハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加
されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxO
y(x>0、y>0))、などの比誘電率が高い材料を採用しても良い。本実施の形態で
は、スパッタリング法により膜厚100nmの酸化シリコン膜を用いる。
タル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこ
れらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。なお、ゲート電極112は
、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。本実施の形態では、ゲート電極11
2を膜厚15nmの窒化タンタル膜上に膜厚135nmのタングステン膜を積層した積層
構造とする。
。絶縁膜114は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、酸化ガリウム、これらの混合材料、などを用いて形成することができる。本実
施の形態では、絶縁膜114としてスパッタリング法により膜厚300nmの酸化シリコ
ン膜を用いる。
下に理論的な考察を示す。
レイン電極層を構成するタングステンの物性値を、測定手法と共に表1に示す。
の電子親和力は4.6eVと求まるが、ソース電極層及びドレイン電極層の材料であるタ
ングステンの仕事関数5.0eVと近いことがわかる。
と図1(B)が対応している。
ものと仮定する。その場合、オフ電流に寄与する要素として、3つが考えられる。一つ目
は、熱励起した電子のソースからチャネルへの注入、二つ目は、熱励起した正孔のドレイ
ンからチャネルへの注入、三つ目は、正孔のドレインからチャネルへのトンネリングであ
る。
)にバンドのイメージ図を示す。フェルミエネルギーよりも1.6eV高いエネルギーを
持つ電子は、1027個に1個しかない。例えば、伝導帯の実効状態密度が1019個/
cm3としても、伝導帯には10−8個/cm3しかいないことになる。このことは、バ
ンドギャップが大きいことが効いている。
持つ正孔は、1047個に1個しかない。例えば、価電子帯の実効状態密度が1019個
/cm3としても、価電子帯には10−28個/cm3しかいないことになる。このこと
は、イオン化ポテンシャルが大きいことが効いている。
域がn−となっても、Vg<0Vを与えることで、電子のエネルギー障壁を高くできる。
例えばフェルミエネルギーよりも2.8eV高いエネルギーを持つ電子は、1047個に
1個しかない。伝導帯の実効状態密度を1019個/cm3とすると、伝導帯には10−
28個/cm3しかいない。やはり、バンドギャップが大きいことが効いている。
示す。ドレイン電圧Vd>0Vを与えると、エネルギー障壁以上のエネルギーを持つ電子
や正孔が流れる。熱励起によるリーク電流は、1ヨクトアンペア(1yA)よりずっと小
さい値となる。
十分小さく、電子の熱励起によるリークは、バンドギャップが大きいため、Vg<0Vと
することで十分小さくできると考えられる。
であってもShockley−Read−Hall型の間接遷移であっても、下式(1)
で表される。
)のバンドギャップが3.2eV、Siを用いたトランジスタ(以下Si−FETと呼ぶ
)のバンドギャップが1.1eVであるから、式(1)の指数因子の比は、exp(−(
Eg(IGZO)−Eg(Si))/kBT)〜10−35と見積もられる。従って、I
GZO−FETにおける電子正孔対の生成確率は、Si−FETと比較して35桁小さく
、実質無視できることがわかる。
チャネルへの注入(図3の黒丸)、もしくは熱励起した正孔のドレインからチャネルへの
注入(図3の白丸)のいずれかであることを示している。
ギー障壁ΔEele(=EC−EF)を用いると、下式(2)で表される。
(真性半導体を仮定)、Si−FETはΔEele〜0.6eV(Siのp−n接合にお
けるビルトインポテンシャル)と見積もられる。この場合、式(2)の指数因子の比は、
exp(−(ΔEele(IGZO)−ΔEele(Si))/kBT)〜10−17と
なり、IGZO−FETにおける熱励起電子のチャネルへの注入は、Si−FETと比較
して、指数因子が17桁小さくなる(T=300K)。
ることができる。ゲート電圧をΔVgだけシフトしたときの伝導帯端のエネルギーの変化
ΔECは、下式(3)で表される。
では、S値はS=69mV/decadeという良好な値が得られる。式(3)によれば
、ゲート電位を−1Vシフトさせることで、式(2)の指数因子は、exp(−60/6
9/kBT)〜10−15と十分に小さくすることができる。このように、熱励起した電
子のソースからチャネルへの注入によるリーク電流は、ゲート電圧を制御することで、実
質無視できることがわかる。
ネルギー障壁ΔEholeを用いると、下式(4)で表される。
極の仕事関数の差で表され、表1より、ΔEhole=2.8eVとなる。Si−FET
においては、正孔のドレインからチャネルへの注入は、ドレイン領域における少数キャリ
ア密度に比例するため、およそexp(−Eg(Si)/kBT)に比例する。式(4)
の指数因子の比は、下式(5)となる。
ャネルへの注入は、Si−FETと比較して、指数因子が27桁小さく、実質無視できる
ことがわかる(T=300K)。
ネル電流による寄与は、ドレインからチャネルへの正孔のトンネリングと考えられる。
型ポテンシャル障壁を粒子が透過する場合について考える。
0の領域からエネルギーE(0<E<V0)を持つ粒子が障壁に入射し、0≦x≦aの領
域にある障壁をトンネルしてx>aの領域に透過する確率は、シュレーディンガー方程式
を解くことにより、下式(6)で与えられる。
くなるにつれて、透過確率Tはexp(−2ka√γ)の形で指数関数的に小さくなる。
る。つまり、mはタングステンにおける正孔の有効質量(ここでは裸の電子の質量に等し
いと仮定する)、m*はIGZOにおける正孔の有効質量に等しい。
はなく三角型に近いと思われるが、その場合でも透過確率Tの√γに対する指数関数依存
性は変わらない。
関数的に依存することがわかる。仮にV0−E≒1eV、a≒1nmとすると、exp(
−2ka)〜10−5と見積もられ、質量比γが大きくなるにつれて、正孔のトンネル確
率は急激に小さくなる。そこで、以下ではIGZO結晶における正孔の有効質量を求める
ことにする。具体的には、密度汎関数法(DFT)を基にした第一原理計算によってエネ
ルギーバンド構造を調べ、価電子帯端での正孔の有効質量を決定する。
た3層のユニットが、c軸方向に3つ重なった構造がユニットセルとなっている。ユニッ
トセル内の原子数の総数は84個である。
示す手順で求める。
ンシャルDFTを適用し、電子の交換相互作用ポテンシャルにPBE(Perdew−B
urke−Ernzerhof)型のGGA(Generalized Gradien
t Approximation)を採用した。局在基底関数のカットオフエネルギーは
200ryd(≒2.7keV)とし、k点は5×5×3メッシュを用いてサンプリング
した。
ーンを図6(B)に示す。図6(A)には点線丸で伝導帯端601、価電子帯端602を
示している。ここで注目すべきことは、伝導帯の分散に比べて、価電子帯の分散が非常に
フラットになっていることである。
のブリリアンゾーンを示している。
った。表2に価電子帯端の正孔の有効質量を、伝導帯端の電子の有効質量と共に示す。比
較のため、Siにおける正孔の有効質量も記載した。なお、実空間の結晶格子ベクトルの
軸をa軸、b軸、c軸とし、対応する逆格子ベクトルの軸をa*軸、b*軸、c*軸と表
した。
における正孔の有効質量は、約10以上と非常に大きい値となった。これは、Siの正孔
の有効質量(軽い正孔)や、電子の有効質量と比べて約50倍以上である。また、IGZ
Oの電子の有効質量(約0.25)と比べて約40倍以上である。
効質量が10以上の重い正孔により極めて小さくなることがわかる。IGZOの重い正孔
を10とし、Siの重い正孔と比較した場合、仮にV0−E≒1eV、a≒1nmとする
と、式(5)の指数因子の比は、exp(−2ka(√γ(IGZO)−√γ(Si))
)〜10−13と見積もられる。従って、IGZO−FETにおける正孔のトンネリング
確率は、Si−FETと比較して指数因子が13桁小さくなる。実際には、IGZOのバ
ンドギャップがSiのバンドギャップよりも大きいために、さらに小さくなる。
有効質量のほうが大きい結果となった。このことから、ab面に流れる正孔トンネル電流
は、c軸方向を流れる正孔トンネル電流より小さくなると考えられる。
から、トンネルによるリーク電流が小さいことを示した。また、バンドギャップが3.2
eVと大きいこと、及びイオン化ポテンシャルが7.8eVと大きいことの2点から、熱
励起によるリーク電流が十分小さいことを示した。以上の理論的考察により、IGZOを
チャネルに用いたFETにおけるオフ電流が極めて低くできることがわかる。
、IGZO(111)と表記する。また、IGZO(111)の結晶構造を保ったまま、
InとGaの比を変えた材料についても、同様の計算を行った。具体的には、In:Ga
:Zn=3:1:2であるIGZO(以下、IGZO(312)と表記する)、In:G
a:Zn=4:0:2であるIGZO(以下、IGZO(402)と表記する)、In:
Ga:Zn=0:4:2であるIGZO(以下、IGZO(042)と表記する)につい
て計算を行った。IGZO(402)は酸化インジウム亜鉛、IGZO(042)は酸化
ガリウム亜鉛である。これら結果を表3に示す。
できる。具体的には、Siの正孔の有効質量(軽い正孔)や電子の有効質量と比べて20
倍以上である。また、IGZOにおける電子の有効質量(0.2〜0.25)と比べて2
0倍以上である。つまり、IGZO−FETにおいてはInとGaの比によらず、正孔ト
ンネル電流が極めて低いことが予想される。なお、IGZO(042)のc*軸方向のみ
、正孔0.5以下と軽い値となった。
ずれか一)でIn原子の一部(典型的には0〜10atomic%)を置換した材料(I
n1.875M0.125O3)について同様の計算を行った。なお、In原子の16個
に1個を他の元素に置換した材料をIn1.875M0.125O3と記載する。結晶構
造はビックスバイト構造とした。具体的には、上述したIGZOの計算と同様な手法を用
いて、正孔の有効質量を見積もった。なお、k点は5×5×5メッシュを用いてサンプリ
ングした。算出した有効質量の値を表4に示す。なお、表4の材料に対応する逆格子ベク
トルとブリリアンゾーンを示す図が図15である。
ックスバイト構造の酸化インジウムにおいてインジウムの位置は対称性の違う2種類が存
在する。ワイコフ表示でb、およびdと表され、この表示に従って、bサイトのインジウ
ムを置換した材料に(b)を、dサイトのインジウムを置換した材料に(d)を付記した
。
向、b*軸方向、c*軸方向のいずれにおいても2〜3程度と大きな値を示した。これは
、Siの正孔の有効質量(軽い正孔)や、電子の有効質量と比べて10倍以上であり、I
n2O3の重い正孔と考えてよい。また、これは、In2O3の電子の有効質量と比べて
10倍以上である。このことから、これらの材料においても、トンネル電流は極めて低く
なると考えられる。
量が異なる。正孔の有効質量は、軽い軸では、1.4〜2.1程度、重い軸では約4以上
である。軽い軸においても、Siの電子の有効質量や正孔の有効質量と比較して5倍以上
、あるいは10倍以上の有効質量を有する。また、In原子の16個に1個を他の元素に
置換したそれぞれの材料における電子の有効質量と比べても5倍以上、あるいは10倍以
上である。このことから、これらの材料においても、トンネル電流は極めて低くなると考
えられる。
(MはTi、Zr、Hfのいずれか一)で置換した材料について同様の計算を行った。結
晶構造はYbFe2O4構造とした。具体的には、上述したIGZOの計算と同様な手法
を用いて、正孔の有効質量を見積もった。なお、k点は5×5×3メッシュを用いてサン
プリングした。算出した有効質量の値を表5に示す。
Zr:Zn=1:1:1)においては、正孔の有効質量はa*軸方向、b*軸方向におい
て3〜7、c*軸方向においても0.4〜0.5程度となった。a*軸方向とb*軸方向
においては、Siの電子や正孔の有効質量と比較して10倍以上であり、重い正孔である
。また、同じ材料の電子の有効質量の約10倍である。IHfZO(In:Hf:Zn=
1:1:1)においては、正孔の有効質量は2〜8となった。Siの電子や正孔の重さと
比較して10倍以上であり、重い正孔である。また、In原子の16個に1個を他の元素
に置換したそれぞれの材料の電子の有効質量の約10倍(c*軸方向は約5倍以上)であ
る。このことから、これらの材料においては、トンネル電流は極めて低くなると考えられ
る。
った。具体的には、上述したIGZOの計算と同様な手法を用いて、正孔の有効質量を見
積もった。なお、k点は5×5×3メッシュを用いてサンプリングした。算出した有効質
量の値を各物質の結晶構造、イオン化ポテンシャル、バンドギャップ及び電子親和力と共
に表6に示す。なお、In2O3についても再度記した。
質量は0.5以下となった。これらの材料では、軽い正孔によるトンネルが支配的と考え
られ、IGZOとは大きく異なると考えられる。バンドギャップ及び電子親和力の値はい
ずれもIGZOと同程度であるが、これらの材料でFETを作製した場合、IGZO−F
ETと比較して、トンネルによるリーク電流が大きくなり、オフ電流も大きくなる可能性
がある。
れは、SiCやGaNの正孔(軽い正孔)の有効質量よりはずっと重く、Siの電子の有
効質量や正孔の有効質量と比較して10倍以上である。また、同じ材料の電子の有効質量
と比較して約10倍以上である。
起によるリーク電流の寄与も小さいと考えられる。従って、これらの材料でFETを作製
した場合、トンネルによるリーク電流は十分小さく、オフ電流も極めて小さくなると考え
られる。
のような理由で、比較を行うことができる。例えば、n型Si−FETは、n+Siから
なるソース領域及びドレイン領域を有するのに対し、IGZO−FETは真性半導体であ
るIGZOがソース領域及びドレイン領域に直接接続されている。その結果、熱励起によ
るリーク電流は、Si−FETにおいては、ソース領域及びドレイン領域における少数キ
ャリアである正孔の拡散電流であるが、IGZO−FETにおいては、金属とIGZOの
接続部に形成されるエネルギー障壁を超える正孔の注入である。また、トンネル電流は、
Si−FETにおいては、バンド間トンネルであるが、IGZO−FETにおいては、金
属とIGZOの接続部に形成されるエネルギー障壁を横切るトンネル電流である。しかし
ながら、IGZO−FETとSi−FETにおいて、リーク電流の指数因子は同じであり
、上述したようなIGZO−FETとSi−FETとの比較の議論が成り立つ。
ース電極材料及びドレイン電極材料の仕事関数の差をエネルギー障壁として見積もること
ができる。金属の仕事関数は、典型的には5eV程度もしくはそれ以下である。また、エ
ネルギー障壁は1eV、好ましくは2eV以上あれば十分にリーク成分を抑えることが可
能と考えられる。従って、チャネル部に用いる材料のイオン化ポテンシャルは、6eV以
上、より好適には7eV以上であることが好ましい。
幅やエネルギー障壁が同じであっても、正孔の有効質量がSiにおける電子や正孔の有効
質量と比べて5倍以上、つまり有効質量が1以上であれば、Siにおけるトンネル電流の
ルート5乗以下、つまり2乗以下となり、非常に小さくなる。さらに好ましくは、正孔の
有効質量がSiにおける電子や正孔の有効質量と比べて10倍以上、つまり2以上であれ
ば、Siにおけるトンネル電流のルート10乗以下、つまり3乗以下となり、非常に小さ
くなり好ましい。
ンネル電流と正孔のトンネル電流の両方の寄与が考えられる。電子と正孔が同じ有効質量
の場合には、それぞれ同じだけ電流に寄与するが、正孔の有効質量が電子の有効質量に比
べて重いと、正孔の電流の寄与が減り、電子のトンネル電流の寄与が残る。このような場
合には、同材料の電子の有効質量と正孔の有効質量の比も重要である。電子の有効質量は
、トランジスタの移動度やオン電流にとって小さいことが好ましい。正孔の有効質量は、
トンネル電流を抑制するために大きいことが好ましい。電子によるトンネル電流の寄与に
対して十分小さくなれば有効である。典型的には、正孔の有効質量は、電子の有効質量の
5倍、好ましくは10倍、さらに好ましくは20倍であるとトンネル電流の低減に有効で
ある。
なるために、熱によるリーク電流が十分に小さくならないと考えられる。一方、バンドギ
ャップが4eVより大きいと、ソース電極またはドレイン電極との間にショットキー接合
が形成され、トランジスタのオン電流が十分に得られない場合が多いと考えられる。従っ
て、バンドギャップは、2eV以上、4eV以下が好ましい。
ア密度は、10−10/cm3以上1017/cm3未満であることが好ましい。より好
ましくは、1016/cm3未満である。キャリア密度が1017/cm3以上では、ゲ
ート電極に負電位を与えてもトランジスタを十分にオフにすることが難しくなる。つまり
、オフ電流を十分に下げることが難しくなる。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体(メモリ素子)を示す。本実施の
形態では、実施の形態1において示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導
体以外の材料を用いたトランジスタとを同一基板上に形成する。
B)には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図8(A)は、図8(B)のC
1−C2およびD1−D2における断面に相当する。また、図8(C)には、上記半導体
装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図8(A)および図8(B)
に示される半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ240を有し、
上部に実施の形態1で示したトランジスタ140を有する。なお、トランジスタ140は
、第2の半導体材料として酸化物半導体を用いている。本実施の形態では、第1の半導体
材料を酸化物半導体以外の半導体材料とする。酸化物半導体以外の半導体材料としては、
例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウ
ムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好ましい。このような半導体材
料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタは、オフ電流が極めて低くできる特性により長時間の電荷保持を可能とする。
00に設けられたチャネル形成領域216と、チャネル形成領域216を挟むように設け
られた不純物領域220と、不純物領域220に接する金属間化合物領域224と、チャ
ネル形成領域216上に設けられたゲート絶縁膜208と、ゲート絶縁膜208上に設け
られたゲート電極210と、を有する。
晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用す
ることができる。なお、一般に「SOI基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体膜が設け
られた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料か
らなる半導体膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「SOI基板」が有する半導体
膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、SOI基板には、ガラス基板などの絶縁
基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
り、トランジスタ240を覆うように絶縁膜228および絶縁膜230が設けられている
。なお、高集積化を実現するためには、図8(A)に示すようにトランジスタ240がサ
イドウォール絶縁膜を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ240
の特性を重視する場合には、ゲート電極210の側面にサイドウォール絶縁膜を設け、不
純物濃度が異なる領域を含む不純物領域220を設けても良い。
またはガリウムヒ素等を用いて作製することができる。このようなトランジスタ240は
、高速動作が可能であるという特徴を有する。このため、当該トランジスタを読み出し用
のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。
処理として、絶縁膜228や絶縁膜230にCMP処理を施して、ゲート電極210の上
面を露出させる。ゲート電極210の上面を露出させる処理としては、CMP処理の他に
エッチング処理などを適用することも可能であるが、トランジスタ140の特性を向上さ
せるために、絶縁膜228や絶縁膜230の表面は可能な限り平坦にしておくことが望ま
しい。
した後、当該酸化物半導体膜を選択的にエッチングして酸化物半導体膜108を形成する
。酸化物半導体膜は、実施の形態1に示す材料及び形成プロセスを用いる。
ソース電極104a、ドレイン電極104bを形成する。
いて形成することができる。また、導電膜の材料としては、Al、Cr、Cu、Ta、T
i、Mo、Wから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができ
る。Mn、Mg、Zr、Be、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた
材料を用いてもよい。
ン膜や窒化チタン膜の単層構造、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウ
ム膜上にチタン膜が積層された2層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された2層構
造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された3層構造などが挙げられる。な
お、導電膜を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有す
るソース電極104a、およびドレイン電極104bへの加工が容易であるというメリッ
トがある。
電極104bの下端部の間隔によって決定される。なお、チャネル長(L)が25nm未
満のトランジスタを形成する場合に用いるマスク形成の露光を行う際には、数nm〜数1
0nmと波長の短い超紫外線を用いるのが望ましい。
0は、実施の形態1に示す材料及び形成プロセスを用いる。
112aを形成し、ソース電極104aと重畳する領域に電極112bを形成する。
加酸化などとも呼ぶ)を行うのが望ましい。熱処理の温度は、200℃以上450℃以下
、望ましくは250℃以上350℃以下である。例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時
間の熱処理を行えばよい。熱処理を行うことによって、トランジスタの電気的特性のばら
つきを軽減することができる。
極の形成後に加酸化を目的とする熱処理を行っても良い。また、脱水化等を目的とする熱
処理に続けて加酸化を目的とする熱処理を行っても良いし、脱水化等を目的とする熱処理
に加酸化を目的とする熱処理を兼ねさせても良いし、加酸化を目的とする熱処理に脱水化
等を目的とする熱処理を兼ねさせても良い。
る熱処理とを適用することで、酸化物半導体膜108を不純物が極力含まれないように高
純度化することができる。
に、当該導電膜を選択的にエッチングすることによって形成することができる。
1および絶縁膜152を形成する。絶縁膜151および絶縁膜152は、スパッタ法やC
VD法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒
化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム等の無機絶縁材料を含む
材料を用いて形成することができる。
にまで達する開口を形成する。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチン
グにより行われる。
6を形成する。
した後、エッチング処理やCMPといった方法を用いて、上記導電膜の一部を除去するこ
とにより形成することができる。
を用いて導電膜を形成した後、当該導電膜をパターニングすることによって形成される。
また、導電膜の材料としては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元
素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Mn、Mg、Zr、Be
、Nd、Scのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。詳細は
、ソース電極104aまたはドレイン電極104bなどと同様である。
容量素子164が完成する。容量素子164は、ソース電極104a、酸化物半導体膜1
08、ゲート絶縁膜110、および電極112b、で構成される。
せることにより、ソース電極104aと、電極112bとの間の絶縁性を十分に確保する
ことができる。もちろん、十分な容量を確保するために、酸化物半導体膜108を有しな
い構成の容量素子164を採用しても良い。さらに、容量が不要の場合は、容量素子16
4を設けない構成とすることも可能である。
図8(C)において、トランジスタ140のソース電極またはドレイン電極の一方と、容
量素子164の電極の一方と、トランジスタ240のゲート電極と、は電気的に接続され
ている。また、第1の配線(1st Line:ソース線とも呼ぶ)とトランジスタ24
0のソース電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line:ビット線とも
呼ぶ)とトランジスタ240のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第3
の配線(3rd Line:第1の信号線とも呼ぶ)とトランジスタ140のソース電極
またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line:第
2の信号線とも呼ぶ)と、トランジスタ140のゲート電極とは、電気的に接続されてい
る。そして、第5の配線(5th Line:ワード線とも呼ぶ)と、容量素子164の
電極の他方は電気的に接続されている。
ているため、トランジスタ140をオフ状態とすることで、トランジスタ140のソース
電極またはドレイン電極の一方と、容量素子164の電極の一方と、トランジスタ240
のゲート電極とが電気的に接続されたノード(以下、ノードFG)の電位を極めて長時間
にわたって保持することが可能である。そして、容量素子164を有することにより、ノ
ードFGに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易
になる。
ジスタ140がオン状態となる電位にして、トランジスタ140をオン状態とする。これ
により、第3の配線の電位が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄積
される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下、ロー(Low)レベル
電荷、ハイ(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の配線の電位を、トランジスタ140がオフ状態となる電位にして、トランジスタ
140をオフ状態とすることにより、ノードFGが浮遊状態となるため、ノードFGには
所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードFGに所定量の電荷を
蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
間にわたって保持される。したがって、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り、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。
えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、ノードFGに保持さ
れた電荷量に応じて、トランジスタ240は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ2
40をnチャネル型とすると、ノードFGにHighレベル電荷が保持されている場合の
トランジスタ240の見かけのしきい値Vth_Hは、ノードFGにLowレベル電荷が
保持されている場合のトランジスタ240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、見かけのしきい値とは、トランジスタ240を「オン状態」とするた
めに必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVth
_HとVth_Lの間の電位V0とすることにより、ノードFGに保持された電荷を判別
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の配線の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ240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の配線の電位がV0(<Vth
_L)となっても、トランジスタ240は「オフ状態」のままである。このため、第5の
配線の電位を制御して、トランジスタ240のオン状態またはオフ状態を読み出す(第2
の配線の電位を読み出す)ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
荷を保持したノードFGに、新たな電位を供給することで、ノードFGに新たな情報に係
る電荷を保持させる。具体的には、第4の配線の電位を、トランジスタ140がオン状態
となる電位にして、トランジスタ140をオン状態とする。これにより、第3の配線の電
位(新たな情報に係る電位)が、ノードFGに供給され、ノードFGに所定量の電荷が蓄
積される。その後、第4の配線の電位をトランジスタ140がオフ状態となる電位にして
、トランジスタ140をオフ状態とすることにより、ノードFGには、新たな情報に係る
電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードFGに第1の書き込みによって所定量の
電荷が保持された状態で、第1の書き込みと同様の動作(第2の書き込み)を行うことで
、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
い酸化物半導体膜108を用いることで、トランジスタ140のオフ電流を十分に低減す
ることができる。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期にわたり
記憶内容を保持することが可能で、信頼性の高い半導体装置が得られる。
40を重畳させることで、集積度が十分に高められた半導体装置が実現される。
宜組み合わせて用いることができる。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、上記実施の形態1に開示したトランジスタ
を少なくとも一部に用いたCPU(Central Processing Unit)
について説明する。
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11
93、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ
1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I
/F)、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース1189(ROM
I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを
用いる。ROM1199及び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9(A)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。
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。
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアド
レスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
2、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、及びレ
ジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイ
ミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号C
LK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各
種回路に供給する。
スタ1196のメモリセルには、上記実施の形態2に開示したメモリセルを用いることが
できる。
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。
電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け
ることにより行うことができる。以下に図9(B)及び図9(C)の回路の説明を行う。
素子に、上記実施の形態2に開示した記憶回路の構成の一例を示す。
有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には、実
施の形態2に記載されているメモリセルを用いることができる。メモリセル群1143が
有する各メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電
源電位VDDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリセル1
142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。
ジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極に与えられる信号SigAによ
りスイッチングが制御される。
を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング
素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、
上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよい
し、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
る各メモリセル1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されているが、
スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されていて
もよい。
チング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、記憶装置
の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモ
リセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。
イッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合
においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具
体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置へ
の情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消
費電力を低減することができる。
rocessor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmabl
e Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用すること
ができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型
或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Digital
Versatile Disc)などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生す
る画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレ
オ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話
、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機
器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装
置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器
洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵
庫、DNA保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げ
られる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用
ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや
、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範
疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と
電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)
、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付
自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコ
プター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。
これらの電子機器の具体例を図10に示す。
筐体9001に表示部9003が組み込まれており、表示部9003により映像を表示す
ることが可能である。なお、4本の脚部9002により筐体9001を支持した構成を示
している。また、電力供給のための電源コード9005を筐体9001に有している。
器の低消費電力を実現することができる。
表示された表示ボタン9004を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力するこ
とができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面
操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、イメージセ
ンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部9003にタッチ入力機能を持たせるこ
とができる。
直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大
きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに
表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
着するための固定部3022と、スピーカ、操作ボタン3024、外部メモリスロット3
025等が設けられている。実施の形態1のトランジスタ、または実施の形態2に示した
メモリを本体3021に内蔵されているメモリやCPUなどに適用することにより、より
省電力化された携帯音楽プレイヤーとすることができる。
せ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリー
での会話も可能である。
9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス92
06等を含む。コンピュータは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置をその表
示部9203に用いることにより作製される。実施の形態3に示したCPUを利用すれば
、省電力化されたコンピュータとすることが可能となる。
は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、表示部9631a、表示部
9631b、表示モード切り替えスイッチ9034、電源スイッチ9035、省電力モー
ド切り替えスイッチ9036、留め具9033、操作スイッチ9038、を有する。
にメモリが使用されている。例えば、実施の形態2に説明した半導体装置をメモリとして
使用することができる。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリに採用することに
よって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費
電力が十分に低減することができる。
示された操作キー9638にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部
9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分
の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部
9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示
部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631b
を表示画面として用いることができる。
をタッチパネルの領域9632bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード
表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで
表示部9631bにキーボードボタン表示することができる。
ッチ入力することもできる。
り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイ
ッチ9036は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の
光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサ
だけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内
蔵させてもよい。
ているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示
の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネル
としてもよい。
33、充放電制御回路9634、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有
する。なお、図11(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリー9635
、DCDCコンバータ9636を有する構成について示している。
することができる。従って、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、耐
久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻など
を表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入
力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有するこ
とができる。
表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐
体9630の片面又は両面に設けることができ、バッテリー9635の充電を効率的に行
う構成とすることができる。なおバッテリー9635としては、リチウムイオン電池を用
いると、小型化を図れる等の利点がある。
)にブロック図を示し説明する。図11(C)には、太陽電池9633、バッテリー96
35、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、
表示部9631について示しており、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636
、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3が、図11(B)に示す充放電制御回
路9634に対応する箇所となる。
太陽電池で発電した電力は、バッテリー9635を充電するための電圧となるようDCD
Cコンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽
電池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ96
37で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部96
31での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリー96
35の充電を行う構成とすればよい。
電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段によるバッ
テリー9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受
信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成
としてもよい。
組み込まれており、表示部8002により映像を表示し、スピーカ部8003から音声を
出力することが可能である。実施の形態1に示すトランジスタを用いて表示部8002の
スイッチング素子またはドライバー回路に用いることが可能である。
置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Devic
e)、PDP(Plasma Display Panel)などの、半導体表示装置を
用いることができる。
置8000は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを
介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から
受信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行う
ことも可能である。
てもよい。テレビジョン装置8000は、実施の形態2に示すメモリや、実施の形態3に
示すCPUを用いることが可能である。
ーは、実施の形態3のCPUを用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機8200
は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図12(A)において
、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、CPU8
203は室外機8204に設けられていてもよい。或いは、室内機8200と室外機82
04の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。実施の形態3に示したCPUは
、酸化物半導体を用いたCPUであるため、省電力に優れたエアコンディショナーを実現
できる。
る電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室
用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図12(A)では、C
PU8304が、筐体8301の内部に設けられている。実施の形態3に示したCPUを
電気冷凍冷蔵庫8300のCPU8304に用いることによって省電力化が図れる。
。電気自動車9700には、二次電池9701が搭載されている。二次電池9701の電
力は、制御回路9702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御
回路9702は、図示しないROM、RAM、CPU等を有する処理装置9704によっ
て制御される。実施の形態3に示したCPUを電気自動車9700のCPUに用いること
によって省電力化が図れる。
組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報
(加速、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負
荷情報など)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路9
702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エ
ネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合
は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
。なお、オフ電流を検知するためにチャネル幅1mとし、チャネル長3μmのサイズのト
ランジスタを用い、室温で測定した。
A以下、あるいは1×10−14A以下であることがわかる。これらをチャネル幅1μm
あたりに換算すると、それぞれ1×10−19A/μm(100zA/μm)以下、ある
いは1×10−20A/μm(10zA/μm)以下となる。一方、オフ電流は、半導体
パラメータアナライザの測定下限(1×10−13A)以下であり、正確な値を見積もる
ことはできなかった。しかし、長時間の測定による精密な評価を行うことで、150°C
においてチャネル幅1μmあたり約10zA(ゼプトアンペア)、125°Cにおいてチ
ャネル幅1μmあたり約2zA(ゼプトアンペア)85°Cにおいてチャネル幅1μmあ
たり約50yA(ヨクトアンペア)の値が得られた。この測定によって得られたアレニウ
ス・プロットを図16のグラフに示す。このグラフによると27°Cでのトランジスタの
オフ電流は、2×10−26A/μmと見積もることができる。このときのゲート絶縁膜
厚は100nm、ドレイン電圧は3V、ゲート電圧は−3Vである。なお、このように小
さいオフ電流については、実施の形態1に示したように理論的に実証できている。
102 絶縁膜
104a ソース電極
104b ドレイン電極
108 酸化物半導体膜
110 ゲート絶縁膜
112 ゲート電極
112a ゲート電極
112b 電極
114 絶縁膜
140 トランジスタ
151 絶縁膜
152 絶縁膜
154 電極
156 配線
164 容量素子
200 基板
206 素子分離絶縁膜
208 ゲート絶縁膜
210 ゲート電極
216 チャネル形成領域
220 不純物領域
224 金属間化合物領域
228 絶縁膜
230 絶縁膜
240 トランジスタ
601 伝導帯端
602 価電子帯端
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
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
8000 テレビジョン装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9000 テーブル
9001 筐体
9002 脚部
9003 表示部
9004 表示ボタン
9005 電源コード
9033 具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9201 本体
9202 筐体
9203 表示部
9204 キーボード
9205 外部接続ポート
9206 ポインティングデバイス
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (10)
- ゲート電極層と、ゲート絶縁層と、有効質量が電子に比べて少なくとも5倍以上の重い正孔を持つ酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層と接するソース電極層と、前記酸化物半導体層と接するドレイン電極層とを有するトランジスタを備え、
前記ドレイン電極層の材料の仕事関数は、前記酸化物半導体層の酸化物半導体の電子親和力よりも大きく、
前記トランジスタのオフ電流密度は、チャネル幅1μmあたり、100zA/μm以下である半導体装置。 - 請求項1において、
前記トランジスタのチャネル長は5nm以上500nm以下であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記酸化物半導体層のバンドギャップは、2eV以上4eV以下である半導体装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一において、
前記トランジスタのチャネル形成領域におけるキャリア密度は、10−10/cm3以上1017/cm3未満とすることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記トランジスタのチャネル形成領域は、c軸配向している結晶を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムを含み、ガリウム、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、亜鉛、ゲルマニウムから選ばれる一または複数含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一において、
前記ソース電極層及び前記ドレイン電極層はタングステンを含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至8のいずれか一において、
前記酸化物半導体層が持つ正孔の有効質量は、1以上であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至8のいずれか一において、
前記酸化物半導体層が持つ正孔の有効質量は、10以上であることを特徴とする半導体装置。
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