JP2018098291A - Semiconductor device, and method of operating semiconductor device - Google Patents

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JP2018098291A JP2016239463A JP2016239463A JP2018098291A JP 2018098291 A JP2018098291 A JP 2018098291A JP 2016239463 A JP2016239463 A JP 2016239463A JP 2016239463 A JP2016239463 A JP 2016239463A JP 2018098291 A JP2018098291 A JP 2018098291A
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宮入 秀和
Hidekazu Miyairi
秀和 宮入
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of operating a semiconductor device that enables a semiconductor device to hold data for a long period of time.SOLUTION: There is provided the method of operating a semiconductor device which comprises: a first transistor including a first gate, an insulator on the first gate, first and second conductors on the insulator, a first oxide on the insulator and the first and second conductors, and a second gate on the first oxide; a second transistor including a third gate, a second oxide on the third gate, and a fourth gate on the second oxide; and a capacitative element, the first conductor, the third gate, and one electrode of the capacitative element being electrically connected to one another. A first positive potential is applied to the first gate to inject first electric charges to the insulator, and a ground potential is applied to the first gate to hold the first electric charges in the insulator. A second positive potential lower than the first positive potential is applied to the second gate, and a first negative potential is applied to the second conductor, the ground potential is applied to the first and second gates and the second conductor to hold the second electric charge in the capacitative element.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。本発明の一態様は、半導体装置の動作方法に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device. One embodiment of the present invention relates to a method for operating a semiconductor device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、又は、製造方法に関するものである。又は、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。   Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).

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得る装置全般を指す。記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は、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 all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A memory device, a display device, a light-emitting device, a lighting device, an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.

近年は、酸化物半導体を用いたトランジスタが注目されている。特許文献1には、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ(以下「酸化物半導体トランジスタ」という。)を、DRAM(Dynamic Random Access Memory)に用いた例が開示されている。酸化物半導体トランジスタは、オフ状態でのリーク電流(オフ電流ともいう。)が非常に小さいので、リフレッシュ期間が長く、消費電力の少ないDRAMを作製することができる。   In recent years, transistors using an oxide semiconductor have attracted attention. Patent Document 1 discloses an example in which a transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region (hereinafter referred to as an “oxide semiconductor transistor”) is used in a DRAM (Dynamic Random Access Memory). An oxide semiconductor transistor has a very small leakage current in an off state (also referred to as off-state current); thus, a DRAM with a long refresh period and low power consumption can be manufactured.

また、特許文献2には、酸化物半導体トランジスタを用いた不揮発性メモリが開示されており、当該不揮発性メモリは、フラッシュメモリとは異なり、書き換え可能回数に制限がなく、高速な動作が容易に実現でき、また、消費電力も少ないという特徴を有する。   Patent Document 2 discloses a non-volatile memory using an oxide semiconductor transistor. Unlike a flash memory, the non-volatile memory has no limit on the number of rewritable times and can easily operate at high speed. It can be realized and has low power consumption.

また、特許文献2には、酸化物半導体トランジスタに第2のゲートを設けて、トランジスタの閾値を制御し、トランジスタのオフ電流を下げた例が開示されている。   Patent Document 2 discloses an example in which a second gate is provided in an oxide semiconductor transistor, the threshold value of the transistor is controlled, and the off-state current of the transistor is reduced.

また、特許文献2及び特許文献3には、上述の第2のゲートを駆動するための回路の構成例が開示されている。   Patent Documents 2 and 3 disclose configuration examples of circuits for driving the above-described second gate.

特開2013−168631号公報JP2013-168631A 特開2012−069932号公報JP 2012-069932 A 特開2012−146965号公報JP 2012-146965 A

本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、良好な信頼性を有する半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な記憶装置及び記憶装置の動作方法を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる記憶装置及び記憶装置の動作方法を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、新規な半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することを課題の一とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can hold data for a long period of time and a method for operating the semiconductor device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can reduce power consumption and a method for operating the semiconductor device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electrical characteristics and a method for operating the semiconductor device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable reliability and a method for operating the semiconductor device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a memory device that can hold data for a long period of time and a method for operating the memory device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a memory device that can reduce power consumption and a method for operating the memory device. An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device and a method for operating the semiconductor device.

なお、複数の課題の記載は、互い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解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、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、これらの課題も、本発明の一形態の課題となり得る。   Note that the description of a plurality of tasks does not disturb each other's existence. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Problems other than those listed will be apparent from descriptions of the specification, drawings, claims, and the like, and these problems may also be a problem of one embodiment of the present invention.

本発明の一態様は、第1のゲートと、第1のゲート上の絶縁体と、絶縁体上の第1及び第2の導電体と、絶縁体、第1及び第2の導電体上の第1の酸化物と、第1の酸化物上の第2のゲートと、を有する第1のトランジスタと、第3のゲートと、第3のゲート上の第2の酸化物と、第2の酸化物上の第4のゲートと、を有する第2のトランジスタと、容量素子と、を有する半導体装置であって、第1の導電体と、第3のゲートと、容量素子の一方の電極とは、電気的に接続され、第2のゲートと、第1の導電体とが、重なる領域において、第1のゲートのチャネル幅方向の長さが、第1の導電体のチャネル幅方向の長さよりも短い半導体装置である。   One embodiment of the present invention includes a first gate, an insulator over the first gate, first and second conductors over the insulator, and an insulator over the first and second conductors. A first transistor having a first oxide; a second gate on the first oxide; a third gate; a second oxide on the third gate; A semiconductor device including a second transistor having a fourth gate over an oxide, and a capacitor, the first conductor, a third gate, and one electrode of the capacitor Is electrically connected, and in the region where the second gate and the first conductor overlap, the length of the first gate in the channel width direction is the length of the first conductor in the channel width direction. This is a shorter semiconductor device.

また、本発明の一態様は、第2のゲートと、第2の導電体とが、重なる領域において、第1のゲートのチャネル幅方向の長さが、第2の導電体のチャネル幅方向の長さよりも短くてもよい半導体装置である。   According to one embodiment of the present invention, in a region where the second gate and the second conductor overlap with each other, the length in the channel width direction of the first gate is in the channel width direction of the second conductor. The semiconductor device may be shorter than the length.

また、本発明の一態様は、第1のトランジスタの閾値電圧のほうが、第2のトランジスタの閾値電圧よりも大きくてもよい半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the threshold voltage of the first transistor may be larger than the threshold voltage of the second transistor.

また、本発明の一態様は、絶縁体が、第1乃至第3の絶縁膜を有し、第1及び第3の絶縁膜は、第2の絶縁膜よりも電子親和力が小さくてもよい半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor in which the insulator includes first to third insulating films, and the first and third insulating films may have an electron affinity smaller than that of the second insulating film. Device.

また、本発明の一態様は、第1及び第3の絶縁膜が、第2の絶縁膜よりもバンドギャップが大きくてもよい半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the first and third insulating films may have a larger band gap than the second insulating film.

また、本発明の一態様は、第1の酸化物が、第1のトランジスタのチャネル形成領域を有し、第2の酸化物が、第2のトランジスタのチャネル形成領域を有し、第1の導電体が、第1のトランジスタのソース又はドレインの一方の機能を有していてもよい半導体装置である。   According to one embodiment of the present invention, the first oxide includes a channel formation region of the first transistor, the second oxide includes a channel formation region of the second transistor, In the semiconductor device, the conductor may have one function of a source and a drain of the first transistor.

また、本発明の一態様は、第1の導電体と、第2のゲートとが、電気的に接続されていなくてもよい半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the first conductor and the second gate may not be electrically connected.

また、本発明の一態様は、第1の導電体と、第2のゲートとが、電気的に接続されていてもよい半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which a first conductor and a second gate may be electrically connected.

また、本発明の一態様は、第1及び第2の酸化物が、金属酸化物を含んでいてもよい半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor device in which the first and second oxides may contain a metal oxide.

また、本発明の一態様は、第1のゲートと、第1のゲート上の絶縁体と、絶縁体上の第1及び第2の導電体と、絶縁体、第1及び第2の導電体上の第1の酸化物と、第1の酸化物上の第2のゲートと、を有する第1のトランジスタと、第3のゲートと、第3のゲート上の第2の酸化物と、第2の酸化物上の第4のゲートと、を有する第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、第1の導電体と、第3のゲートと、容量素子の一方の電極とが、電気的に接続された半導体装置の動作方法であって、第1のトランジスタは、第1のゲートに第1の正電位を印加して、絶縁体に第1の電荷を注入し、第1のゲートに接地電位を印加して、第1の電荷を前記絶縁体に保持し、第2のゲートに、第1の正電位よりも小さい第2の正電位を印加し、第2の導電体に第1の負電位を印加し、第1及び前記第2のゲート、第2の導電体に接地電位を印加して、容量素子に第2の電荷を保持する半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a first gate, an insulator over the first gate, first and second conductors over the insulator, insulator, first and second conductors. A first transistor having a first oxide on the first gate and a second gate on the first oxide; a third gate; a second oxide on the third gate; A second transistor having a fourth gate over the oxide of 2 and a capacitor, and the first conductor, the third gate, and one electrode of the capacitor are In the operating method of the electrically connected semiconductor device, the first transistor applies a first positive potential to the first gate, injects a first charge into the insulator, A ground potential is applied to the gate to hold the first charge in the insulator, a second positive potential smaller than the first positive potential is applied to the second gate, A semiconductor device operating method in which a first negative potential is applied to a conductor, a ground potential is applied to the first and second gates and the second conductor, and a second charge is held in the capacitor. is there.

また、本発明の一態様は、第1のトランジスタの閾値電圧のほうが、第2のトランジスタの閾値電圧より大きくてもよい半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a method for operating a semiconductor device, in which a threshold voltage of a first transistor may be higher than a threshold voltage of a second transistor.

また、本発明の一態様は、絶縁体が、第1乃至第3の絶縁膜を有し、第1及び第3の絶縁膜は、第2の絶縁膜よりも電子親和力が小さくてもよい半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor in which the insulator includes first to third insulating films, and the first and third insulating films may have an electron affinity smaller than that of the second insulating film. It is an operation method of the apparatus.

また、本発明の一態様は、第1及び第3の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜よりもバンドギャップが大きくてもよい半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a method for operating a semiconductor device, in which the first and third insulating films may have a band gap larger than that of the second insulating film.

また、本発明の一態様は、第1の酸化物が、第1のトランジスタのチャネル形成領域を有し、第2の酸化物が、第2のトランジスタのチャネル形成領域を有し、第1の導電体が、第1のトランジスタのソース又はドレインの一方の機能を有していてもよい半導体装置の動作方法である。   According to one embodiment of the present invention, the first oxide includes a channel formation region of the first transistor, the second oxide includes a channel formation region of the second transistor, In the semiconductor device operation method, the conductor may have one function of a source and a drain of the first transistor.

また、本発明の一態様は、第1の導電体と、第2のゲートとが、電気的に接続されていなくてもよい半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a method for operating a semiconductor device in which the first conductor and the second gate do not have to be electrically connected to each other.

また、本発明の一態様は、第1の導電体と、第2のゲートとが、電気的に接続されていてもよい半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a method for operating a semiconductor device in which the first conductor and the second gate may be electrically connected.

また、本発明の一態様は、第1及び第2の酸化物が、金属酸化物を含んでいてもよい半導体装置の動作方法である。   Another embodiment of the present invention is a method for operating a semiconductor device, in which the first and second oxides may include a metal oxide.

本発明の一態様により、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することができる。本発明の一態様により、消費電力を抑えることができる半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することができる。本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することができる。本発明の一態様により、良好な信頼性を有する半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することができる。本発明の一態様により、長期間においてデータの保持が可能な記憶装置及び記憶装置の動作方法を提供することができる。本発明の一態様により、消費電力を抑えることができる記憶装置及び記憶装置の動作方法を提供することができる。本発明の一態様により、新規な半導体装置及び半導体装置の動作方法を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of retaining data for a long period of time and a method for operating the semiconductor device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can reduce power consumption and a method for operating the semiconductor device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electrical characteristics and a method for operating the semiconductor device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable reliability and a method for operating the semiconductor device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a memory device that can hold data for a long time and a method for operating the memory device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a memory device that can reduce power consumption and a method for operating the memory device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device and a method for operating 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、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。   Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention need not have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係る、半導体装置の一例を示す回路図及びトランジスタの電気特性を示す図。6A and 6B are a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention and a graph illustrating electrical characteristics of a transistor. 本発明の一態様に係る、半導体装置の一例を示す回路図及びトランジスタの電気特性を示す図。6A and 6B are a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention and a graph illustrating electrical characteristics of a transistor. 本発明の一態様に係る、半導体装置の動作例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、半導体装置の動作例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、半導体装置の動作例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、半導体装置の動作例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、不揮発性メモリの回路構成の一例を示す回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of a nonvolatile memory according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、DRAMの回路構成の一例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of a DRAM according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、レジスタの回路構成の一例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of a register according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、表示装置の回路構成の一例を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of a display device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの上面図及び断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの上面図及び断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a transistor according to one embodiment of the present invention. 金属酸化物のエネルギーバンド構造を説明する図。3A and 3B each illustrate an energy band structure of a metal oxide. 本発明の一態様に係る、トランジスタの概略模式図とチャージトラップ層のバンド図。4A and 4B are a schematic diagram of a transistor and a band diagram of a charge trap layer according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタのチャージトラップ層への電子注入時におけるVg−Id特性及びVthの変化を示す図。6A and 6B illustrate changes in Vg-Id characteristics and Vth during electron injection into a charge trap layer of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、トランジスタの作製方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、CPUの構成例を示すブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a structure example of a CPU according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、電子機器の一例を示す斜視図。FIG. 14 is a perspective view illustrating an example of an electronic device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る、RFタグの使用例を示す斜視図。FIG. 10 is a perspective view illustrating an example of using an RF tag according to one embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description in the following embodiments, and those skilled in the art can easily understand that the forms and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments. Note that in describing the structure of the present invention with reference to drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings. In addition, when referring to the same thing, a hatch pattern is made the same and there is a case where it does not attach a code in particular.

なお、図において、大きさ、膜(層)の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。   Note that the size, the thickness of films (layers), or regions in drawings is sometimes exaggerated for simplicity.

なお、本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。   In the present specification and the like, ordinal numbers such as “first” and “second” are used for avoiding confusion between components, and are not limited numerically.

なお、電圧とは、ある電位と、基準の電位(例えば、接地電位(GND)又はソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。   Note that the voltage often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential). Thus, a voltage can be rephrased as a potential.

なお、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。   Note that the functions of the “source” and “drain” of the transistor may be interchanged when a transistor with a different polarity is used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(又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)とゲート電極とが互いに重なる領域、又はチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域又はソース電極)とドレイン(ドレイン領域又はドレイン電極)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。すなわち、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、最小値又は平均値とする。   Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. 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.

また、チャネル幅とは、例えば、半導体(又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)とゲート電極とが互いに重なる領域、又はチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、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、最小値又は平均値とする。   The channel width refers to, for example, a source and a drain in a region where a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a region where a channel is formed Is the length of the part facing each other. 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.

また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、エンハンスメント型(ノーマリーオフ型)の電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、nチャネル型のトランジスタとする。よって、そのVth(閾値電圧)は、明示されている場合を除き、0Vよりも大きいものとする。なお、本明細書等において、Vthとは、トランジスタのゲート電位Vg[V]を横軸、ドレイン電流の平方根Id1/2[A]を縦軸としてプロットしたVg−Id曲線において、曲線上の傾きが最大である点における接線と、Id1/2=0の直線(すなわち、Vg軸)との交点におけるゲート電位と定義する。 The transistors described in this specification and the like are enhancement-type (normally-off-type) field effect transistors unless otherwise specified. The transistors described in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, the Vth (threshold voltage) is assumed to be larger than 0 V unless otherwise specified. Note that in this specification and the like, Vth is a Vg-Id curve plotted with the gate potential Vg [V] of a transistor as the horizontal axis and the square root Id 1/2 [A] of the drain current as the vertical axis. It is defined as the gate potential at the intersection of the tangent at the point where the slope is maximum and the straight line of Id 1/2 = 0 (ie, Vg axis).

また、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。   In this specification and the like, a silicon oxynitride film refers to a film having a higher oxygen content than nitrogen as the composition, and a silicon nitride oxide film has a nitrogen content as compared to oxygen as a composition. Refers to membranes with a lot of

また、本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む。)、酸化物半導体(Oxide Semiconductor又は単にOSともいう。)などに分類される。例えば、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。また、OS FETと記載する場合においては、金属酸化物又は酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。   In this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad expression. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors or simply OS), and the like. For example, in the case where a metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. In other words, when a metal oxide has at least one of an amplifying function, a rectifying function, and a switching function, the metal oxide can be referred to as a metal oxide semiconductor, or OS for short. In the case of describing as an OS FET, it can be said to be a transistor including a metal oxide or an oxide semiconductor.

また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。   In this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. Further, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

また、本明細書等において、CAAC(C−Axis Aligned Crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、又は材料の構成の一例を表す。   Moreover, in this specification etc., it may describe as CAAC (C-Axis Aligned Crystal) and CAC (Cloud-Aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material structure.

また、本明細書等において、CAC−OS又はCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OS又はCAC−metal oxideを、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(又は正孔)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子(又は正孔)を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OS又はCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OS又はCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。   In this specification and the like, a CAC-OS or a CAC-metal oxide has a conductive function in part of a material and an insulating function in part of the material, and the whole material is a semiconductor. It has the function of. Note that in the case where a CAC-OS or a CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is This is a function of preventing electrons (or holes) from flowing. By performing the conductive function and the insulating function in a complementary manner, a switching function (a function for turning on / off) can be given to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, the functions of both can be maximized by separating the functions.

また、本明細書等において、CAC−OS又はCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。   In this specification and the like, a CAC-OS or a CAC-metal oxide includes a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-described conductive function, and the insulating region has the above-described insulating function. In the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material, respectively. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

また、CAC−OS又はCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。   In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in a material with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 0.5 nm to 3 nm. There is.

また、CAC−OS又はCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OS又はCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OS又はCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。   Moreover, CAC-OS or CAC-metal oxide is comprised by the component which has a different band gap. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide includes a component having a wide gap caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of the configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts in a complementary manner to the component having a wide gap, and the carrier flows through the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or the CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving force, that is, high on-state current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC−OS又はCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、又は金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。   That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite material or a metal matrix composite material.

また、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、XとYとが機能的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。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に記載されているものとする。ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層など)であるとする。   In addition, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, X and Y are directly connected and X and Y are electrically connected. And the case where X and Y are functionally 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 things other than the connection relation shown in the figure or text are also described in the figure or text. 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)、又は、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。又は、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. 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 current flow path. 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(信号振幅又は電流量などを大きくできる回路、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 when X and Y are directly connected (that is, when X and Y are connected without interposing another element or another circuit), It is disclosed in this specification and the like. 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

また、図面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 in the case where independent components are illustrated as being electrically connected to each other in the drawing, one component may have the functions of a plurality of components. is there. 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.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例及び動作例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, structural examples and operation examples of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

<半導体装置の構成例>
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成例について、図1及び図2を用いて詳細に説明する。
<Configuration example of semiconductor device>
Hereinafter, a structural example of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

図1(A)は、本発明の一態様に係る半導体装置10の回路図の一例である。半導体装置10は、第1のトランジスタM0と、第2のトランジスタM1と、容量素子C1と、を有する。   FIG. 1A is an example of a circuit diagram of a semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 includes a first transistor M0, a second transistor M1, and a capacitor C1.

第1のトランジスタM0は、チャネル形成領域を有する酸化物を挟んで、2つのゲートを有する。トランジスタM0において、2つのゲートのうちの一方はトップゲート、他方はボトムゲートとしての機能を有する。以下では、当該トップゲートをトランジスタM0の第1のゲート、当該ボトムゲートをトランジスタM0の第2のゲートと呼ぶ。   The first transistor M0 has two gates with an oxide having a channel formation region interposed therebetween. In the transistor M0, one of the two gates functions as a top gate and the other functions as a bottom gate. Hereinafter, the top gate is referred to as a first gate of the transistor M0, and the bottom gate is referred to as a second gate of the transistor M0.

トランジスタM0の第2のゲートは、トランジスタM0のVthを制御する機能を有する。例えば、トランジスタM0がnチャネル型トランジスタである場合、トランジスタM0の第2のゲートに、ソース電位よりも低い電位を与えることで、トランジスタM0のVthをプラスシフトさせ、第1のゲート−ソース間の電圧(Vgs)が0Vにおけるオフ電流を小さくすることができる(よりノーマリーオフの状態にすることができる。)。一方、トランジスタM0の第2のゲートに、ソース電位よりも高い電位を与えることで、トランジスタM0のVthをマイナスシフトさせ、Vgs=0Vにおいて、オン電流を流すこともできる(よりノーマリーオンにすることができる。)。なお、本明細書において、「ノーマリーオフ」とは、トランジスタの第1のゲートの電位(Vg)が0Vのときに流れるドレイン電流(Id)が0Aよりも小さい状態を指し、「ノーマリーオン」とは、トランジスタの第1のゲートの電位(Vg)が0Vのときに流れるドレイン電流(Id)が0Aよりも大きい状態を指すものとする。   The second gate of the transistor M0 has a function of controlling Vth of the transistor M0. For example, in the case where the transistor M0 is an n-channel transistor, by applying a potential lower than the source potential to the second gate of the transistor M0, the Vth of the transistor M0 is positively shifted, so that the first gate-source is connected. The off-state current when the voltage (Vgs) is 0 V can be reduced (more normally off can be achieved). On the other hand, by applying a potential higher than the source potential to the second gate of the transistor M0, the Vth of the transistor M0 can be shifted negatively, and an on-current can be allowed to flow when Vgs = 0V (more normally on). be able to.). Note that in this specification, “normally off” refers to a state where the drain current (Id) flowing when the potential (Vg) of the first gate of the transistor is 0 V is smaller than 0 A, "Denotes a state where the drain current (Id) flowing when the potential (Vg) of the first gate of the transistor is 0 V is larger than 0A.

第2のトランジスタM1は、チャネル形成領域を有する酸化物を挟んで、2つのゲートを有する。トランジスタM1において、2つのゲートのうちの一方はトップゲート、他方はボトムゲートとしての機能を有する。以下では、当該トップゲートをトランジスタM1の第1のゲート、ボトムゲートをトランジスタM1の第2のゲートと呼ぶ。   The second transistor M1 has two gates with an oxide having a channel formation region interposed therebetween. In the transistor M1, one of the two gates functions as a top gate and the other functions as a bottom gate. Hereinafter, the top gate is referred to as a first gate of the transistor M1, and the bottom gate is referred to as a second gate of the transistor M1.

トランジスタM1のソース又はドレインの一方と、トランジスタM0の第2のゲートと、容量素子C1の一方の電極とは、ノードN1にて電気的に接続されている。トランジスタM1の第1のゲートは入力端子VGと電気的に接続され、ソース又はドレインの他方は入力端子VDと電気的に接続され、第2のゲートは入力端子VBGと電気的に接続されている。当該各入力端子は、それぞれの接続先に、異なるタイミングで異なる大きさの電位を印加することができる。このような構成とすることで、トランジスタM1のVthやオン電流(又はオフ電流)の大きさを自由に制御することができる。   One of the source and the drain of the transistor M1, the second gate of the transistor M0, and one electrode of the capacitor C1 are electrically connected at a node N1. The first gate of the transistor M1 is electrically connected to the input terminal VG, the other of the source and the drain is electrically connected to the input terminal VD, and the second gate is electrically connected to the input terminal VBG. . Each input terminal can apply different potentials to different connection destinations at different timings. With such a structure, Vth and on current (or off current) of the transistor M1 can be freely controlled.

例えば、入力端子VBGからトランジスタM1の第2のゲートに負電位を印加することで、トランジスタM1のVg−Id特性をプラスシフトさせることができる。ここで、VgはトランジスタM1の第1のゲートの電位、IdはトランジスタM1のドレイン電流である。トランジスタM1がnチャネル型のトランジスタである場合、この状態で入力端子VGSからトランジスタM1の第1のゲートに0Vの電位を印加すると、トランジスタM1のオフ電流(ここでは、Vg−Id特性のVg=0Vにおけるドレイン電流と換言してもよい。)を、入力端子VBGからの電位印加が無い場合よりも低減させることができる。   For example, by applying a negative potential from the input terminal VBG to the second gate of the transistor M1, the Vg-Id characteristic of the transistor M1 can be positively shifted. Here, Vg is the potential of the first gate of the transistor M1, and Id is the drain current of the transistor M1. In the case where the transistor M1 is an n-channel transistor, when an electric potential of 0 V is applied from the input terminal VGS to the first gate of the transistor M1 in this state, the off-state current of the transistor M1 (here, Vg = Id of the Vg−Id characteristic) In other words, the drain current at 0 V may be reduced as compared with the case where no potential is applied from the input terminal VBG.

本発明の一態様に係る半導体装置10は、上述したように、トランジスタM0の第2のゲートと、トランジスタM1のソース又はドレインの一方と、容量素子C1の一方の電極とが、ノードN1にて電気的に接続された構成を有する。なお、容量素子C1の他方の電極には、一定の低電位が与えられる。当該低電位は、接地電位であってもよい。   As described above, the semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention includes the second gate of the transistor M0, one of the source and the drain of the transistor M1, and one electrode of the capacitor C1 at the node N1. It has an electrically connected configuration. Note that a constant low potential is applied to the other electrode of the capacitor C1. The low potential may be a ground potential.

半導体装置10を構成する上記各要素のうち、トランジスタM1、容量素子C1、ノードN1は、回路100を構成する(図1(A)参照。)。このため、半導体装置10は、トランジスタM0の第2のゲートに与える電位を、回路100が制御する構成を有しているともいえる。   Of the above-described elements included in the semiconductor device 10, the transistor M1, the capacitor C1, and the node N1 form a circuit 100 (see FIG. 1A). Therefore, it can be said that the semiconductor device 10 has a configuration in which the circuit 100 controls the potential applied to the second gate of the transistor M0.

また、上述したように、回路100を構成するノードN1は、容量素子C1の一方の電極と電気的に接続されている。そのため、ノードN1に書き込まれた負電位と当該容量素子C1の容量値との積に相当する大きさの電荷(電子)を、容量素子C1に保持することができる。   As described above, the node N1 included in the circuit 100 is electrically connected to one electrode of the capacitor C1. Therefore, a charge (electron) having a magnitude corresponding to the product of the negative potential written in the node N1 and the capacitance value of the capacitor C1 can be held in the capacitor C1.

例えば、入力端子VGからトランジスタM1の第1のゲートに所定の電位を印加することでトランジスタM1をオン状態とし、入力端子VDから「ある大きさの負電位」をノードN1に書き込んだとする。そして、入力端子VGを0Vに固定すると、トランジスタM1はオフ状態となり、トランジスタM0の第2のゲートに、常時、ノードN1に書き込まれた負電位が印加された状態となる。その結果、トランジスタM0がnチャネル型のトランジスタである場合、回路100は、トランジスタM0のVg−Id特性を、極めて長期間にわたってプラスシフトさせた状態(ノーマリーオフ)に維持し続けることができる。ここで、VgはトランジスタM0の第1のゲートの電位、IdはトランジスタM0のドレイン電流である。   For example, it is assumed that the transistor M1 is turned on by applying a predetermined potential from the input terminal VG to the first gate of the transistor M1, and “a certain negative potential” is written to the node N1 from the input terminal VD. When the input terminal VG is fixed at 0 V, the transistor M1 is turned off, and the negative potential written in the node N1 is always applied to the second gate of the transistor M0. As a result, when the transistor M0 is an n-channel transistor, the circuit 100 can continue to maintain the Vg-Id characteristic of the transistor M0 in a positively shifted state (normally off) for an extremely long time. Here, Vg is the potential of the first gate of the transistor M0, and Id is the drain current of the transistor M0.

なお、トランジスタM1は、チャネル形成領域を有する酸化物と第2のゲートとの間に絶縁体を有する。本発明の一態様では、当該絶縁体は、入力端子VBGから印加された電位によって供給された電荷(電子)を、保持(捕獲、トラップ、ともいう。)する機能を有することができる。そのため、以下では、当該絶縁体をチャージトラップ層と呼ぶ(チャージトラップ層への電荷注入・保持のメカニズムの詳細については、別途、後述する。)。なお、図1(A)では、トランジスタM1の有するチャージトラップ層を破線で表記している。例えば、当該チャージトラップ層に電荷(電子)を保持させることで、電荷保持前よりもトランジスタM1のVg−Id特性をプラスシフトさせることができる。ここで、VgはトランジスタM1の第1のゲートの電位、IdはトランジスタM1のドレイン電流である。これを模式的に示した図を、図1(B)及び図1(C)に示す。図1(B)は、チャージトラップ層に電荷保持を行う前(第2のゲートの電位は0V)のトランジスタM1のVg−Id特性の模式図、図1(C)は、チャージトラップ層に電荷保持を行った後(第2のゲートの電位は0V)のトランジスタM1のVg−Id特性の模式図である。これにより、トランジスタM1がチャージトラップ層を有さない場合に比べて、トランジスタM1のオフ電流をさらに低くすることができるため、ノードN1に書き込まれた負電位をより長期間保持させることが可能となる。なお、必要なプラスシフト量は、半導体装置10の用途によって異なる。本発明の一態様に係る半導体装置10では、トランジスタM1のチャージトラップ層に保持させる電荷(電子)の大きさを変えることによって、当該プラスシフト量を任意に調整することができる。   Note that the transistor M1 includes an insulator between the oxide having the channel formation region and the second gate. In one embodiment of the present invention, the insulator can have a function of retaining (also referred to as trapping or trapping) charges (electrons) supplied by a potential applied from the input terminal VBG. Therefore, hereinafter, the insulator is referred to as a charge trap layer (details of the mechanism of charge injection / holding into the charge trap layer will be described later). Note that in FIG. 1A, the charge trap layer included in the transistor M1 is indicated by a broken line. For example, by holding charge (electrons) in the charge trap layer, the Vg-Id characteristic of the transistor M1 can be shifted more positively than before charge holding. Here, Vg is the potential of the first gate of the transistor M1, and Id is the drain current of the transistor M1. FIGS. 1B and 1C schematically show this. FIG. 1B is a schematic diagram of the Vg-Id characteristics of the transistor M1 before holding the charge in the charge trap layer (the potential of the second gate is 0 V), and FIG. 1C shows the charge in the charge trap layer. FIG. 10 is a schematic diagram of Vg-Id characteristics of the transistor M1 after holding (the potential of the second gate is 0 V). Accordingly, the off-state current of the transistor M1 can be further reduced as compared with the case where the transistor M1 does not have a charge trap layer, and thus the negative potential written in the node N1 can be held for a longer period. Become. The required plus shift amount varies depending on the application of the semiconductor device 10. In the semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention, the amount of plus shift can be arbitrarily adjusted by changing the magnitude of charges (electrons) held in the charge trap layer of the transistor M1.

上で説明してきた回路100の動作的特徴を活かし、本発明の一態様に係る半導体装置10を、例えば、記憶装置の一部として適用することができる(詳細は後述する。)。例えば、トランジスタM0を、DRAMを構成するトランジスタとして用いる場合、半導体装置10が回路100を有することで、当該回路100を有さない場合に比べて極めて長期間のデータ保持が可能なDRAMを実現することができる。   Taking advantage of the operational characteristics of the circuit 100 described above, the semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention can be used, for example, as part of a memory device (details will be described later). For example, when the transistor M0 is used as a transistor included in a DRAM, the semiconductor device 10 includes the circuit 100, thereby realizing a DRAM capable of holding data for an extremely long period of time as compared with the case where the circuit 100 is not included. be able to.

トランジスタM0及びトランジスタM1は、オフ電流が小さいトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタM0及びトランジスタM1のオフ電流は、10−18A/μm以下が好ましく、10−21A/μm以下がより好ましく、10−24A/μm以下がさらに好ましい。このような極めて微小なオフ電流を実現するためには、トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物に、金属酸化物を用いることが好ましい。 The transistors M0 and M1 are preferably transistors with low off-state current. For example, the off-state current of the transistor M0 and the transistor M1 is preferably 10 −18 A / μm or less, more preferably 10 −21 A / μm or less, and even more preferably 10 −24 A / μm or less. In order to realize such an extremely small off-state current, a metal oxide is preferably used as an oxide having a channel formation region of a transistor.

なお、本明細書において、特に断りが無い場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(非導通状態、遮断状態、ともいう。)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りが無い場合、nチャネル型トランジスタでは、VgsがVthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、VgsがVthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、VgsがVthよりも低いときのドレイン電流をいう場合がある。トランジスタのオフ電流は、Vgsに依存する場合がある。したがって、トランジスタのオフ電流が10−21A以下である、とは、トランジスタのオフ電流が10−21A以下となるVgsの値が存在することをいう場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のVgsにおけるオフ状態、所定の範囲内のVgsにおけるオフ状態、又は、十分に低減されたオフ電流が得られるVgsにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。 Note that in this specification, unless otherwise specified, off-state current refers to drain current when a transistor is off (also referred to as a non-conduction state or a cutoff state). The off state refers to a state where Vgs is lower than Vth for an n-channel transistor and a state where Vgs is higher than Vth for a p-channel transistor unless otherwise specified. For example, the off-state current of an n-channel transistor sometimes refers to a drain current when Vgs is lower than Vth. The off-state current of the transistor may depend on Vgs. Accordingly, the off current of the transistor is less than or equal to 10 -21 A, and may say that the value of Vgs of the off current of the transistor is less than 10 -21 A are present. The off-state current of a transistor may refer to an off-state current in an off state at a predetermined Vgs, an off state in a Vgs within a predetermined range, or an off state in Vgs at which a sufficiently reduced off current is obtained.

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

また、トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載が無い場合、室温、60℃、85℃、95℃、又は125℃におけるオフ電流を表す場合がある。又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)におけるオフ電流、を表す場合がある。   In addition, the off-state current of the transistor may depend on temperature. In this specification, off-state current may represent off-state current at room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., or 125 ° C. unless otherwise specified. Alternatively, at a temperature at which reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed or a temperature at which the semiconductor device including the transistor is used (for example, any one temperature of 5 ° C. to 35 ° C.). May represent off-state current.

トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧(Vds)に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載が無い場合、Vdsの絶対値が0.1V、0.8V、1.0V、1.2V、1.8V、2.5V、3.0V、3.3V、10V、12V、16V、又は20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVds、又は、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVdsにおけるオフ電流、を表す場合がある。   The off-state current of the transistor may depend on the voltage (Vds) between the drain and the source. In this specification, unless otherwise specified, the off-state current has an absolute value of Vds of 0.1 V, 0.8 V, 1.0 V, 1.2 V, 1.8 V, 2.5 V, 3.0 V, and 3. It may represent off-current at 3V, 10V, 12V, 16V, or 20V. Alternatively, Vds in which reliability of a semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or an off-current in Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor may be represented.

上で説明してきたように、本発明の一態様の半導体装置10は、トランジスタM0のVthを回路100によって制御することで、トランジスタM0のオフ電流(第1のゲートの電位(Vg)が0Vのときのドレイン電流(Id))を小さい状態に維持し続けることを狙いとしている。そのため、回路100を構成するトランジスタM1のオフ電流は、トランジスタM0のオフ電流よりも小さいことが好ましい。すなわち、トランジスタM1はトランジスタM0よりもノーマリーオフの特性を有していることが好ましい。   As described above, in the semiconductor device 10 of one embodiment of the present invention, the Vth of the transistor M0 is controlled by the circuit 100, whereby the off-state current of the transistor M0 (the first gate potential (Vg) is 0 V). The current drain current (Id) is aimed to be kept small. Therefore, the off-state current of the transistor M1 included in the circuit 100 is preferably smaller than the off-state current of the transistor M0. That is, the transistor M1 preferably has a normally-off characteristic than the transistor M0.

トランジスタM1がトランジスタM0よりもノーマリーオフの特性を有するために、当該両トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物を、それぞれ異なる構成にすることが好ましい(詳細については、別途、後述する。)。   Since the transistor M1 has normally-off characteristics than the transistor M0, it is preferable that the oxides having channel formation regions of the two transistors have different structures (details will be described later separately).

また、トランジスタM1がトランジスタM0よりもノーマリーオフの特性を有するために、当該両トランジスタのサイズは、それぞれ異なることが好ましい。具体的には、トランジスタのチャネル長をL、チャネル幅をWとした場合、トランジスタM1のほうが、トランジスタM0よりも、W/Lが小さいことが好ましい。   In addition, since the transistor M1 has normally-off characteristics than the transistor M0, it is preferable that the sizes of the two transistors are different from each other. Specifically, when the channel length of the transistor is L and the channel width is W, the transistor M1 preferably has a smaller W / L than the transistor M0.

また、トランジスタM1は、トランジスタM0よりも、第2のゲートから印加される電位に対して高い耐圧を有していることが好ましい。これは、トランジスタM1のチャージトラップ層により多くの電子注入を行う際、入力端子VBGから第2のゲートに高電位が印加される可能性があるためである。トランジスタM1の第2のゲートには、トランジスタM1の第1のゲート、トランジスタM0の第1のゲート、及びトランジスタM0の第2のゲートよりも高電位が印加される可能性がある。そのため、トランジスタM0とトランジスタM1とで、第2のゲート周りの構造が異なることが好ましい(詳細については、別途、後述する。)。   The transistor M1 preferably has a higher withstand voltage than the transistor M0 with respect to the potential applied from the second gate. This is because a high potential may be applied from the input terminal VBG to the second gate when many electrons are injected into the charge trap layer of the transistor M1. There is a possibility that a higher potential is applied to the second gate of the transistor M1 than the first gate of the transistor M1, the first gate of the transistor M0, and the second gate of the transistor M0. Therefore, the structure around the second gate is preferably different between the transistor M0 and the transistor M1 (details will be described later separately).

なお、チャージトラップ層は、トランジスタM1だけでなく、トランジスタM0が有していてもよい。   Note that the charge trap layer may be included not only in the transistor M1 but also in the transistor M0.

また、トランジスタM0及びトランジスタM1は、同一平面上に形成させてもよい。又はトランジスタM0を有する層の上層に、トランジスタM1を有する層を積層させて形成してもよい。また、その逆に積層する構成でもよい。   The transistor M0 and the transistor M1 may be formed on the same plane. Alternatively, a layer including the transistor M1 may be stacked over the layer including the transistor M0. Moreover, the structure laminated | stacked on the contrary may be sufficient.

なお、本発明の一態様に係る半導体装置は、上で説明してきた半導体装置10に限定されない。例えば、図2(A)に示すような回路200を有する、半導体装置20であってもよい。図2(A)に示す半導体装置20は、トランジスタM0の第2のゲートに与える電位を制御する回路(回路200)の構成が、図1(A)に示す半導体装置10が有する回路(回路100)の構成と異なる。   Note that the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited to the semiconductor device 10 described above. For example, the semiconductor device 20 may include the circuit 200 as illustrated in FIG. In the semiconductor device 20 illustrated in FIG. 2A, the circuit (circuit 100) that controls the potential applied to the second gate of the transistor M0 has the same structure as the circuit (circuit 100) included in the semiconductor device 10 illustrated in FIG. ) Is different.

具体的には、回路100では、これを構成するトランジスタM1のソース又はドレインの一方(ノードN1側)と、第1のゲートとが、電気的に接続されていないのに対し、回路200では、これを構成するトランジスタM1のソース又はドレインの一方(ノードN1側)と、第1のゲートとが、電気的に接続されている。また、当該第1のゲートは、入力端子VGSと電気的に接続されている。このため、回路200では、第1のゲートと、ソース又はドレインの一方とに、同電位が印加される構成となっている。   Specifically, in the circuit 100, one of the source and drain (the node N1 side) of the transistor M1 constituting the circuit 100 and the first gate are not electrically connected, whereas in the circuit 200, One of the source and drain (node N1 side) of the transistor M1 constituting this and the first gate are electrically connected. The first gate is electrically connected to the input terminal VGS. Therefore, the circuit 200 has a configuration in which the same potential is applied to the first gate and one of the source and the drain.

回路200を構成するトランジスタM1は、上述したように、ソース又はドレインの一方と、第1のゲートとが、電気的に接続された構成を有する。そのため、当該トランジスタM1を、ダイオードのように整流素子として動作させることができる。   As described above, the transistor M1 included in the circuit 200 has a configuration in which one of the source and the drain and the first gate are electrically connected. Therefore, the transistor M1 can be operated as a rectifying element like a diode.

例えば、nチャネル型のトランジスタM1に対して、入力端子VGS及び入力端子VBGからの電位を0Vに固定し、入力端子VDから「ある大きさの負電位」が印加されるとする。この場合、当該負電位の絶対値がトランジスタM1のVth以上であれば、トランジスタM1はオン状態となり、当該負電位はトランジスタM1を介してノードN1に書き込まれる。その後、入力端子VDの電位を0Vに固定すると、トランジスタM1のソース又はドレインの一方(ノードN1側)と、第1のゲートに当該負電位が印加され、ソース又はドレインの他方(入力端子VD側)と、第2のゲートに0Vの電位が印加された状態となる。その結果、トランジスタM1はオフ状態となり、トランジスタM1のソース側からドレイン側へも、ドレイン側からソース側へもキャリア(電子)の移動が生じなくなる。   For example, suppose that the potential from the input terminal VGS and the input terminal VBG is fixed to 0V and an “a certain negative potential” is applied from the input terminal VD to the n-channel transistor M1. In this case, when the absolute value of the negative potential is equal to or higher than Vth of the transistor M1, the transistor M1 is turned on, and the negative potential is written to the node N1 through the transistor M1. After that, when the potential of the input terminal VD is fixed to 0 V, the negative potential is applied to one of the source and drain of the transistor M1 (on the node N1 side) and the first gate, and the other of the source and drain (on the input terminal VD side). ) And a potential of 0 V is applied to the second gate. As a result, the transistor M1 is turned off, and carriers (electrons) do not move from the source side to the drain side and from the drain side to the source side of the transistor M1.

このように、トランジスタM1の各端子と電気的に接続する各入力端子(入力端子VGS、入力端子VD、入力端子VBG)に、適切な順序で、適切な大きさの電位を印加することによって、トランジスタM1を、入力端子VD側からノードN1側へのみキャリア(電子)の移動が可能な、整流素子として動作させることができる。また、このトランジスタM1の整流性により、一度ノードN1に書き込まれた負電位が、トランジスタM1を介して入力端子VD側にリークするのを抑制することができる。   In this way, by applying a potential of an appropriate magnitude to each input terminal (input terminal VGS, input terminal VD, input terminal VBG) electrically connected to each terminal of the transistor M1, in an appropriate order, The transistor M1 can be operated as a rectifying element capable of moving carriers (electrons) only from the input terminal VD side to the node N1 side. Further, due to the rectifying property of the transistor M1, the negative potential once written to the node N1 can be prevented from leaking to the input terminal VD side through the transistor M1.

半導体装置20を構成する各要素のうち、半導体装置10と共通するもの(入力端子VBG、入力端子VD、チャージトラップ層、容量素子C1、ノードN1、トランジスタM0等)については、半導体装置10で説明した内容を参酌することができる。   Among the elements constituting the semiconductor device 20, those common to the semiconductor device 10 (input terminal VBG, input terminal VD, charge trap layer, capacitor element C 1, node N 1, transistor M 0, etc.) are described in the semiconductor device 10. You can take into account

半導体装置20を構成するトランジスタM0及びトランジスタM1に求められる特性についても、半導体装置10の場合と同様である。トランジスタM1はチャージトラップ層を有し、当該チャージトラップ層に電荷保持を行うことで、電荷保持前よりもVg−Id特性をプラスシフトさせることができる(図2(B)、図2(C)参照。)。ここで、VgはトランジスタM1の第1のゲートの電位、IdはトランジスタM1のドレイン電流である。チャージトラップ層への電荷保持後のトランジスタM1のVg−Id特性は、ノードN1に負電位が書き込まれる前のトランジスタM0のVg−Id特性よりもVthが大きいことが好ましい。   The characteristics required for the transistor M0 and the transistor M1 included in the semiconductor device 20 are the same as those of the semiconductor device 10. The transistor M1 includes a charge trap layer, and by holding charge in the charge trap layer, the Vg-Id characteristic can be positively shifted from that before charge holding (FIGS. 2B and 2C). reference.). Here, Vg is the potential of the first gate of the transistor M1, and Id is the drain current of the transistor M1. The Vg-Id characteristic of the transistor M1 after holding the charge in the charge trap layer is preferably larger than the Vg-Id characteristic of the transistor M0 before the negative potential is written to the node N1.

なお、例えば、本発明の一態様に係る記憶装置、レジスタ回路、表示装置及び電子機器など(詳細は後述する。)においては、半導体装置10を用いてもよいし、半導体装置20を用いてもよいし、半導体装置10と半導体装置20とを、適宜組み合わせて用いてもよい。   Note that for example, in the memory device, the register circuit, the display device, the electronic device, and the like (details will be described later) according to one embodiment of the present invention, the semiconductor device 10 or the semiconductor device 20 may be used. Alternatively, the semiconductor device 10 and the semiconductor device 20 may be used in appropriate combination.

<半導体装置の動作例>
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の動作例について、図3乃至図6を用いて詳細に説明する。
<Operation example of semiconductor device>
Hereinafter, operation examples of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

初めに、図1(A)に示す半導体装置10の具体的な動作例について、図3及び図4を用いて説明する。なお、トランジスタM0及びトランジスタM1は、nチャネル型トランジスタであるものとして、以下を説明する。また、以下では、トランジスタM0の第2のゲートに−5Vの電位を書き込む場合の例を示すが、本実施の形態における電圧値は一例であり、これに限られない。例えば、トランジスタのサイズ又はVthなどによって、適宜変更されるものである。   First, a specific operation example of the semiconductor device 10 illustrated in FIG. 1A will be described with reference to FIGS. Note that the following description is given assuming that the transistors M0 and M1 are n-channel transistors. In the following, an example in which a potential of −5 V is written to the second gate of the transistor M0 is described; however, the voltage value in this embodiment is an example and is not limited thereto. For example, it is appropriately changed depending on the size of transistor or Vth.

まず、図3(A)に示すように、入力端子VG及び入力端子VDの電位を0Vに固定した状態(すなわち、トランジスタM1はオフ状態。)で、入力端子VBGに40Vの電位を印加し、トランジスタM1のチャージトラップ層に電荷(ここでは、負の電荷である電子)を注入する。トランジスタM1のチャージトラップ層に電子を注入することによって、トランジスタM1の第2のゲートに負電位が印加されたのと等価な状態になり、トランジスタM1のVthをプラスシフトさせることができる。これにより、トランジスタM1は、上述したチャージトラップ層への電子注入前に比べて、よりノーマリーオフの特性を有することができる。なお、トランジスタM1は、上記プラスシフト後のVg−Id特性において、Vthが0Vより大きく5V未満であるものとして以下を説明する。   First, as shown in FIG. 3A, in a state where the potentials of the input terminal VG and the input terminal VD are fixed to 0V (that is, the transistor M1 is in an off state), a potential of 40V is applied to the input terminal VBG. Charge (here, electrons that are negative charges) is injected into the charge trap layer of the transistor M1. By injecting electrons into the charge trap layer of the transistor M1, a negative potential is applied to the second gate of the transistor M1, and the Vth of the transistor M1 can be positively shifted. Thereby, the transistor M1 can have more normally-off characteristics than before the electron injection into the charge trap layer described above. The transistor M1 is described below assuming that Vth is greater than 0V and less than 5V in the Vg-Id characteristics after the plus shift.

次に、図3(B)に示すように入力端子VG、入力端子VD及び入力端子VBGの電位を0Vに固定する。これにより、トランジスタM1はオフ状態となり、トランジスタM1のチャージトラップ層に注入された電子も、当該チャージトラップ層に保持される。   Next, as shown in FIG. 3B, the potentials of the input terminal VG, the input terminal VD, and the input terminal VBG are fixed to 0V. As a result, the transistor M1 is turned off, and electrons injected into the charge trap layer of the transistor M1 are also held in the charge trap layer.

次に、図3(C)に示すように、入力端子VDに−5Vの電位を印加することによって、トランジスタM1をオン状態にする。   Next, as illustrated in FIG. 3C, by applying a potential of −5 V to the input terminal VD, the transistor M1 is turned on.

その結果、図4(A)に示すように、ノードN1には、入力端子VDからトランジスタM1を介して−5Vの電位が書き込まれ、容量素子C1には、当該書き込み電位(−5V)と容量素子C1の容量値との積に相当する大きさの電荷(電子)が保持される。   As a result, as shown in FIG. 4A, a potential of −5 V is written to the node N1 from the input terminal VD through the transistor M1, and the writing potential (−5 V) and the capacitance are written to the capacitor C1. Charges (electrons) having a magnitude corresponding to the product of the capacitance value of the element C1 are held.

次に、図4(B)に示すように、入力端子VDの電位を0Vに固定する。このとき、トランジスタM1のソース又はドレインの一方(ノードN1側)には−5Vの電位が印加され、ソース又はドレインの他方(入力端子VD側)、第1のゲート、及び第2のゲートの電位は0Vの状態となる。その結果、トランジスタM1はオフ状態となり、トランジスタM1のソース側からドレイン側へも、ドレイン側からソース側へも電荷(電子)の移動が生じなくなる。すなわち、ノードN1に書き込まれた−5Vの電位を維持させることが可能となる。以上のようにして、トランジスタM0の第2のゲートに、−5Vの電位を書き込む動作は完了する。トランジスタM0の第2のゲートに−5Vの電位が書き込まれたことで、トランジスタM0のVthはプラスシフトし、トランジスタM0のオフ電流(第1のゲートの電位(Vg)が0Vのときのドレイン電流(Id))を低減させることができる。以上のように、一度、トランジスタM1を介したノードN1への負電位の書き込みを行ってしまえば、その後、トランジスタM0をオフ状態にしても、トランジスタM0のVthのプラスシフトを維持させることができる。このため、本発明の一態様に係る半導体装置10は、極めて消費電力に優れた半導体装置であるといえる。   Next, as shown in FIG. 4B, the potential of the input terminal VD is fixed to 0V. At this time, a potential of −5 V is applied to one of the source and drain of the transistor M1 (on the node N1 side), and the potential of the other of the source and drain (on the input terminal VD side), the first gate, and the second gate. Becomes a state of 0V. As a result, the transistor M1 is turned off, and charge (electrons) does not move from the source side to the drain side and from the drain side to the source side of the transistor M1. That is, the potential of −5 V written to the node N1 can be maintained. As described above, the operation of writing the potential of −5 V to the second gate of the transistor M0 is completed. When the potential of −5V is written to the second gate of the transistor M0, the Vth of the transistor M0 is positively shifted, and the off-current of the transistor M0 (the drain current when the first gate potential (Vg) is 0V). (Id)) can be reduced. As described above, once the negative potential is written to the node N1 through the transistor M1, the positive shift of Vth of the transistor M0 can be maintained even if the transistor M0 is turned off thereafter. . Therefore, it can be said that the semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device with extremely high power consumption.

なお、図3(C)、図4(A)、図4(B)の一連の動作を繰り返すことで、トランジスタM0の第2のゲートへの電位印加を何度でもやり直すことができる。また、入力端子VDに印加する電位を−5V以外の値に設定することで、トランジスタM0のVthを所望の値に制御することができる。   Note that by repeating the series of operations in FIGS. 3C, 4A, and 4B, the potential application to the second gate of the transistor M0 can be performed again and again. Further, by setting the potential applied to the input terminal VD to a value other than −5V, the Vth of the transistor M0 can be controlled to a desired value.

次に、図2(A)に示す半導体装置20の具体的な動作例について、図5及び図6を用いて説明する。なお、上で説明した半導体装置10の動作例同様、トランジスタM0及びトランジスタM1は、nチャネル型トランジスタであるものとして、以下を説明する。また、半導体装置10の動作例同様、トランジスタM0の第2のゲートに−5Vの電位を書き込む場合の例を示す。上述したように、本実施の形態における電圧値は一例であり、これに限られない。例えば、トランジスタのサイズ又はVthなどによって、適宜変更されるものである。   Next, a specific operation example of the semiconductor device 20 illustrated in FIG. 2A will be described with reference to FIGS. Similar to the operation example of the semiconductor device 10 described above, the transistor M0 and the transistor M1 are n-channel transistors and will be described below. Similarly to the operation example of the semiconductor device 10, an example in which a potential of −5 V is written to the second gate of the transistor M0 is described. As described above, the voltage value in the present embodiment is an example and is not limited thereto. For example, it is appropriately changed depending on the size of transistor or Vth.

まず、図5(A)に示すように、入力端子VGS及び入力端子VDの電位を0Vに固定した状態(すなわち、トランジスタM1はオフ状態。)で、入力端子VBGに40Vの電位を印加し、トランジスタM1のチャージトラップ層に電荷(ここでは、負の電荷である電子)を注入する。トランジスタM1のチャージトラップ層に電子を注入することによって、トランジスタM1の第2のゲートに負電位が印加されたのと等価な状態になり、トランジスタM1のVthをプラスシフトさせることができる。これにより、トランジスタM1は、上述したチャージトラップ層への電子注入前に比べて、よりノーマリーオフの特性を有することができる。なお、トランジスタM1は、上記プラスシフト後のVg−Id特性において、Vthが0Vより大きく5V未満であるものとして以下を説明する。   First, as shown in FIG. 5A, in a state where the potentials of the input terminal VGS and the input terminal VD are fixed to 0V (that is, the transistor M1 is off), a potential of 40V is applied to the input terminal VBG. Charge (here, electrons that are negative charges) is injected into the charge trap layer of the transistor M1. By injecting electrons into the charge trap layer of the transistor M1, a negative potential is applied to the second gate of the transistor M1, and the Vth of the transistor M1 can be positively shifted. Thereby, the transistor M1 can have more normally-off characteristics than before the electron injection into the charge trap layer described above. The transistor M1 is described below assuming that Vth is greater than 0V and less than 5V in the Vg-Id characteristics after the plus shift.

次に、図5(B)に示すように、入力端子VGS、入力端子VD及び入力端子VBGの電位を0Vに固定する。これにより、トランジスタM1はオフ状態となり、トランジスタM1のチャージトラップ層に注入された電子も、当該チャージトラップ層に保持される。   Next, as shown in FIG. 5B, the potentials of the input terminal VGS, the input terminal VD, and the input terminal VBG are fixed to 0V. As a result, the transistor M1 is turned off, and electrons injected into the charge trap layer of the transistor M1 are also held in the charge trap layer.

次に、図5(C)に示すように、入力端子VDに−5Vの電位を印加することによって、トランジスタM1をオン状態にする。   Next, as illustrated in FIG. 5C, by applying a potential of −5 V to the input terminal VD, the transistor M1 is turned on.

その結果、図6(A)に示すように、ノードN1には、入力端子VDからトランジスタM1を介して−5Vの電位が書き込まれ、容量素子C1には、当該書き込み電位(−5V)と容量素子C1の容量値との積に相当する大きさの電荷(電子)が保持される。   As a result, as shown in FIG. 6A, a potential of −5 V is written to the node N1 from the input terminal VD through the transistor M1, and the writing potential (−5 V) and the capacitance are written to the capacitor C1. Charges (electrons) having a magnitude corresponding to the product of the capacitance value of the element C1 are held.

次に、図6(B)に示すように、入力端子VDの電位を0Vに固定する。このとき、トランジスタM1のソース又はドレインの一方(ノードN1側)及び第1のゲートには−5Vの電位が印加され、ソース又はドレインの他方(入力端子VD側)は0Vの状態となる。その結果、トランジスタM1はオフ状態となり、トランジスタM1のソース側からドレイン側へも、ドレイン側からソース側へもキャリア(電子)の移動が生じなくなる。すなわち、ノードN1に書き込まれた−5Vの電位を維持させることが可能となる。以上のようにして、トランジスタM0の第2のゲートに、−5Vの電位を書き込む動作は完了する。トランジスタM0の第2のゲートに−5Vの電位が書き込まれたことで、トランジスタM0のVthはプラスシフトし、トランジスタM0のオフ電流(第1のゲートの電位(Vg)が0Vのときのドレイン電流(Id))を低減させることができる。以上のように、一度、トランジスタM1を介したノードN1への負電位の書き込みを行ってしまえば、その後、トランジスタM0をオフ状態にしても、トランジスタM0のVthのプラスシフトを維持させることができる。このため、本発明の一態様に係る半導体装置20は、極めて消費電力に優れた半導体装置であるといえる。   Next, as shown in FIG. 6B, the potential of the input terminal VD is fixed to 0V. At this time, a potential of −5 V is applied to one of the source and drain of the transistor M1 (on the node N1 side) and the first gate, and the other of the source and drain (on the input terminal VD side) is in a 0 V state. As a result, the transistor M1 is turned off, and carriers (electrons) do not move from the source side to the drain side and from the drain side to the source side of the transistor M1. That is, the potential of −5 V written to the node N1 can be maintained. As described above, the operation of writing the potential of −5 V to the second gate of the transistor M0 is completed. When the potential of −5V is written to the second gate of the transistor M0, the Vth of the transistor M0 is positively shifted, and the off-current of the transistor M0 (the drain current when the first gate potential (Vg) is 0V). (Id)) can be reduced. As described above, once the negative potential is written to the node N1 through the transistor M1, the positive shift of Vth of the transistor M0 can be maintained even if the transistor M0 is turned off thereafter. . Therefore, it can be said that the semiconductor device 20 according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device with extremely high power consumption.

なお、図5(C)、図6(A)、図6(B)の一連の動作を繰り返すことで、トランジスタM0の第2のゲートへの電位印加を何度でもやり直すことができる。また、入力端子VDに印加する電位を−5V以外の値に設定することで、トランジスタM0のVthを所望の値に制御することができる。   Note that by repeating the series of operations in FIGS. 5C, 6A, and 6B, the potential application to the second gate of the transistor M0 can be performed again and again. Further, by setting the potential applied to the input terminal VD to a value other than −5V, the Vth of the transistor M0 can be controlled to a desired value.

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

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1に示した半導体装置10が有する回路100の適用例について、図7乃至図10を用いて説明する。なお、回路100の代わりに、半導体装置20が有する回路200を用いてもよい。
(Embodiment 2)
In this embodiment, application examples of the circuit 100 included in the semiconductor device 10 described in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. Note that the circuit 200 included in the semiconductor device 20 may be used instead of the circuit 100.

<不揮発性メモリ>
図7(A)は、記憶素子としての機能を有するメモリセル110の回路構成を示している。
<Non-volatile memory>
FIG. 7A illustrates a circuit configuration of the memory cell 110 having a function as a memory element.

図7(A)のメモリセル110は、第1のゲート及び第2のゲートを有するトランジスタM0と、トランジスタ112と、容量素子114と、ノードFNと、配線BLと、配線SLと、配線WLと、配線RLと、配線BGLと、を有する。   A memory cell 110 in FIG. 7A includes a transistor M0 having a first gate and a second gate, a transistor 112, a capacitor 114, a node FN, a wiring BL, a wiring SL, and a wiring WL. , Wiring RL, and wiring BGL.

図7(A)のメモリセル110において、トランジスタM0の第1のゲートは配線WLと電気的に接続され、トランジスタM0の第2のゲートは配線BGLと電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの一方は配線BLと電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの他方はノードFNと電気的に接続される。   In the memory cell 110 in FIG. 7A, the first gate of the transistor M0 is electrically connected to the wiring WL, and the second gate of the transistor M0 is electrically connected to the wiring BGL. One of the drains is electrically connected to the wiring BL, and the other of the source and the drain of the transistor M0 is electrically connected to the node FN.

図7(A)のメモリセル110において、トランジスタ112のゲートはノードFNと電気的に接続され、トランジスタ112のソース又はドレインの一方は配線BLと電気的に接続され、トランジスタ112のソース又はドレインの他方は配線SLと電気的に接続される。   In the memory cell 110 in FIG. 7A, the gate of the transistor 112 is electrically connected to the node FN, one of the source and the drain of the transistor 112 is electrically connected to the wiring BL, and the source or the drain of the transistor 112 The other is electrically connected to the wiring SL.

図7(A)のメモリセル110において、容量素子114の一方の電極は配線RLと電気的に接続され、容量素子114の他方の電極はノードFNと電気的に接続される。   In the memory cell 110 in FIG. 7A, one electrode of the capacitor 114 is electrically connected to the wiring RL, and the other electrode of the capacitor 114 is electrically connected to the node FN.

トランジスタM0は、オフ電流が小さいトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタM0のオフ電流は、好ましくは10−18A/μm以下、より好ましくは10−21A/μm以下、さらに好ましくは10−24A/μm以下である。オフ電流が小さいトランジスタとしては、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタが挙げられる。 The transistor M0 is preferably a transistor with low off-state current. For example, the off-state current of the transistor M0 is preferably 10 −18 A / μm or less, more preferably 10 −21 A / μm or less, and further preferably 10 −24 A / μm or less. As a transistor with low off-state current, a transistor in which a metal oxide is used for a channel formation region can be given.

トランジスタ112は、Vthのばらつきの小さいトランジスタが用いられることが好ましい。具体的には、チャネル形成領域に単結晶シリコンを用いたトランジスタが挙げられる。   As the transistor 112, a transistor with small variation in Vth is preferably used. Specifically, a transistor using single crystal silicon for a channel formation region can be given.

メモリセル110は、ノードFNの電荷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。   The memory cell 110 can write, hold, and read information as follows by utilizing the feature that the charge of the node FN can be held.

初めに、情報の書き込み及び保持について説明する。まず、トランジスタM0がオン状態になるように、配線WLに電位を与える。これにより、配線BLの電位が、トランジスタM0を介してノードFNに与えられる。すなわち、ノードFNに、所定の電荷が与えられる(書き込み)。なお、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、Highレベルという。)のいずれかが与えられるものとする。その後、配線WLへの電位印加を停止、あるいはトランジスタM0がオン状態にならない程度の電位印加を行うことで、トランジスタM0をオフ状態とする。これにより、ノードFNに与えられた電荷が保持される(保持)。   First, writing and holding of information will be described. First, a potential is applied to the wiring WL so that the transistor M0 is turned on. Accordingly, the potential of the wiring BL is supplied to the node FN through the transistor M0. That is, predetermined charge is given to the node FN (writing). Note that here, it is assumed that one of two different electric potential levels (hereinafter, referred to as a Low level and a High level) is applied. After that, application of a potential to the wiring WL is stopped, or application of a potential that does not turn on the transistor M0 is performed, so that the transistor M0 is turned off. As a result, the charge given to the node FN is held (held).

ここで、トランジスタM0のオフ電流が極めて小さいため、ノードFNに与えられた電荷の、トランジスタM0を介するリーク量が極めて小さい。そのため、トランジスタ112のゲートに印加される電位の大きさは、長期間にわたってほとんど変動しない。   Here, since the off-state current of the transistor M0 is extremely small, the amount of leakage of the charge given to the node FN through the transistor M0 is extremely small. Therefore, the magnitude of the potential applied to the gate of the transistor 112 hardly varies over a long period.

次に、情報の読み出しについて説明する。配線SLに所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線RLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、容量素子114との容量結合によってトランジスタ112のゲートに印加される電位が変化し、トランジスタ112を流れるドレイン電流値が変動する。そして、当該ドレイン電流値が変動することによって、配線BLにかかる電位も変動する。図7(A)に示すように、トランジスタ112がpチャネル型のトランジスタである場合、ノードFNにHighレベルの電荷が与えられている場合の見かけの閾値電圧Vth_Hは、ノードFNにLowレベルの電荷が与えられている場合の見かけの閾値電圧Vth_Lよりも小さくなる。ここで、見かけの閾値電圧とは、トランジスタ112をオン状態とするために必要な配線RLの電位をいうものとする。したがって、配線RLの電位を、Vth_HとVth_Lの間の大きさである電位V0(Vth_H<V0<Vth_L)に設定することにより、ノードFNに与えられた電荷がHighレベルであるか、Lowレベルであるか、を判別することができる。   Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the wiring RL in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the wiring SL, the potential applied to the gate of the transistor 112 changes due to capacitive coupling with the capacitor 114. The drain current value flowing through the transistor 112 varies. As the drain current value fluctuates, the potential applied to the wiring BL also fluctuates. As illustrated in FIG. 7A, when the transistor 112 is a p-channel transistor, the apparent threshold voltage Vth_H in the case where a high-level charge is applied to the node FN is equal to a low-level charge at the node FN. Is smaller than the apparent threshold voltage Vth_L when. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the wiring RL necessary for turning on the transistor 112. Therefore, by setting the potential of the wiring RL to a potential V0 (Vth_H <V0 <Vth_L) which is a magnitude between Vth_H and Vth_L, the charge given to the node FN is at a high level or at a low level. It can be determined whether there is.

例えば、ノードFNにLowレベルの電荷が与えられている場合、トランジスタ112をオン状態にするためには、Vth_L以下の大きさの電位をトランジスタ112のゲートに印加する必要がある。このとき、配線RLの電位をV0にすると、容量素子114との容量結合によってトランジスタ112のゲートにも電位V0が印加されるが、V0はVth_Lよりも小さい電位であるため、トランジスタ112をオン状態にすることができる。トランジスタ112がオン状態となったことで、トランジスタ112にオン電流が流れ、配線RLが電位V0を印加する前後で、配線BLにかかる電位が変動する。   For example, in the case where a low-level charge is applied to the node FN, in order to turn on the transistor 112, a potential having a magnitude equal to or lower than Vth_L needs to be applied to the gate of the transistor 112. At this time, when the potential of the wiring RL is set to V0, the potential V0 is also applied to the gate of the transistor 112 due to capacitive coupling with the capacitor 114. Since V0 is lower than Vth_L, the transistor 112 is turned on. Can be. When the transistor 112 is turned on, an on-current flows through the transistor 112, and the potential applied to the wiring BL fluctuates before and after the wiring RL applies the potential V0.

一方、ノードFNにHighレベルの電荷が与えられている場合、トランジスタ112をオン状態にするためには、Vth_H以下の大きさの電位をトランジスタ112のゲートに印加する必要がある。このとき、配線RLの電位をV0にすると、容量素子114との容量結合によってトランジスタ112のゲートにも電位V0が印加されるが、V0はVth_Hよりも大きい電位であるため、トランジスタ112はオフ状態のままとなる。トランジスタ112がオフ状態のままであるため、配線RLが電位V0を印加する前後で、配線BLにかかる電位の変動はほとんど生じない。   On the other hand, in the case where a high-level charge is applied to the node FN, in order to turn on the transistor 112, a potential having a magnitude equal to or lower than Vth_H needs to be applied to the gate of the transistor 112. At this time, when the potential of the wiring RL is set to V0, the potential V0 is also applied to the gate of the transistor 112 due to capacitive coupling with the capacitor 114. However, since V0 is higher than Vth_H, the transistor 112 is turned off. Will remain. Since the transistor 112 remains off, the potential applied to the wiring BL hardly fluctuates before and after the wiring RL applies the potential V0.

以上のようにして、配線BLにかかる電位の変動をモニターすることで、ノードFNに保持されている電荷がHighレベルであるか、Lowレベルであるか、を判別することができる(読み出し)。   As described above, by monitoring the variation in potential applied to the wiring BL, it is possible to determine whether the charge held in the node FN is at a high level or a low level (reading).

なお、上記の説明では、トランジスタ112がpチャネル型のトランジスタである場合について説明したが、本発明の一態様はこれに限定されず、トランジスタ112がnチャネル型のトランジスタであってもよい。   Note that although the case where the transistor 112 is a p-channel transistor has been described above, one embodiment of the present invention is not limited thereto, and the transistor 112 may be an n-channel transistor.

図7(B)は、マトリックス状に配置されたメモリセル110と、実施の形態1に示す回路100とを有する記憶装置120の回路構成を示している。記憶装置120は、不揮発性メモリとしての機能を有する。   FIG. 7B illustrates a circuit configuration of the memory device 120 including the memory cells 110 arranged in a matrix and the circuit 100 described in Embodiment 1. The storage device 120 has a function as a nonvolatile memory.

記憶装置120は、m行n列のマトリックス状に配置されたメモリセル110を有する。ここで、m及びnは自然数を表す。また、m行目に配置されたメモリセル110は、配線WL[m]及び配線RL[m]と電気的に接続され、n列目に配置されたメモリセル110は、配線BL[n]及び配線SLと電気的に接続される。   The storage device 120 includes memory cells 110 arranged in a matrix of m rows and n columns. Here, m and n represent natural numbers. The memory cell 110 arranged in the m-th row is electrically connected to the wiring WL [m] and the wiring RL [m], and the memory cell 110 arranged in the n-th column is connected to the wiring BL [n] and the wiring BL [n]. It is electrically connected to the wiring SL.

それぞれのメモリセル110に含まれるトランジスタM0の第2のゲートは、配線BGLを介して、回路100と電気的に接続されている。すなわち、回路100は、全てのメモリセル110に含まれるトランジスタM0の第2のゲートを制御する信号を、供給する機能を有する。   A second gate of the transistor M0 included in each memory cell 110 is electrically connected to the circuit 100 through the wiring BGL. In other words, the circuit 100 has a function of supplying a signal for controlling the second gates of the transistors M0 included in all the memory cells 110.

回路100が、トランジスタM0の第2のゲートを制御することで、トランジスタM0は適切なVthをとることが可能になる。例えば、トランジスタM0が、ノーマリーオンになることを防ぐことができる。その結果、トランジスタM0のオフ電流を小さくすることができ、メモリセル110が有するノードFNに書き込まれた電位を長期間保持することが可能になる。   The circuit 100 controls the second gate of the transistor M0, so that the transistor M0 can take an appropriate Vth. For example, the transistor M0 can be prevented from being normally on. As a result, the off-state current of the transistor M0 can be reduced, and the potential written in the node FN included in the memory cell 110 can be held for a long time.

記憶装置120を上記構成にすることで、電源をオフにしても、長期間にわたってデータの保持が可能な記憶装置を提供することができる。また、これによって、定期的に容量素子114に書き込まれた電荷を再書き込みする動作(リフレッシュ)の頻度を大幅に減少させることができるため、極めて消費電力の小さい記憶装置を提供することができる。   With the above structure of the storage device 120, a storage device capable of holding data for a long time even when the power is turned off can be provided. Accordingly, the frequency of the operation (refresh) of periodically rewriting the charge written in the capacitor 114 can be significantly reduced, so that a memory device with extremely low power consumption can be provided.

<DRAM>
図8(A)は、記憶素子としての機能を有するメモリセル130の回路構成を示している。
<DRAM>
FIG. 8A illustrates a circuit configuration of the memory cell 130 having a function as a memory element.

図8(A)のメモリセル130は、第1のゲート及び第2のゲートを有するトランジスタM0と、容量素子131と、配線BLと、配線WLと、配線CLと、配線BGLと、を有する。   A memory cell 130 in FIG. 8A includes a transistor M0 having a first gate and a second gate, a capacitor 131, a wiring BL, a wiring WL, a wiring CL, and a wiring BGL.

図8(A)のメモリセル130において、トランジスタM0の第1のゲートは配線WLと電気的に接続され、トランジスタM0の第2のゲートは配線BGLと電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの一方は配線BLと電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの他方は容量素子131の一方の電極と電気的に接続される。また、容量素子131の他方の電極は配線CLと電気的に接続される。   In the memory cell 130 in FIG. 8A, the first gate of the transistor M0 is electrically connected to the wiring WL, and the second gate of the transistor M0 is electrically connected to the wiring BGL. One of the drains is electrically connected to the wiring BL, and the other of the source and the drain of the transistor M0 is electrically connected to one electrode of the capacitor 131. Further, the other electrode of the capacitor 131 is electrically connected to the wiring CL.

トランジスタM0は、オフ電流が小さいトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタM0のオフ電流は、好ましくは10−18A/μm以下、より好ましくは10−21A/μm以下、さらに好ましくは10−24A/μm以下である。オフ電流が小さいトランジスタとしては、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタが挙げられる。 The transistor M0 is preferably a transistor with low off-state current. For example, the off-state current of the transistor M0 is preferably 10 −18 A / μm or less, more preferably 10 −21 A / μm or less, and further preferably 10 −24 A / μm or less. As a transistor with low off-state current, a transistor in which a metal oxide is used for a channel formation region can be given.

配線WLは、トランジスタM0のオン・オフを制御する信号を供給する機能を有し、配線BLは、トランジスタM0を介して、容量素子131に電荷を書き込む機能を有する。容量素子131に電荷を書き込んだ後に、トランジスタM0をオフにすることで、容量素子131に書き込まれた電荷を保持することができる。   The wiring WL has a function of supplying a signal for controlling on / off of the transistor M0, and the wiring BL has a function of writing charge into the capacitor 131 through the transistor M0. The charge written in the capacitor 131 can be held by turning off the transistor M0 after writing the charge in the capacitor 131.

容量素子131に書き込まれた電荷は、トランジスタM0を介して徐々にリークするため、定期的に容量素子131に書き込まれた電荷を再書き込みする動作(リフレッシュ)が必要である。しかし、本発明の一態様に係るトランジスタM0は、オフ電流が極めて低く、容量素子131からリークする電荷量が少ないため、リフレッシュの頻度を大幅に減少させることができる。   Since the charge written in the capacitor 131 gradually leaks through the transistor M0, an operation (refresh) for periodically rewriting the charge written in the capacitor 131 is necessary. However, since the off-state current of the transistor M0 according to one embodiment of the present invention is extremely low and the amount of charge leaking from the capacitor 131 is small, the frequency of refreshing can be significantly reduced.

図8(B)は、マトリックス状に配置されたメモリセル130と、実施の形態1に示す回路100とを有する記憶装置140の回路構成を示している。記憶装置140は、DRAMとしての機能を有する。   FIG. 8B illustrates a circuit configuration of the memory device 140 including the memory cells 130 arranged in a matrix and the circuit 100 described in Embodiment 1. The storage device 140 has a function as a DRAM.

記憶装置140は、m行n列のマトリックス状に配置されたメモリセル130を有する。ここで、m及びnは自然数を表す。また、m行目に配置されたメモリセル130は、配線WL[m]と電気的に接続され、n列目に配置されたメモリセル130は、配線BL[n]と電気的に接続される。また、配線CLは、一定の低電位を与える端子VCと電気的に接続されている。   The storage device 140 includes memory cells 130 arranged in a matrix of m rows and n columns. Here, m and n represent natural numbers. Further, the memory cell 130 arranged in the m-th row is electrically connected to the wiring WL [m], and the memory cell 130 arranged in the n-th column is electrically connected to the wiring BL [n]. . In addition, the wiring CL is electrically connected to a terminal VC that applies a constant low potential.

それぞれのメモリセル130に含まれるトランジスタM0の第2のゲートは、配線BGLを介して、回路100と電気的に接続されている。すなわち、回路100は、全てのメモリセル130に含まれるトランジスタM0の第2のゲートを制御する信号を、供給する機能を有する。   A second gate of the transistor M0 included in each memory cell 130 is electrically connected to the circuit 100 through the wiring BGL. In other words, the circuit 100 has a function of supplying a signal for controlling the second gates of the transistors M0 included in all the memory cells 130.

回路100が、トランジスタM0の第2のゲートを制御することで、トランジスタM0は適切なVthをとることが可能になる。例えば、トランジスタM0が、ノーマリーオンになることを防ぐことができる。その結果、トランジスタM0のオフ電流を小さくすることができ、メモリセル130が有する容量素子131に書き込まれた電位を長期間保持することが可能になる。   The circuit 100 controls the second gate of the transistor M0, so that the transistor M0 can take an appropriate Vth. For example, the transistor M0 can be prevented from being normally on. As a result, the off-state current of the transistor M0 can be reduced, and the potential written in the capacitor 131 included in the memory cell 130 can be held for a long time.

記憶装置140を上記構成にすることで、長期間のデータ保持が可能で、リフレッシュの頻度が少なく、低消費電力での動作が可能な記憶装置を提供することができる。   With the above structure of the storage device 140, it is possible to provide a storage device that can hold data for a long period of time, has a low refresh frequency, and can operate with low power consumption.

<レジスタ>
図9は、1ビットのレジスタ回路150の構成例を示している。
<Register>
FIG. 9 shows a configuration example of the 1-bit register circuit 150.

レジスタ回路150は、第1のゲート及び第2のゲートを有するトランジスタM0と、容量素子154と、ノードN5と、フリップフロップ回路153を有する。   The register circuit 150 includes a transistor M0 having a first gate and a second gate, a capacitor 154, a node N5, and a flip-flop circuit 153.

フリップフロップ回路153は、インバータ151及びインバータ152を有する。インバータ151は、インバータ152と並列かつ逆向きに接続され、インバータ151の出力側が接続されるノードが、レジスタ回路150の出力端子OUTに相当する。   The flip-flop circuit 153 includes an inverter 151 and an inverter 152. The inverter 151 is connected in parallel and in the opposite direction to the inverter 152, and a node to which the output side of the inverter 151 is connected corresponds to the output terminal OUT of the register circuit 150.

トランジスタM0の第2のゲートは、回路100と電気的に接続され、トランジスタM0の第1のゲートは、入力端子Sig1と電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの一方は、入力端子Sig2と電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの他方は、ノードN5と電気的に接続される。   The second gate of the transistor M0 is electrically connected to the circuit 100, the first gate of the transistor M0 is electrically connected to the input terminal Sig1, and one of the source and the drain of the transistor M0 is the input terminal Sig2. The other of the source and the drain of the transistor M0 is electrically connected to the node N5.

容量素子154の一方の電極は、ノードN5と電気的に接続され、容量素子154の他方の電極には、一定の低電位が与えられる。当該低電位としては、接地電位を与えてもよい。また、ノードN5は、フリップフロップ回路153と電気的に接続されている。   One electrode of the capacitor 154 is electrically connected to the node N5, and a certain low potential is applied to the other electrode of the capacitor 154. As the low potential, a ground potential may be applied. The node N5 is electrically connected to the flip-flop circuit 153.

トランジスタM0は、オフ電流が小さいトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタM0のオフ電流は、好ましくは10−18A/μm以下、より好ましくは10−21A/μm以下、さらに好ましくは10−24A/μm以下である。オフ電流が小さいトランジスタとしては、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタが挙げられる。 The transistor M0 is preferably a transistor with low off-state current. For example, the off-state current of the transistor M0 is preferably 10 −18 A / μm or less, more preferably 10 −21 A / μm or less, and further preferably 10 −24 A / μm or less. As a transistor with low off-state current, a transistor in which a metal oxide is used for a channel formation region can be given.

レジスタ回路150は、入力端子Sig1及び入力端子Sig2からの入力信号により、データの格納、及び出力を行う。例えば、入力端子Sig1及び入力端子Sig2からHighレベルの電位が入力されると、トランジスタM0がオン状態となり、ノードN5にHighレベルの電位が入力される。その結果、レジスタ回路150の出力端子OUTから、インバータ151によって反転されたLowレベルの電位が出力されると同時に、フリップフロップ回路153には、Lowレベルの電位のデータが格納される。一方、入力端子Sig1からHighレベルの電位、入力端子Sig2からLowレベルの電位が入力されると、トランジスタM0がオン状態となり、ノードN5にLowレベルの電位が入力される。その結果、レジスタ回路150の出力端子OUTから、インバータ151によって反転されたHighレベルの電位が出力されると同時に、フリップフロップ回路153には、Highレベルの電位のデータが格納される。   The register circuit 150 stores and outputs data in accordance with input signals from the input terminal Sig1 and the input terminal Sig2. For example, when a high level potential is input from the input terminal Sig1 and the input terminal Sig2, the transistor M0 is turned on, and a high level potential is input to the node N5. As a result, the low-level potential inverted by the inverter 151 is output from the output terminal OUT of the register circuit 150, and at the same time, the low-level potential data is stored in the flip-flop circuit 153. On the other hand, when a high-level potential is input from the input terminal Sig1 and a low-level potential is input from the input terminal Sig2, the transistor M0 is turned on, and a low-level potential is input to the node N5. As a result, a high level potential inverted by the inverter 151 is output from the output terminal OUT of the register circuit 150, and at the same time, high level potential data is stored in the flip-flop circuit 153.

容量素子154は、ノードN5に書き込まれた電位を保持する機能を有する。   The capacitor 154 has a function of holding the potential written to the node N5.

レジスタ回路150は、上述のように、入力端子Sig2からトランジスタM0を介してノードN5へ電位を書き込んだ後、当該トランジスタM0をオフ状態にすることで、電源電圧の供給を停止しても、ノードN5に書き込まれた電位を長期間保持することができる。これは、本発明の一態様に係るトランジスタM0のオフ電流が、極めて小さいためである。このため、レジスタ回路150を用いることで、電源電圧の供給を停止しても長期間のデータ保持が可能な記憶装置を提供することができる。   As described above, the register circuit 150 writes the potential from the input terminal Sig2 to the node N5 via the transistor M0, and then turns off the transistor M0, so that the node 150 can be turned off even if the supply of the power supply voltage is stopped. The potential written in N5 can be held for a long time. This is because the off-state current of the transistor M0 according to one embodiment of the present invention is extremely small. Therefore, by using the register circuit 150, a memory device that can hold data for a long time even when supply of power supply voltage is stopped can be provided.

また、回路100は、トランジスタM0の第2のゲートを制御する信号を供給する機能を有する。回路100が、トランジスタM0の第2のゲートを制御することで、トランジスタM0は適切なVthをとることが可能になる。例えば、トランジスタM0が、ノーマリーオンになることを防ぐことができる。その結果、トランジスタM0のオフ電流を小さくすることができ、レジスタ回路150が有するノードN5に書き込まれた電位を長期間保持することが可能になる。   In addition, the circuit 100 has a function of supplying a signal for controlling the second gate of the transistor M0. The circuit 100 controls the second gate of the transistor M0, so that the transistor M0 can take an appropriate Vth. For example, the transistor M0 can be prevented from being normally on. As a result, the off-state current of the transistor M0 can be reduced, and the potential written in the node N5 included in the register circuit 150 can be held for a long time.

なお、本実施の形態では、フリップフロップ回路153の例として、2つのインバータ回路を用いた簡易な構成を示したが、これに限定されることなく、クロック動作の可能なクロックドインバータを用いる構成や、NAND回路とインバータを組み合わせた構成を適宜用いることができる。例えば、RS型、JK型、D型、T型等、公知のフリップフロップ回路を適宜用いることができる。   Note that although a simple configuration using two inverter circuits is shown as an example of the flip-flop circuit 153 in this embodiment, the configuration using a clocked inverter capable of clock operation is not limited thereto. Alternatively, a combination of a NAND circuit and an inverter can be used as appropriate. For example, a known flip-flop circuit such as an RS type, a JK type, a D type, or a T type can be used as appropriate.

<表示装置>
図10(A)は、表示装置に適用可能な画素170の構成例を示している。画素170は、第1のゲート及び第2のゲートを有するトランジスタM0と、容量素子171と、表示素子172と、ノードN7と、配線GLと、配線SLと、配線BGLと、を有する。
<Display device>
FIG. 10A illustrates a configuration example of the pixel 170 applicable to the display device. The pixel 170 includes a transistor M0 having a first gate and a second gate, a capacitor 171, a display element 172, a node N 7, a wiring GL, a wiring SL, and a wiring BGL.

トランジスタM0の第1のゲートは配線GLと電気的に接続され、トランジスタM0の第2のゲートは配線BGLと電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの一方は配線SLと電気的に接続され、トランジスタM0のソース又はドレインの他方はノードN7と電気的に接続される。   The first gate of the transistor M0 is electrically connected to the wiring GL, the second gate of the transistor M0 is electrically connected to the wiring BGL, and one of the source and the drain of the transistor M0 is electrically connected to the wiring SL. The other of the source and the drain of the transistor M0 is electrically connected to the node N7.

容量素子171の一方の電極はノードN7と電気的に接続され、容量素子171の他方の電極には、一定の低電位が与えられている。   One electrode of the capacitor 171 is electrically connected to the node N7, and a certain low potential is applied to the other electrode of the capacitor 171.

なお、容量素子171は、必要に応じて設ければよく、電極や配線などに付随する寄生容量で、画素170の駆動に必要な容量が得られる場合は、容量素子171を省略してもよい。   Note that the capacitor 171 may be provided as necessary, and the capacitor 171 may be omitted when a capacitance necessary for driving the pixel 170 is obtained by a parasitic capacitance associated with an electrode or a wiring. .

トランジスタM0は、オフ電流が小さいトランジスタであることが好ましい。例えば、トランジスタM0のオフ電流は、好ましくは10−18A/μm以下、より好ましくは10−21A/μm以下、さらに好ましくは10−24A/μm以下である。オフ電流が小さいトランジスタとしては、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタが挙げられる。 The transistor M0 is preferably a transistor with low off-state current. For example, the off-state current of the transistor M0 is preferably 10 −18 A / μm or less, more preferably 10 −21 A / μm or less, and further preferably 10 −24 A / μm or less. As a transistor with low off-state current, a transistor in which a metal oxide is used for a channel formation region can be given.

表示素子172の一方の電極はノードN7と電気的に接続され、表示素子172の他方の電極には、一定の低電位が与えられている。当該低電位としては、接地電位を与えてもよい。表示素子172は、その両端の電極に電位が印加されることにより、光学特性が変化する、誘電性の素子を用いることができる。例えば、液晶素子や、電子ペーパーなどに用いられる電気泳動素子、ツイストボール素子などを適用することができる。   One electrode of the display element 172 is electrically connected to the node N7, and a constant low potential is applied to the other electrode of the display element 172. As the low potential, a ground potential may be applied. As the display element 172, a dielectric element that changes optical characteristics when a potential is applied to electrodes at both ends thereof can be used. For example, a liquid crystal element, an electrophoretic element used in electronic paper or the like, a twist ball element, or the like can be used.

配線GLは、トランジスタM0のオン・オフを制御する信号を供給する機能を有し、配線SLは、トランジスタM0を介して、表示素子172に印加する電位を供給する機能を有する。   The wiring GL has a function of supplying a signal for controlling on / off of the transistor M0, and the wiring SL has a function of supplying a potential applied to the display element 172 through the transistor M0.

本発明の一態様に係るトランジスタM0のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタM0をオフ状態にすることで、ノードN7に書き込まれた電位を長期間保持することができる。ノードN7に書き込まれた電位が保持されている間、表示素子172は同じ表示状態を維持することができる。   Since the off-state current of the transistor M0 according to one embodiment of the present invention is extremely small, the potential written to the node N7 can be held for a long time by turning off the transistor M0. While the potential written to the node N7 is held, the display element 172 can maintain the same display state.

画素170は、ノードN7に書き込まれた電位を長期間保持することができるため、電源電圧の供給を止めても、表示素子172の光学特性を保持し続けることが可能となる。例えば、TN(Twisted Nematic)型液晶のようなメモリ性を有さない液晶素子を用いた場合であっても、当該素子に常に電位が印加された状態を維持することができるため、書き換え動作を無くす、又はその頻度を極めて少なくすることが可能となる。   Since the pixel 170 can hold the potential written to the node N7 for a long time, the optical characteristics of the display element 172 can be kept even if the supply of power supply voltage is stopped. For example, even when a liquid crystal element having no memory property such as a TN (Twisted Nematic) type liquid crystal is used, a state in which a potential is always applied to the element can be maintained. It can be eliminated or the frequency thereof can be extremely reduced.

図10(B)は、マトリックス状に配置された画素170と、実施の形態1に示す回路100とを有する表示装置180の回路構成を示している。   FIG. 10B illustrates a circuit configuration of a display device 180 including the pixels 170 arranged in a matrix and the circuit 100 described in Embodiment 1.

表示装置180は、m行n列のマトリックス状に配置された画素170を有する。ここで、m及びnは自然数を表す。また、m行目に配置された画素170は、配線GL[m]と電気的に接続され、n列目に配置された画素170は、配線SL[n]と電気的に接続される。   The display device 180 includes pixels 170 arranged in a matrix of m rows and n columns. Here, m and n represent natural numbers. The pixel 170 arranged in the mth row is electrically connected to the wiring GL [m], and the pixel 170 arranged in the nth column is electrically connected to the wiring SL [n].

それぞれの画素170に含まれるトランジスタM0の第2のゲートは、配線BGLを介して、回路100と電気的に接続されている。すなわち、回路100は、全ての画素170に含まれるトランジスタM0の第2のゲートを制御する信号を、供給する機能を有する。   A second gate of the transistor M0 included in each pixel 170 is electrically connected to the circuit 100 through the wiring BGL. That is, the circuit 100 has a function of supplying a signal for controlling the second gates of the transistors M0 included in all the pixels 170.

回路100が、トランジスタM0の第2のゲートを制御することで、トランジスタM0は適切なVthをとることが可能になる。例えば、トランジスタM0が、ノーマリーオンになることを防ぐことができる。その結果、トランジスタM0のオフ電流を小さくすることができ、画素170が有するノードN7に書き込まれた電位を長期間保持することが可能になる。   The circuit 100 controls the second gate of the transistor M0, so that the transistor M0 can take an appropriate Vth. For example, the transistor M0 can be prevented from being normally on. As a result, the off-state current of the transistor M0 can be reduced, and the potential written in the node N7 included in the pixel 170 can be held for a long time.

また、回路100は、これと接続する画素170内のトランジスタM0のVthを最適な値に制御、保持するだけでなく、一時的にVthを変化させることで、ノーマリーオン型のトランジスタにすることもできる。例えば、回路100に接続されたm×n個のトランジスタM0を、同時にノーマリーオン型のトランジスタに一時的に変化させることで、それぞれの画素に格納される電位(すなわち、表示画像)を、一つの信号で同時にリフレッシュすることができる。   Further, the circuit 100 not only controls and holds the Vth of the transistor M0 in the pixel 170 connected thereto to an optimal value, but also changes the Vth temporarily to make it a normally-on transistor. You can also. For example, by temporarily changing m × n transistors M0 connected to the circuit 100 to normally-on type transistors at the same time, the potential stored in each pixel (that is, the display image) is changed to one. It is possible to refresh simultaneously with two signals.

表示装置180を上記構成にすることで、書き換え頻度が少なく、低消費電力で動作できる表示装置を提供することができる。また、容易にリフレッシュ動作が可能な画素を複数有する表示装置とすることができる。また、電源の供給を止めても表示が可能な表示装置を実現することができる。   When the display device 180 has the above structure, a display device that can operate with low power consumption with low rewriting frequency can be provided. Further, a display device including a plurality of pixels that can be easily refreshed can be provided. In addition, a display device that can perform display even when power supply is stopped can be realized.

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

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1又は実施の形態2で示した、トランジスタM0又はトランジスタM1に適用可能なトランジスタの一例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a transistor that can be used as the transistor M0 or the transistor M1 described in Embodiment 1 or 2 will be described.

<トランジスタの構成例1>
図11に、本発明の一態様に係るトランジスタM0又はトランジスタM1に適用可能なトランジスタ1000の一例を示す。図11(A)は、トランジスタ1000の上面図である。また、図11(B)は、図11(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ1000のチャネル長方向の断面図である。また、図11(C)は、図1(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ1000のチャネル幅方向の断面図である。図11(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Configuration Example 1 of Transistor>
FIG. 11 illustrates an example of a transistor 1000 that can be used as the transistor M0 or the transistor M1 according to one embodiment of the present invention. FIG. 11A is a top view of the transistor 1000. FIG. FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 11A and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 1000. FIG. 11C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A3-A4 in FIG. 1A and is a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 1000. In the top view of FIG. 11A, some elements are omitted for clarity of illustration.

トランジスタ1000は、基板400上に配置されており、基板400とトランジスタ1000との間には、絶縁体401が配置される。また、トランジスタ1000上には、絶縁体410と、絶縁体410上の絶縁体420と、が配置される。   The transistor 1000 is provided over the substrate 400, and the insulator 401 is provided between the substrate 400 and the transistor 1000. Further, an insulator 410 and an insulator 420 over the insulator 410 are provided over the transistor 1000.

トランジスタ1000は、絶縁体401上の導電体310_1及び絶縁体301と、導電体310_1上及び絶縁体301上の絶縁体302と、絶縁体302上の絶縁体303と、絶縁体303上の絶縁体402と、絶縁体402上の酸化物406a1と、酸化物406a1上の酸化物406b1と、酸化物406b1の上面と接する領域を有する導電体416a1及び導電体416a2と、導電体416a1上のバリア膜417a1と、導電体416a2上のバリア膜417a2と、導電体416a1の側面、導電体416a2の側面、バリア膜417a1の側面及び上面、バリア膜417a2の側面及び上面、及び酸化物406b1の上面と接する領域を有する酸化物406c1と、酸化物406c1上の絶縁体412a1と、酸化物406b1の上面と酸化物406c1及び絶縁体412a1を介して互いに重なる領域を有する導電体404_1と、導電体404_1上の絶縁体418a1と、を有する。また、絶縁体301は、開口部を有していて、開口部内に導電体310a1及び導電体310b1が配置される。   The transistor 1000 includes a conductor 310_1 and an insulator 301 over the insulator 401, an insulator 302 over the conductor 310_1 and the insulator 301, an insulator 303 over the insulator 302, and an insulator over the insulator 303. 402, the oxide 406a1 over the insulator 402, the oxide 406b1 over the oxide 406a1, the conductors 416a1 and 416a2 having regions in contact with the top surface of the oxide 406b1, and the barrier film 417a1 over the conductor 416a1 A region in contact with the barrier film 417a2 over the conductor 416a2, the side surface of the conductor 416a1, the side surface of the conductor 416a2, the side surface and top surface of the barrier film 417a1, the side surface and top surface of the barrier film 417a2, and the top surface of the oxide 406b1. The oxide 406c1, the insulator 412a1 over the oxide 406c1, and the oxide 4 Having a conductor 404_1 which has a region overlapping with each other through the upper surface of the oxide 406c1 and insulators 412a1 of 6 b 1, an insulator 418a1 on the conductor 404_1, the. The insulator 301 has an opening, and the conductor 310a1 and the conductor 310b1 are disposed in the opening.

図11(B)及び図11(C)において、絶縁体418a1の端部、絶縁体412a2の端部及び酸化物406c1の端部は面一であり、かつチャネル長方向においては、バリア膜417a1上及びバリア膜417a2上に配置され、チャネル幅方向の一方においては、絶縁体402上に配置される。   In FIG. 11B and FIG. 11C, the end portion of the insulator 418a1, the end portion of the insulator 412a2, and the end portion of the oxide 406c1 are flush with each other and are over the barrier film 417a1 in the channel length direction. And on the barrier film 417a2 and on the insulator 402 in one of the channel width directions.

トランジスタ1000において、導電体404_1は、第1のゲート電極としての機能を有する。導電体404_1は、導電体404a1及び導電体404b1の積層構造とすることができる。さらに、導電体404_1は、3層以上の積層構造とすることもできる。例えば、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体404a1を、導電体404b1の下層に成膜することで、導電体404b1の酸化を防ぐことができる。又は、例えば、導電体404_1が、酸化耐性を有する金属を有することが好ましい。又は、例えば、酸化物導電体などを用いてもよい。又は、例えば、導電性を有する酸化物を含む多層構造としてもよい。絶縁体412a1は、第1のゲート絶縁体としての機能を有する。   In the transistor 1000, the conductor 404_1 functions as a first gate electrode. The conductor 404_1 can have a stacked structure of the conductor 404a1 and the conductor 404b1. Further, the conductor 404_1 can have a stacked structure of three or more layers. For example, the conductor 404b1 can be prevented from being oxidized by forming the conductor 404a1 having a function of suppressing permeation of oxygen on the lower layer of the conductor 404b1. Alternatively, for example, the conductor 404_1 preferably includes a metal having oxidation resistance. Alternatively, for example, an oxide conductor may be used. Alternatively, for example, a multilayer structure including a conductive oxide may be used. The insulator 412a1 functions as a first gate insulator.

また、導電体416a1及び導電体416a2は、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する。また、導電体416a1及び導電体416a2は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と積層構造とすることができる。例えば、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を上層に成膜することで、導電体416a1及び導電体416a2の酸化を防ぐことができる。又は、導電体416a1及び導電体416a2が、酸化耐性を有する金属を有することが好ましい。又は、酸化物導電体などを用いてもよい。   The conductors 416a1 and 416a2 function as a source electrode or a drain electrode. The conductors 416a1 and 416a2 can have a stacked structure with a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen. For example, the conductor 416a1 and the conductor 416a2 can be prevented from being oxidized by forming a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen in the upper layer. Alternatively, the conductor 416a1 and the conductor 416a2 preferably include a metal having oxidation resistance. Alternatively, an oxide conductor or the like may be used.

また、バリア膜417a1及びバリア膜417a2は、水素や水などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する。バリア膜417a1は、導電体416a1上にあって、導電体416a1への酸素の拡散を防止する。バリア膜417a2は、導電体416a2上にあって、導電体416a2への酸素の拡散を防止する。   The barrier films 417a1 and 417a2 have a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and water and oxygen. The barrier film 417a1 is on the conductor 416a1 and prevents oxygen from diffusing into the conductor 416a1. The barrier film 417a2 is on the conductor 416a2 and prevents diffusion of oxygen into the conductor 416a2.

トランジスタ1000において、酸化物406b1及び酸化物406c1は、チャネル形成領域を有する。そのため、トランジスタ1000は、導電体404_1に印加する電位によって、酸化物406b1及び酸化物406c1の抵抗を制御することができる。すなわち、導電体404_1に印加する電位によって、導電体416a1と導電体416a2との間の導通・非導通(トランジスタ1000のオン・オフ)を制御することができる。   In the transistor 1000, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 each include a channel formation region. Therefore, the transistor 1000 can control the resistance of the oxide 406b1 and the oxide 406c1 with the potential applied to the conductor 404_1. That is, conduction / non-conduction between the conductor 416a1 and the conductor 416a2 (on / off of the transistor 1000) can be controlled by a potential applied to the conductor 404_1.

図11(C)に示すように、第1のゲート電極の機能を有する導電体404_1は、第1のゲート絶縁体の機能を有する絶縁体412a1を介して、酸化物406b1の全体及び酸化物406c1の一部を覆うように配される。したがって、第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_1からの電界によって、酸化物406b1の全体及び酸化物406c1の一部を電気的に取り囲むことができる。第1のゲート電極からの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造と呼ぶ。   As shown in FIG. 11C, the conductor 404_1 having the function of the first gate electrode includes the whole oxide 406b1 and the oxide 406c1 through the insulator 412a1 having the function of the first gate insulator. It is arranged to cover a part of. Accordingly, the whole of the oxide 406b1 and part of the oxide 406c1 can be electrically surrounded by the electric field from the conductor 404_1 functioning as the first gate electrode. A structure of a transistor that electrically surrounds a channel formation region with an electric field from the first gate electrode is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure.

さらに、図11(B)に示すように、酸化物406b1、及び酸化物406c1で、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416a1及び導電体416a2を挟み込む形状とすることで、酸化物406b1、及び酸化物406c1が、ソース電極又はドレイン電極と接触する面積を大きくすることができる。その結果、酸化物406b1及び酸化物406c1と、導電体416a1及び導電体416a2と、のコンタクト抵抗が下げられて好ましい。   Further, as illustrated in FIG. 11B, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 are sandwiched between the conductor 416a1 and the conductor 416a2 which function as a source electrode or a drain electrode, whereby the oxide 406b1 In addition, the area in which the oxide 406c1 is in contact with the source electrode or the drain electrode can be increased. As a result, the contact resistance between the oxides 406b1 and 406c1, and the conductors 416a1 and 416a2 is preferably reduced.

酸化物406_1には、金属酸化物を用いることが好ましい。ただし、酸化物の代わりに、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、窒化ガリウム又は有機半導体などを用いても構わない場合がある。   A metal oxide is preferably used for the oxide 406_1. Note that silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, an organic semiconductor, or the like may be used instead of the oxide.

チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタは、オフ状態におけるリーク電流が極めて小さい。そのため、当該トランジスタを用いた半導体装置は、極めて消費電力の小さい半導体装置とすることができる。また、金属酸化物は、スパッタリング法などを用いて成膜することができる。そのため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに金属酸化物を用いるのが好適である。   A transistor using a metal oxide for a channel formation region has extremely small leakage current in an off state. Therefore, a semiconductor device using the transistor can be a semiconductor device with extremely low power consumption. Further, the metal oxide can be formed by a sputtering method or the like. Therefore, it is preferable to use a metal oxide for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.

一方で、金属酸化物を用いたトランジスタは、金属酸化物中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。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。したがって、酸素欠損が含まれている金属酸化物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。このため、金属酸化物中の酸素欠損は、できる限り低減されていることが好ましい。   On the other hand, in a transistor using a metal oxide, its electrical characteristics are likely to vary due to impurities and oxygen vacancies in the metal oxide, and reliability may deteriorate. In addition, hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. Therefore, a transistor including a metal oxide containing oxygen vacancies is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that the oxygen deficiency in a metal oxide is reduced as much as possible.

金属酸化物は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれていてもよい。   The metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, indium and zinc are preferably included. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. One or more kinds selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, and the like may be included.

ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素M及び亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどとする。その他の元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。   Here, a case where the metal oxide is an In-M-Zn oxide containing indium, the element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Examples of other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

ここで、酸化物406b1及び酸化物406c1に用いるIn−M−Zn酸化物は、それぞれInの方が元素Mより多くの原子を含むことが好ましい。このような酸化物とすることで、酸化物中のキャリア密度が上がり、トランジスタ1000の移動度も高くなる。また、第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_1側に当該酸化物を配置することで、導電体404_1によるチャネル形成領域のキャリア制御性が高くなり好ましい。   Here, each of In-M-Zn oxides used for the oxide 406b1 and the oxide 406c1 preferably contains more atoms than the element M in In. With such an oxide, the carrier density in the oxide is increased and the mobility of the transistor 1000 is increased. In addition, it is preferable that the oxide be placed on the conductor 404_1 functioning as the first gate electrode because carrier control in the channel formation region of the conductor 404_1 is increased.

ここで、例えば、酸化物406b1と、酸化物406c1とは、等しいか、又は近傍の組成の金属酸化物を用いることが好ましい。又は、例えば、酸化物406b1と、酸化物406c1とは、同じスパッタリングターゲット部材を用いて成膜することが好ましい。又は、例えば、酸化物406b1と、酸化物406c1とは、概ね同じ組成を有するスパッタリングターゲット部材を用いて成膜することが好ましい。又は、例えば、酸化物406b1と、酸化物406c1とは、概ね同じプロセス条件(例えば、成膜温度、酸素ガスの比率など)で成膜することが好ましい。   Here, for example, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 are preferably the same or in the vicinity of a metal oxide having a composition. Alternatively, for example, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 are preferably formed using the same sputtering target member. Alternatively, for example, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 are preferably formed using a sputtering target member having substantially the same composition. Alternatively, for example, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 are preferably formed under substantially the same process conditions (for example, a film formation temperature and a ratio of oxygen gas).

又は、例えば、酸化物406b1と、酸化物406c1とは、異なる組成を有するスパッタリングターゲット部材を用いて成膜してもよい。例えば、酸化物406b1と、酸化物406c1との、プロセス条件(例えば、成膜温度、酸素ガスの比率など)を適宜調整することで、酸化物406b1と、酸化物406c1と、を等しいか、又は近傍の組成を有する金属酸化物として成膜することができる場合がある。酸化物406b1及び酸化物406c1には、組成の近い金属酸化物を用いるほうが好ましい場合があるが、要求される厚さや機能が異なるため、最適な成膜条件も異なってくる場合がある。したがって、異なる組成を有するスパッタリングターゲット部材を用いて、酸化物406b1と、酸化物406c1とを成膜したほうが、等しいか、又は近傍の組成のスパッタリングターゲット部材を用いて成膜した場合よりも、酸化物406b1と酸化物406c1との組成を近付けることができて好ましい場合がある。   Alternatively, for example, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 may be formed using sputtering target members having different compositions. For example, the oxide 406b1 and the oxide 406c1 can be made equal to each other by appropriately adjusting process conditions (for example, the film formation temperature and the oxygen gas ratio) of the oxide 406b1 and the oxide 406c1. In some cases, the film can be formed as a metal oxide having a composition in the vicinity. As the oxide 406b1 and the oxide 406c1, it is preferable to use a metal oxide having a similar composition. However, since required thicknesses and functions are different, optimum film formation conditions may be different. Therefore, it is easier to form the oxide 406b1 and the oxide 406c1 using a sputtering target member having a different composition than when a film is formed using a sputtering target member having an equal composition or a nearby composition. In some cases, the compositions of the material 406b1 and the oxide 406c1 can be made close to each other.

酸化物406b1と、酸化物406c1とを、等しいか、又は近傍の組成とすることで、酸化物406b1の電子親和力と、酸化物406c1の電子親和力とは、等しいか、差が小さくなる。特に、組成だけでなく、プロセス条件も概ね同じであれば、酸化物406b1の電子親和力と、酸化物406c1の電子親和力とは、等しいか、差が小さくなる。したがって、酸化物406b1と、酸化物406c1との界面準位密度を低減することができる。当該界面準位密度を低減することで、トランジスタ1000のオン電流の低下を防止すると共に、信頼性を向上させることができる。なお、電子親和力とは、真空準位Evacと伝導帯下端のエネルギー値Ecとのエネルギー差のことである。酸化物406b1のEcと、酸化物406c1のEcとの差は小さい方が好ましく、0eV以上0.15eV以下、より好ましくは、0eV以上0.07eVとする。   By setting the oxide 406b1 and the oxide 406c1 to have the same composition or in the vicinity thereof, the electron affinity of the oxide 406b1 and the electron affinity of the oxide 406c1 are equal to each other or the difference is reduced. In particular, when not only the composition but also the process conditions are substantially the same, the electron affinity of the oxide 406b1 and the electron affinity of the oxide 406c1 are equal or have a small difference. Therefore, the interface state density between the oxide 406b1 and the oxide 406c1 can be reduced. By reducing the interface state density, reduction in on-state current of the transistor 1000 can be prevented and reliability can be improved. The electron affinity is the energy difference between the vacuum level Evac and the energy value Ec at the bottom of the conduction band. The difference between the Ec of the oxide 406b1 and the Ec of the oxide 406c1 is preferably small, and is set to 0 eV or more and 0.15 eV or less, more preferably 0 eV or more and 0.07 eV.

電子親和力又はEcは、図13に示すように、真空準位Evacと価電子帯上端のエネルギーEvとの差であるイオン化ポテンシャルIpと、バンドギャップEgから求めることができる。イオン化ポテンシャルIpは、例えば、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定することができる。バンドギャップEgは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。   As shown in FIG. 13, the electron affinity or Ec can be obtained from the ionization potential Ip, which is the difference between the vacuum level Evac and the energy Ev at the top of the valence band, and the band gap Eg. The ionization potential Ip can be measured using, for example, an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) apparatus. The band gap Eg can be measured using, for example, a spectroscopic ellipsometer.

また、トランジスタ1000の構成において、酸化物406b1の上面、及び側面に、ソース電極又はドレイン電極を形成する際の加工ダメージが生じる場合がある。つまり、酸化物406b1と、酸化物406c1との界面近傍に、加工ダメージによる欠陥が生じる場合がある。   Further, in the structure of the transistor 1000, processing damage may occur when the source electrode or the drain electrode is formed on the top surface and the side surface of the oxide 406b1. That is, a defect due to processing damage may occur in the vicinity of the interface between the oxide 406b1 and the oxide 406c1.

しかしながら、酸化物406b1と、酸化物406c1とに、等しいか、又は近傍の組成の金属酸化物を用いることで、酸化物406b1と酸化物406c1のEcを等しくするか、又は両者のEc差を小さくすることができる。こうすることで、トランジスタ1000のチャネルが形成される領域を、酸化物406b1と、酸化物406c1との界面近傍だけではなく、酸化物406c1と、第1のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体412a1との界面近傍にも、設けることができる。   However, the oxides 406b1 and 406c1 can be made to have the same Ec by reducing the Ec difference between the oxides 406b1 and 406c1 by using a metal oxide having the same composition or a nearby composition. can do. Thus, the region where the channel of the transistor 1000 is formed is not limited to the vicinity of the interface between the oxide 406b1 and the oxide 406c1, but also the oxide 406c1 and an insulator that functions as a first gate insulator. It can also be provided near the interface with 412a1.

これにより、酸化物406b1と、酸化物406c1との界面近傍が加工ダメージを有していたとしても、当該加工ダメージが、トランジスタ1000の電気特性に与える影響を小さくすることができる。さらに、酸化物406c1となる酸化物と、第1のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体412a1となる絶縁体を積層して成膜した後に、酸化物406c1となる酸化物と、絶縁体412a1となる絶縁体を加工し、酸化物406c1と、絶縁体412a1と、を形成すれば、酸化物406c1と、絶縁体412a1と、の界面近傍を、当該加工によるダメージの影響を受けない良好な界面近傍とすることができる。   Thus, even if the vicinity of the interface between the oxide 406b1 and the oxide 406c1 has processing damage, the influence of the processing damage on the electrical characteristics of the transistor 1000 can be reduced. Further, after an oxide to be the oxide 406c1 and an insulator to be the insulator 412a1 functioning as the first gate insulator are stacked, the oxide to be the oxide 406c1 and the insulator 412a1 When the insulator to be processed is processed to form the oxide 406c1 and the insulator 412a1, the vicinity of the interface between the oxide 406c1 and the insulator 412a1 is not affected by damage due to the processing. It can be in the vicinity.

以上のようにして、トランジスタ1000の信頼性を向上させることができる。また、酸化物406b1の全体及び酸化物406c1の一部が、トランジスタ1000の第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_1からの電界によって取り囲まれている(s−channel構造)ことから、チャネル形成領域のキャリアの制御性が高くなり、トランジスタ1000のオン電流を大きくすると共に、オフ電流を小さくすることができる。   As described above, the reliability of the transistor 1000 can be improved. Further, the entire oxide 406b1 and part of the oxide 406c1 are surrounded by an electric field from the conductor 404_1 functioning as the first gate electrode of the transistor 1000 (s-channel structure); thus, the channel The controllability of carriers in the formation region is increased, so that the on-state current of the transistor 1000 can be increased and the off-state current can be decreased.

また、トランジスタ1000は、第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_1と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416a1及び導電体416a2とが、重なる領域を有することで、導電体404_1と、導電体416a1と、で形成される寄生容量、及び、導電体404_1と、導電体416a2と、で形成される寄生容量を有する。   In addition, the transistor 1000 includes a region in which the conductor 404_1 functioning as a first gate electrode and the conductors 416a1 and 416a2 serving as a source electrode or a drain electrode overlap with each other. 404_1 and a conductor 416a1 and a parasitic capacitance formed by the conductor 404_1 and the conductor 416a2.

トランジスタ1000は、導電体404_1と導電体416a1との間に、絶縁体412a1、酸化物406c1に加えて、バリア膜417a1を有している。そのため、導電体404_1と導電体416a1との間の膜厚が厚くなり、その分だけ、導電体404_1と導電体416a1との間の寄生容量を小さくすることができる。同様に、導電体404_1と導電体416a2との間に、絶縁体412a1、酸化物406c1に加えて、バリア膜417a2を有していることで、導電体404_1と導電体416a2との間の寄生容量を小さくすることができる。このため、トランジスタ1000は、当該寄生容量が周波数特性に与える悪影響(遅延等)を低減することができる。   The transistor 1000 includes a barrier film 417a1 in addition to the insulator 412a1 and the oxide 406c1 between the conductor 404_1 and the conductor 416a1. Therefore, the film thickness between the conductor 404_1 and the conductor 416a1 is increased, and the parasitic capacitance between the conductor 404_1 and the conductor 416a1 can be reduced by that amount. Similarly, a barrier film 417a2 is provided between the conductor 404_1 and the conductor 416a2 in addition to the insulator 412a1 and the oxide 406c1, so that the parasitic capacitance between the conductor 404_1 and the conductor 416a2 is increased. Can be reduced. Therefore, the transistor 1000 can reduce an adverse effect (delay or the like) that the parasitic capacitance has on the frequency characteristics.

また、トランジスタ1000を上記の構成とすることで、トランジスタ1000の動作時、例えば、導電体404_1と、導電体416a1又は導電体416a2との間に電位差が生じた時に、導電体404_1と、導電体416a1又は導電体416a2と、の間のリーク電流を低減することができる。なぜなら、トランジスタ1000は、バリア膜417a1又はバリア膜417a2を有している分、導電体404_1と、導電体416a1又は導電体416a2との間の膜厚が厚いためである。   In addition, when the transistor 1000 has the above structure, when the transistor 1000 is operated, for example, when a potential difference is generated between the conductor 404_1 and the conductor 416a1 or 416a2, the conductor 404_1 and the conductor Leakage current between 416a1 and the conductor 416a2 can be reduced. This is because the transistor 1000 includes the barrier film 417a1 or the barrier film 417a2, and thus the thickness between the conductor 404_1 and the conductor 416a1 or 416a2 is thick.

導電体310_1は、絶縁体301に形成された開口に設けられている。絶縁体301の開口の内壁に接して導電体310a1が形成され、さらに内側に導電体310b1が形成されている。ここで、導電体310a1及び導電体310b1の上面の高さと、絶縁体301の上面の高さは同程度にできる。導電体310_1は、第2のゲート電極としての機能を有する。また、導電体310_1は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含む多層膜とすることもできる。例えば、導電体310a1を、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体とすることで、導電体310b1の酸化による導電率の低下を防ぐことができる。   The conductor 310_1 is provided in an opening formed in the insulator 301. A conductor 310a1 is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 301, and a conductor 310b1 is further formed inside. Here, the heights of the upper surfaces of the conductors 310a1 and 310b1 and the height of the upper surface of the insulator 301 can be approximately the same. The conductor 310_1 functions as a second gate electrode. Alternatively, the conductor 310_1 can be a multilayer film including a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen. For example, when the conductor 310a1 is a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen, a decrease in conductivity due to oxidation of the conductor 310b1 can be prevented.

絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402は、第2のゲート絶縁体としての機能を有する。第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_1へ印加する電位によって、トランジスタ1000のVthを制御することができる。   The insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402 function as a second gate insulator. Vth of the transistor 1000 can be controlled by a potential applied to the conductor 310_1 functioning as the second gate electrode.

<トランジスタの構成例2>
本発明の一態様に係るトランジスタM0又はトランジスタM1には、上述したトランジスタ1000の構成を適用することができる。トランジスタ1000の構成は、トランジスタM0に対して適用してもよいし、トランジスタM1に対して適用してもよい。又は、トランジスタM0とトランジスタM1の双方に対して適用してもよい。しかしながら、実施の形態1で説明したように、トランジスタM0及びトランジスタM1は、本発明の一態様にかかる半導体装置10又は半導体装置20において、それぞれ異なる役割を担う。そのため、トランジスタM0及びトランジスタM1には、それぞれの役割に適した構成を有するトランジスタを用いることが好ましい。特に、トランジスタM1については、トランジスタM0よりもVthが大きいことや、チャージトラップ層への電子注入時に第2のゲートから印加される電位に対する耐性など、トランジスタM0には無い特徴が求められる。そこで、以下では、主にトランジスタM1へ適用することが好ましい、トランジスタ2000の構成例について説明する。なお、以下では、トランジスタ2000を、上述したトランジスタ1000と同様に、基板400及び絶縁体401上に作製した場合について説明するが、本発明の一態様はこの限りではない。トランジスタ1000とトランジスタ2000を、それぞれ、同一基板内の別の層に作製してもよい。
<Configuration Example 2 of Transistor>
The above-described structure of the transistor 1000 can be applied to the transistor M0 or the transistor M1 according to one embodiment of the present invention. The structure of the transistor 1000 may be applied to the transistor M0 or may be applied to the transistor M1. Alternatively, the present invention may be applied to both the transistor M0 and the transistor M1. However, as described in Embodiment 1, the transistor M0 and the transistor M1 have different roles in the semiconductor device 10 or the semiconductor device 20 according to one embodiment of the present invention. Therefore, it is preferable to use a transistor having a structure suitable for each role as the transistor M0 and the transistor M1. In particular, the transistor M1 is required to have characteristics that the transistor M0 does not have, such as Vth larger than that of the transistor M0 and resistance to a potential applied from the second gate when electrons are injected into the charge trap layer. Thus, in the following, a configuration example of the transistor 2000, which is preferably applied mainly to the transistor M1, will be described. Note that the case where the transistor 2000 is formed over the substrate 400 and the insulator 401 in a manner similar to the transistor 1000 described above is described below; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. The transistor 1000 and the transistor 2000 may each be formed in different layers in the same substrate.

図12(A)は、トランジスタ2000の上面図である。図12(B)は、図12(A)にB1−B2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ2000のチャネル長方向の断面図である。また、図12(C)は、図12(A)にB3−B4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ2000のチャネル幅方向の断面図である。図12(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。   FIG. 12A is a top view of the transistor 2000. FIG. FIG. 12B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line B1-B2 in FIG. 12A and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 2000. FIG. 12C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line B3-B4 in FIG. 12A, and is a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 2000. In the top view of FIG. 12A, some elements are omitted for clarity.

トランジスタ2000は、基板400上に配置されており、基板400とトランジスタ2000との間には、絶縁体401が配置される。また、トランジスタ2000上には、絶縁体410と、絶縁体410上の絶縁体420と、が配置される。   The transistor 2000 is provided over the substrate 400, and the insulator 401 is provided between the substrate 400 and the transistor 2000. Further, an insulator 410 and an insulator 420 over the insulator 410 are provided over the transistor 2000.

トランジスタ2000は、絶縁体401上の導電体310_2及び絶縁体301と、導電体310_2上及び絶縁体301上の絶縁体302と、絶縁体302上の絶縁体303と、絶縁体303上の絶縁体402と、絶縁体402上の酸化物406a2及び酸化物406a3と、酸化物406a2上の酸化物406b2及び酸化物406a3上の酸化物406b3と、酸化物406b2の上面と接する領域を有する導電体416b1と、酸化物406b3の上面と接する領域を有する導電体416b2と、導電体416b1上のバリア膜417b1と、導電体416b2上のバリア膜417b2と、導電体416b1の側面、導電体416b2の側面、酸化物406b2の上面及び側面、酸化物406b3の上面及び側面、酸化物406a2の側面、酸化物406a3の側面と接する領域を有する酸化物406c2と、酸化物406c2上の絶縁体412a2と、絶縁体412a2上の導電体404_2と、導電体404_2上の絶縁体418a2と、を有する。また、絶縁体301は、開口部を有していて、開口部内に導電体310a2及び導電体310b2が配置される。   The transistor 2000 includes a conductor 310_2 and an insulator 301 over the insulator 401, an insulator 302 over the conductor 310_2 and the insulator 301, an insulator 303 over the insulator 302, and an insulator over the insulator 303. 402, the oxide 406a2 and the oxide 406a3 over the insulator 402, the oxide 406b2 and the oxide 406b3 over the oxide 406a3, and a conductor 416b1 having a region in contact with the top surface of the oxide 406b2 , A conductor 416b2 having a region in contact with the top surface of the oxide 406b3, a barrier film 417b1 over the conductor 416b1, a barrier film 417b2 over the conductor 416b2, a side surface of the conductor 416b1, a side surface of the conductor 416b2, 406b2 top and side surfaces, oxide 406b3 top and side surfaces, oxide 406a2 A side surface, an oxide 406C2 having a region which is in contact with the side surface of the oxide 406A3, an insulator 412A2 on oxide 406C2, the conductor 404_2 on insulator 412A2, an insulator 418a2 on the conductor 404_2, the. The insulator 301 has an opening, and the conductor 310a2 and the conductor 310b2 are disposed in the opening.

トランジスタ2000において、導電体404_2は第1のゲート電極としての機能を有する。また、導電体404_2は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と積層構造とすることができる。例えば、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を下層に成膜することで導電体404_2の酸化を防ぐことができる。又は、導電体404_2が酸化耐性を有する金属を有することが好ましい。又は、酸化物導電体などを用いてもよい。絶縁体412a2は第1のゲート絶縁体としての機能を有する。   In the transistor 2000, the conductor 404_2 functions as a first gate electrode. The conductor 404_2 can have a stacked structure with a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen. For example, the conductor 404_2 can be prevented from being oxidized by forming a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen as a lower layer. Alternatively, the conductor 404_2 preferably includes a metal having oxidation resistance. Alternatively, an oxide conductor or the like may be used. The insulator 412a2 functions as a first gate insulator.

また、導電体416b1及び導電体416b2は、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する。また、導電体416b1及び導電体416b2は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と積層構造とすることができる。例えば、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を上層に成膜することで、導電体416b1及び導電体416b2の酸化を防ぐことができる。又は、導電体416b1及び導電体416b2が、酸化耐性を有する金属を有することが好ましい。又は、酸化物導電体などを用いてもよい。   The conductors 416b1 and 416b2 function as a source electrode or a drain electrode. The conductors 416b1 and 416b2 can have a stacked structure with a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen. For example, the conductor 416b1 and the conductor 416b2 can be prevented from being oxidized by forming a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen in the upper layer. Alternatively, the conductor 416b1 and the conductor 416b2 preferably include a metal having oxidation resistance. Alternatively, an oxide conductor or the like may be used.

また、バリア膜417b1及びバリア膜417b2は、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する。バリア膜417b1は、導電体416b1上にあって、導電体416b1への酸素の拡散を防止する。バリア膜417b2は、導電体416b2上にあって、導電体416b2への酸素の拡散を防止する。   The barrier films 417b1 and 417b2 have a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen. The barrier film 417b1 is on the conductor 416b1 and prevents oxygen from diffusing into the conductor 416b1. The barrier film 417b2 is on the conductor 416b2 and prevents oxygen from diffusing into the conductor 416b2.

トランジスタ2000は、図12(B)に示すように、酸化物406a2、酸化物406b2及び導電体416b1を含む層と、酸化物406a3、酸化物406b3及び導電体416b2を含む層とは、絶縁体402の上面の一部と、酸化物406c2とが接する領域を挟むように配置されている。ここで、酸化物406a2、酸化物406b2及び導電体416b1を含む層と、酸化物406a3、酸化物406b3及び導電体416b2を含む層とが、互いに向かい合う側面を一方の側面、それぞれの層とが、向かい合わない側面、すなわち、一方の側面の反対側の側面を他方の側面と呼ぶことにする。   As shown in FIG. 12B, the transistor 2000 includes a layer including the oxide 406a2, the oxide 406b2, and the conductor 416b1, and a layer including the oxide 406a3, the oxide 406b3, and the conductor 416b2 Is disposed so as to sandwich a region where a part of the upper surface of the oxide film 406c2 is in contact with the oxide 406c2. Here, a layer including the oxide 406a2, the oxide 406b2, and the conductor 416b1, and a layer including the oxide 406a3, the oxide 406b3, and the conductor 416b2 have one side surface and each layer facing each other. The side surfaces that do not face each other, that is, the side surface opposite to one side surface will be referred to as the other side surface.

酸化物406c2は、導電体416b1の一方の側面及び導電体416b2の一方の側面と接する領域を有する。さらに、酸化物406c2は、酸化物406b2の上面の一部と一方の側面、酸化物406b3の上面の一部と一方の側面、酸化物406a2の一方の側面及び酸化物406a3の一方の側面と接する領域も有する。つまり、一方の側面は、導電体416b1及び導電体416b2が、酸化物406b2及び酸化物406b3より後退し、階段状の形状を有する。このような階段状の形状を有することによって、導電体416b1、導電体416b2、酸化物406b2、酸化物406b3、酸化物406a2、及び酸化物406a3に対する酸化物406c2の被覆性が高まるため、好適である。また、他方の側面は、酸化物406a2、酸化物406b2及び導電体416b1と、酸化物406a3、酸化物406b3及び導電体416b2と、は概ね一致した形状を有する。つまり、他方の側面は、面一の形状を有する。   The oxide 406c2 includes a region in contact with one side surface of the conductor 416b1 and one side surface of the conductor 416b2. Further, the oxide 406c2 is in contact with part of the top surface of the oxide 406b2 and one side surface, part of the top surface of the oxide 406b3 and one side surface, one side surface of the oxide 406a2, and one side surface of the oxide 406a3. It also has a region. That is, on one side surface, the conductor 416b1 and the conductor 416b2 are recessed from the oxide 406b2 and the oxide 406b3, and have a stepped shape. With such a step shape, the coverage of the oxide 406c2 with respect to the conductor 416b1, the conductor 416b2, the oxide 406b2, the oxide 406b3, the oxide 406a2, and the oxide 406a3 is preferable. . In the other side surface, the oxide 406a2, the oxide 406b2, and the conductor 416b1, and the oxide 406a3, the oxide 406b3, and the conductor 416b2 have shapes that are approximately the same. That is, the other side surface has a flush shape.

トランジスタ2000において、酸化物406c2は、チャネル形成領域を有する。そのため、トランジスタ2000は、導電体404_2に印加する電位によって、酸化物406c2の抵抗を制御することができる。すなわち、導電体404_2に印加する電位によって、導電体416b1と導電体416b2との間の導通・非導通(トランジスタ2000のオン・オフ)を制御することができる。   In the transistor 2000, the oxide 406c2 includes a channel formation region. Therefore, the transistor 2000 can control the resistance of the oxide 406c2 by the potential applied to the conductor 404_2. In other words, conduction / non-conduction between the conductor 416b1 and the conductor 416b2 (on / off of the transistor 2000) can be controlled by a potential applied to the conductor 404_2.

トランジスタ2000は、酸化物406c2にチャネル形成領域を有する。これに対して、トランジスタ1000では、上述したように、それぞれ等しいか、又は近傍の組成の酸化物である酸化物406b1及び酸化物406c1の2層にチャネル形成領域を有する。ここで、酸化物406c1と酸化物c2とは、いずれも酸化物406cを加工して形成するため(別途、後述する。)、トランジスタ2000のチャネル形成領域を有する酸化物(酸化物406c2)と、トランジスタ1000のチャネル形成領域を有する酸化物(酸化物406b1及び酸化物406c1)とは、ほぼ等しい組成からなる酸化物であり、その膜厚のみが異なると言ってもよい(トランジスタ2000のほうが、トランジスタ1000よりも、チャネル形成領域を有する酸化物の膜厚が薄い。)。そのため、トランジスタ1000とトランジスタ2000とは、それぞれ異なる電気特性を有する。具体的には、トランジスタ2000のほうが、トランジスタ1000よりもVthが大きく、低いオフ電流を有することができる。   The transistor 2000 includes a channel formation region in the oxide 406c2. On the other hand, as described above, the transistor 1000 includes channel formation regions in two layers of the oxide 406b1 and the oxide 406c1, which are oxides having the same composition or in the vicinity. Here, the oxide 406c1 and the oxide c2 are both formed by processing the oxide 406c (separately described later); therefore, an oxide having a channel formation region of the transistor 2000 (oxide 406c2); It can be said that the oxides having the channel formation region of the transistor 1000 (oxides 406b1 and 406c1) are oxides having substantially the same composition and differ only in film thickness (the transistor 2000 is different in transistor). The thickness of the oxide having a channel formation region is smaller than 1000.) Therefore, the transistor 1000 and the transistor 2000 have different electrical characteristics. Specifically, the transistor 2000 has a larger Vth than the transistor 1000 and can have a low off-state current.

酸化物406a2及び酸化物406a3は、いずれも酸化物406aを加工して形成するため(別途、後述する。)、同じ組成の金属酸化物である。同様に、酸化物406b2及び酸化物406b3は、いずれも酸化物406bを加工して形成するため(別途、後述する。)、同じ組成の金属酸化物である。   Since the oxide 406a2 and the oxide 406a3 are both formed by processing the oxide 406a (separately described later), they are metal oxides having the same composition. Similarly, both the oxide 406b2 and the oxide 406b3 are metal oxides having the same composition because they are formed by processing the oxide 406b (separately described later).

なお、酸化物406b2、酸化物406b3、及び酸化物406c2に用いるIn−M−Zn酸化物は、それぞれ、Inのほうが元素Mより多くの原子を含むことが好ましい。   Note that each of the In-M-Zn oxides used for the oxide 406b2, the oxide 406b3, and the oxide 406c2 preferably contains more atoms than the element M in In.

ここで、酸化物406b2及び酸化物406b3と、酸化物406c2とを、等しいか、又は近傍の組成とすることで、酸化物406b2及び酸化物406b3の電子親和力と、酸化物406c2の電子親和力とは、等しいか、差が小さくなる。したがって、酸化物406b2と、酸化物406c2との界面準位密度、及び酸化物406b3と、酸化物406c2との界面準位密度を低減することができる。当該界面準位密度を低減することで、トランジスタ2000の信頼性を向上させることができる。酸化物406b2及び酸化物406b3のEcと、酸化物406c2のEcとの差は小さい方が好ましく、0eV以上0.15eV以下、より好ましくは、0eV以上0.07eV以下とする。   Here, the oxide affinities of the oxide 406b2 and the oxide 406b3 and the electron affinity of the oxide 406c2 can be obtained by setting the oxides 406b2 and 406b3 and the oxide 406c2 to have the same or close composition. , Equal or smaller difference. Therefore, the interface state density between the oxide 406b2 and the oxide 406c2 and the interface state density between the oxide 406b3 and the oxide 406c2 can be reduced. By reducing the interface state density, the reliability of the transistor 2000 can be improved. The difference between the Ec of the oxide 406b2 and the oxide 406b3 and the Ec of the oxide 406c2 is preferably smaller, and is 0 eV or more and 0.15 eV or less, more preferably 0 eV or more and 0.07 eV or less.

また、トランジスタ2000は、第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_2と、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416b1及び導電体416b2とは、重なる領域を有することで、導電体404_2と、導電体416b1と、で形成される寄生容量、及び、導電体404_2と、導電体416b2と、で形成される寄生容量を有する。   In the transistor 2000, the conductor 404_2 having a function as a first gate electrode and the conductors 416b1 and 416b2 having a function as a source electrode or a drain electrode have regions overlapping with each other. 404_2 and a conductor 416b1 and a parasitic capacitance formed by the conductor 404_2 and a conductor 416b2.

トランジスタ2000は、導電体404_2と導電体416b1との間に、絶縁体412a2、酸化物406c2に加えて、バリア膜417b1を有している。そのため、導電体404_2と導電体416b1との間の膜厚が厚くなり、その分だけ、導電体404_2と導電体416b1との間の寄生容量を小さくすることができる。同様に、導電体404_2と導電体416b2との間に、絶縁体412a2、酸化物406c2に加えて、バリア膜417b2を有していることで、導電体404_2と導電体416b2との間の寄生容量を小さくすることができる。このため、トランジスタ2000は、当該寄生容量が周波数特性に与える悪影響(遅延等)を低減することができる。   The transistor 2000 includes a barrier film 417b1 in addition to the insulator 412a2 and the oxide 406c2 between the conductor 404_2 and the conductor 416b1. Therefore, the film thickness between the conductor 404_2 and the conductor 416b1 is increased, and the parasitic capacitance between the conductor 404_2 and the conductor 416b1 can be reduced accordingly. Similarly, in addition to the insulator 412a2 and the oxide 406c2, the barrier film 417b2 is provided between the conductor 404_2 and the conductor 416b2, so that the parasitic capacitance between the conductor 404_2 and the conductor 416b2 is increased. Can be reduced. Therefore, the transistor 2000 can reduce an adverse effect (delay or the like) that the parasitic capacitance has on the frequency characteristics.

また、トランジスタ2000を上記の構成とすることで、トランジスタ2000の動作時、例えば、導電体404と、導電体416a1又は導電体416a2との間に電位差が生じた時に、導電体404と、導電体416a1又は導電体416a2と、の間のリーク電流を低減することができる。なぜなら、トランジスタ2000は、バリア膜417b1又はバリア膜417b2を有している分、導電体404_2と、導電体416b1又は導電体416b2との間の膜厚が厚いためである。   Further, when the transistor 2000 has the above structure, when the transistor 2000 is operated, for example, when a potential difference is generated between the conductor 404 and the conductor 416a1 or 416a2, the conductor 404 and the conductor Leakage current between 416a1 and the conductor 416a2 can be reduced. This is because the transistor 2000 includes the barrier film 417b1 or the barrier film 417b2, and thus the thickness between the conductor 404_2 and the conductor 416b1 or 416b2 is large.

また、導電体310_2は、第2のゲート電極としての機能を有する。導電体310a2は、導電性バリア膜としての機能を有する。導電体310a2は、導電体310b2の底面及び側面を包む様に配置することによって、導電体310b2の酸化を防止することができる。   In addition, the conductor 310_2 functions as a second gate electrode. The conductor 310a2 functions as a conductive barrier film. The conductor 310a2 can be prevented from being oxidized by being disposed so as to surround the bottom surface and the side surface of the conductor 310b2.

また、本発明の一態様に係るトランジスタ2000は、チャージトラップ層への電子注入・保持を行うことができるが、図3(A)及び図5(A)で例示したように、チャージトラップ層への電子注入を行うために、第2のゲート電極(導電体310_2)からチャージトラップ層に強い正電位を印加する場合がある。   In addition, the transistor 2000 according to one embodiment of the present invention can inject and hold electrons in the charge trap layer. As illustrated in FIGS. 3A and 5A, In order to perform electron injection, a strong positive potential may be applied from the second gate electrode (conductor 310_2) to the charge trap layer.

トランジスタ1000では、第1のゲート電極(導電体404_1)と第2のゲート電極(導電体310_2)との間の膜構成が、図11(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面方向で異なり、酸化物406a1、酸化物406b1、導電膜416a1(導電膜416a2)、及びバリア膜417a1(導電膜417a2)を有さない領域の膜厚が最も薄くなっている(図11(C)参照。)。当該領域は、両ゲート電極間に絶縁体302、絶縁体303、絶縁体402、酸化物406c1、及び絶縁体412a1のみを有する。したがって、例えば、トランジスタ1000のチャージトラップ層に、電子注入のための電位印加を行った場合、上記領域において強い電荷集中が生じ、当該領域にて絶縁耐圧破壊を誘発する可能性がある。   In the transistor 1000, the film configuration between the first gate electrode (conductor 404_1) and the second gate electrode (conductor 310_2) is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. The regions where the oxide 406a1, the oxide 406b1, the conductive film 416a1 (conductive film 416a2), and the barrier film 417a1 (conductive film 417a2) are not provided have the smallest thickness (FIG. 11C). reference.). The region includes only the insulator 302, the insulator 303, the insulator 402, the oxide 406c1, and the insulator 412a1 between both gate electrodes. Therefore, for example, when a potential is applied for electron injection to the charge trap layer of the transistor 1000, strong charge concentration occurs in the region, and dielectric breakdown may be induced in the region.

一方、トランジスタ2000では、第1のゲート電極(導電体404_2)と第2のゲート電極(導電体310_2)との間の膜構成が、図12(A)にB3−B4の一点鎖線で示す部位の断面方向で同一であり、絶縁体302、絶縁体303、絶縁体402、酸化物406c2、ソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416b1、バリア膜417b1、絶縁体412a2、及び第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_2と、を有している(図12(C)参照。)。   On the other hand, in the transistor 2000, a film structure between the first gate electrode (conductor 404_2) and the second gate electrode (conductor 310_2) is indicated by a dashed-dotted line in FIG. , The insulator 302, the insulator 303, the insulator 402, the oxide 406c2, the conductor 416b1 functioning as a source or drain electrode, the barrier film 417b1, the insulator 412a2, and the first And a conductor 404_2 having a function as a gate electrode (see FIG. 12C).

また、トランジスタ2000は、第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_2とソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416b1とが重なる領域において、第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2のチャネル幅方向の長さが、導電体416b1のチャネル幅方向の長さよりも短い。同様に、第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_2とソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416b2とが重なる領域において、第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2のチャネル幅方向の長さが、導電体416b2のチャネル幅方向の長さよりも短い(図12(A)及び図12(C)参照。)。そのため、トランジスタ2000では、第2のゲート電極(導電体310_2)に強い電位を印加した場合であっても、上面視(図12(A)参照。)で導電体416b1又は導電体416b2が存在する領域については、導電体416b1又は導電体416b2による電界遮蔽の影響で、第1のゲート電極(導電体404_2)と第2のゲート電極(導電体310_2)との間に強い電界集中が生じることが無い。   In addition, the transistor 2000 has a conductive function as a second gate electrode in a region where the conductor 404_2 having a function as a first gate electrode overlaps with a conductor 416b1 having a function as a source electrode or a drain electrode. The length of the body 310_2 in the channel width direction is shorter than the length of the conductor 416b1 in the channel width direction. Similarly, in a region where the conductor 404_2 having a function as a first gate electrode and the conductor 416b2 having a function as a source electrode or a drain electrode overlap with each other, the conductor 310_2 having a function as a second gate electrode is formed. The length in the channel width direction is shorter than the length of the conductor 416b2 in the channel width direction (see FIGS. 12A and 12C). Therefore, in the transistor 2000, the conductor 416b1 or the conductor 416b2 is present in a top view (see FIG. 12A) even when a strong potential is applied to the second gate electrode (conductor 310_2). In the region, strong electric field concentration occurs between the first gate electrode (conductor 404_2) and the second gate electrode (conductor 310_2) due to the influence of electric field shielding by the conductor 416b1 or the conductor 416b2. No.

また、トランジスタ1000は、上面視において、第2のゲート電極(導電体310_1)の全ての領域が第1のゲート電極(導電体404_1)と重なるのに対して(図11(A)参照。)、トランジスタ2000は、上面視において、第2のゲート電極(導電体310_2)の一部の領域しか第1のゲート電極(導電体404_2)と重ならない(図12(A)参照。)。そのため、本発明の一態様に係るトランジスタ2000は、図11(A)に示すトランジスタ1000のような第2のゲート電極の配置にした場合に比べて、チャージトラップ層への電子注入時に第2のゲート電極から印加される電位に対して、良好な絶縁耐圧破壊耐性を有することができる。   In the transistor 1000, the entire region of the second gate electrode (conductor 310_1) overlaps with the first gate electrode (conductor 404_1) when viewed from above (see FIG. 11A). In the top view of the transistor 2000, only part of the second gate electrode (conductor 310_2) overlaps with the first gate electrode (conductor 404_2) (see FIG. 12A). Therefore, in the transistor 2000 according to one embodiment of the present invention, when the second gate electrode is provided as in the transistor 1000 illustrated in FIG. With respect to the potential applied from the gate electrode, it can have good dielectric strength breakdown resistance.

絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402は、チャージトラップ層としての機能を有する。第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2が所望の電位を印加することによって、チャージトラップ層へ電子を注入し、当該チャージトラップ層にて保持することができる(詳細については、別途、後述する。)。   The insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402 have a function as a charge trap layer. By applying a desired potential to the conductor 310_2 having a function as the second gate electrode, electrons can be injected into the charge trap layer and held in the charge trap layer (for details, separately (It will be described later.)

また、絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402は、第2のゲート絶縁体としての機能も有する。第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2が印加する電位によって、トランジスタ2000のVthを制御することができる。   The insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402 also function as a second gate insulator. Vth of the transistor 2000 can be controlled by a potential applied to the conductor 310_2 functioning as the second gate electrode.

なお、上述したように、絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402は、トランジスタ1000の第2のゲート絶縁体又はチャージトラップ層としての機能も有する。本実施の形態では、トランジスタ1000とトランジスタ2000を同一層上に作製する例を示しているため、絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402は、トランジスタ1000とトランジスタ2000の双方の第2のゲート絶縁体又はチャージトラップ層として機能させることができる。このように、異なる形状のトランジスタを同一層上に作製すると、各トランジスタにかかる作製工程数を削減することができるため好ましい。トランジスタ1000及びトランジスタ2000の、同一層上での作製方法例の詳細については、別途、後述する。   Note that as described above, the insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402 also function as the second gate insulator or the charge trap layer of the transistor 1000. In this embodiment, since the transistor 1000 and the transistor 2000 are formed over the same layer, the insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402 are the second transistors of both the transistor 1000 and the transistor 2000. It can function as a gate insulator or a charge trap layer. In this manner, it is preferable to manufacture transistors having different shapes over the same layer because the number of manufacturing steps for each transistor can be reduced. Details of an example of a method for manufacturing the transistor 1000 and the transistor 2000 over the same layer will be described later.

<トランジスタの構成要素>
以下では、上で説明したトランジスタ1000又はトランジスタ2000に適用できる各構成要素について、詳細を説明する。
<Constituent elements of transistor>
Hereinafter, details of each component applicable to the transistor 1000 or the transistor 2000 described above will be described.

〔基板〕
基板400としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板又は導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、又は炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。又は、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などがある。又は、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
〔substrate〕
As the substrate 400, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a single semiconductor substrate such as silicon or germanium, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Furthermore, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the above-described semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there are a substrate including a metal nitride, a substrate including a metal oxide, and the like. Furthermore, there are a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided on a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided on a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate in which an element is provided may be used. Examples of the element provided on the substrate include a capacitor element, a resistor element, a switch element, a light emitting element, and a memory element.

また、基板400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400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400として、繊維を編み込んだシート、フィルム又は箔などを用いてもよい。また、基板400が伸縮性を有していてもよい。また、基板400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いてもよい。又は、元の形状に戻らない性質を有していてもよい。基板400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以下の厚さとなる領域を有する。基板400を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板400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400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。すなわち、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 400. 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 400 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 400. Further, the substrate 400 may have elasticity. Further, the substrate 400 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 substrate 400 has a region having a thickness of, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate 400 is thinned, a semiconductor device including a transistor can be reduced in weight. Further, by making the substrate 400 thin, it may have elasticity even when glass or the like is used, or may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact applied to the semiconductor device on the substrate 400 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400としては、例えば、金属、合金、樹脂又はガラス、若しく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400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400としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、又は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400として好適である。 As the substrate 400 which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fiber thereof can be used. The substrate 400, which is a flexible substrate, is preferably as the linear expansion coefficient is lower because deformation due to the environment is suppressed. As the substrate 400 which is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less is used. Good. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic. In particular, since aramid has a low coefficient of linear expansion, it is suitable for the substrate 400 that is a flexible substrate.

〔絶縁体〕
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
〔Insulator〕
Examples of the insulator include an insulating oxide, nitride, oxynitride, nitride oxide, metal oxide, metal oxynitride, and metal nitride oxide.

トランジスタを、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体303、絶縁体401、絶縁体418a1(絶縁体418a2)、及び絶縁体420として、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。   By surrounding the transistor with an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, electrical characteristics of the transistor can be stabilized. For example, as the insulator 303, the insulator 401, the insulator 418a1 (insulator 418a2), and the insulator 420, an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used.

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

また、例えば、絶縁体303、絶縁体401、絶縁体418a1(絶縁体418a2)、及び絶縁体420としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いればよい。なお、絶縁体303、絶縁体401、絶縁体418a1(絶縁体418a2)、及び絶縁体420は、酸化アルミニウムを有することが好ましい。   For example, the insulator 303, the insulator 401, the insulator 418a1 (insulator 418a2), and the insulator 420 include aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, and oxide. A metal oxide such as neodymium, hafnium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like may be used. Note that the insulator 303, the insulator 401, the insulator 418a1 (insulator 418a2), and the insulator 420 preferably include aluminum oxide.

また、例えば、絶縁体420をスパッタリング法によって、酸素を有するプラズマを用いて成膜すると、絶縁体410を介して、酸化物の下地層となる絶縁体402へ酸素を添加することができる。これにより、トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物に効率良く酸素を供給することができる。   For example, when the insulator 420 is formed by a sputtering method using plasma containing oxygen, oxygen can be added to the insulator 402 serving as an oxide base layer through the insulator 410. Accordingly, oxygen can be efficiently supplied to the oxide having the channel formation region of the transistor.

絶縁体301、絶縁体302、絶縁体402、及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム又はタンタルを含む絶縁体を、単層で、又は積層で用いればよい。例えば、絶縁体301、絶縁体302、絶縁体402、及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は、窒化シリコンを有することが好ましい。   Examples of the insulator 301, the insulator 302, the insulator 402, and the insulator 412a1 (insulator 412a2) include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, An insulator containing germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer. For example, the insulator 301, the insulator 302, the insulator 402, and the insulator 412a1 (insulator 412a2) preferably include silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride.

特に、絶縁体402及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体402及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化物、アルミニウム及びハフニウムを有する酸化窒化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化物、シリコン及びハフニウムを有する酸化窒化物又はシリコン及びハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。又は、絶縁体402及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、絶縁体402及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)において、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムを酸化物406a1及び酸化物406c1(酸化物406c2)と接する構造とすることで、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物406a1及び酸化物406c1(酸化物406c2)に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体402及び絶縁体412a1(絶縁体412a2)において、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンを酸化物406a1及び酸化物406c1(酸化物406c2)と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウム又は酸化ハフニウムと、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。当該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのVthをプラス方向に変動させることができる場合がある。   In particular, the insulator 402 and the insulator 412a1 (insulator 412a2) preferably include an insulator having a high relative dielectric constant. For example, the insulator 402 and the insulator 412a1 (insulator 412a2) include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium, an oxynitride containing aluminum and hafnium, an oxide containing silicon and hafnium, It is preferable to include oxynitride including silicon and hafnium or nitride including silicon and hafnium. Alternatively, the insulator 402 and the insulator 412a1 (insulator 412a2) preferably have a stacked structure of silicon oxide or silicon oxynitride and an insulator with a high relative dielectric constant. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having high thermal stability and high relative dielectric constant can be obtained by combining with an insulator having high relative dielectric constant. For example, in the insulator 402 and the insulator 412a1 (insulator 412a2), aluminum oxide, gallium oxide, or hafnium oxide is in contact with the oxide 406a1 and the oxide 406c1 (oxide 406c2), whereby silicon oxide or oxynitride is formed. Silicon contained in silicon can be prevented from entering the oxide 406a1 and the oxide 406c1 (oxide 406c2). For example, in the insulator 402 and the insulator 412a1 (insulator 412a2), silicon oxide or silicon oxynitride is in contact with the oxide 406a1 and the oxide 406c1 (oxide 406c2), whereby aluminum oxide or gallium oxide is formed. Alternatively, a trap center may be formed at the interface between hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride. The trap center may change the Vth of the transistor in the positive direction by capturing electrons in some cases.

絶縁体410は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体410は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン又は樹脂などを有することが好ましい。又は、絶縁体410は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン又は空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。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、ポリカーボネート又はアクリルなどがある。   The insulator 410 preferably includes an insulator having a low relative dielectric constant. For example, the insulator 410 includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and silicon oxide having a hole Or it is preferable to have resin etc. Alternatively, the insulator 410 is formed using silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or silicon oxide having a hole And a laminated structure of resin. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having a low thermal stability and a low relative dielectric constant can be obtained by combining with silicon. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic.

バリア膜417a1(バリア膜417b1)及びバリア膜417a2(バリア膜417b2)としては、水素などの不純物及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。バリア膜417a1(バリア膜417b1)及びバリア膜417a2(バリア膜417b2)によって、絶縁体410中の過剰酸素が、導電体416a1(導電体416b1)、導電体416a2(導電体416b2)へ拡散することを防止することができる。これにより、トランジスタのソース電極又はドレイン電極としての機能を有する導電体416a1(導電体416b1)及び導電体416a2(導電体416b2)が酸化し、導電率が上昇するのを抑制することができる。   As the barrier film 417a1 (barrier film 417b1) and the barrier film 417a2 (barrier film 417b2), an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used. By the barrier film 417a1 (barrier film 417b1) and the barrier film 417a2 (barrier film 417b2), excess oxygen in the insulator 410 is diffused to the conductor 416a1 (conductor 416b1) and the conductor 416a2 (conductor 416b2). Can be prevented. Accordingly, it is possible to suppress an increase in conductivity due to oxidation of the conductors 416a1 (conductor 416b1) and the conductors 416a2 (conductor 416b2) which function as a source electrode or a drain electrode of the transistor.

バリア膜417a1(バリア膜417b1)及びバリア膜417a2(バリア膜417b2)としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いればよい。   As the barrier film 417a1 (barrier film 417b1) and the barrier film 417a2 (barrier film 417b2), for example, aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or oxide A metal oxide such as tantalum, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like may be used.

ところで、実施の形態1で説明したように、本発明の一態様のトランジスタM0又はトランジスタM1は、チャネル形成領域を有する酸化物と第2のゲートとの間に、電荷(電子)を保持するチャージトラップ層を有することができる。トランジスタ1000(トランジスタ2000)の場合、チャネル形成領域を有する酸化物は、酸化物406b1又は酸化物406c1(酸化物406c2)に相当し、第2のゲート電極は、導電体310a1(導電体310a2)及び導電体310b1(導電体310b2)に相当する。そして、チャージトラップ層は、絶縁体302又は絶縁体303又は絶縁体402に相当する。以下では、チャージトラップ層への電荷注入・保持のメカニズムについて説明する。   By the way, as described in Embodiment 1, the transistor M0 or the transistor M1 of one embodiment of the present invention is a charge that holds charges (electrons) between the oxide having a channel formation region and the second gate. It can have a trap layer. In the case of the transistor 1000 (transistor 2000), the oxide having a channel formation region corresponds to the oxide 406b1 or the oxide 406c1 (oxide 406c2), and the second gate electrode includes the conductor 310a1 (conductor 310a2) and It corresponds to the conductor 310b1 (conductor 310b2). The charge trap layer corresponds to the insulator 302, the insulator 303, or the insulator 402. Hereinafter, a mechanism of charge injection / holding into the charge trap layer will be described.

図14(A)は、本発明の一態様に係るトランジスタ(トランジスタ1000又はトランジスタ2000)を、以下の説明に必要な要素だけ残して簡略化した模式図である。図14(A)に示す符号については、図12で示すトランジスタ2000の符号に対応している。なお、図14(A)では、絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402の3層積層でチャージトラップ層を形成している例を示している。   FIG. 14A is a simplified schematic diagram of the transistor (the transistor 1000 or the transistor 2000) according to one embodiment of the present invention, leaving only elements necessary for the following description. The reference numerals illustrated in FIG. 14A correspond to the reference numerals of the transistor 2000 illustrated in FIG. Note that FIG. 14A illustrates an example in which the charge trap layer is formed using a three-layer stack of the insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402.

図14(B)に、図14(A)に示すトランジスタの点Aから点Bにかけてのバンド図の例を示す。図14(B)において、Ecは伝導帯下端のエネルギー、Evは価電子帯上端のエネルギーを示す。図14(B)は、トランジスタの第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2の電位が、ソース電極又はドレイン電極(いずれも図示せず。)の電位と同じである場合のバンド図を示している。   FIG. 14B illustrates an example of a band diagram from point A to point B of the transistor illustrated in FIG. In FIG. 14B, Ec represents the energy at the lower end of the conduction band, and Ev represents the energy at the upper end of the valence band. FIG. 14B is a band diagram in the case where the potential of the conductor 310_2 functioning as the second gate electrode of the transistor is the same as the potential of the source electrode or the drain electrode (both not shown). Show.

この例では、絶縁体302及び絶縁体402の電子親和力は、絶縁体303の電子親和力よりも小さい。また、絶縁体302及び絶縁体402のバンドギャップは、絶縁体303のバンドギャップよりも大きい。本発明の一態様に係るチャージトラップ層(絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402)は、例えば、絶縁体302及び絶縁体402に、酸化シリコンや酸化窒化シリコンを用い、絶縁体303に酸化アルミニウムや酸化ハフニウムを用いることで、上記のようなバンド構成とすることができる。   In this example, the electron affinity of the insulator 302 and the insulator 402 is smaller than the electron affinity of the insulator 303. In addition, the band gap of the insulator 302 and the insulator 402 is larger than the band gap of the insulator 303. The charge trap layer (the insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402) according to one embodiment of the present invention is formed using silicon oxide or silicon oxynitride for the insulator 302 and the insulator 402, for example. By using aluminum oxide or hafnium oxide, the above band configuration can be obtained.

絶縁体302又は/及び絶縁体402と絶縁体303との界面、又は/及び、絶縁体303の内部に電子捕獲準位106が存在する。ここで、トランジスタの第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2に所望の大きさの正電位を印加し、ソース電極又はドレイン電極の電位よりも高くすると、図14(B)に示すバンド図が、図14(C)に示すように変形する。すなわち、正電位を印加した導電体302のバンドが下がり、これに引きずられる形で、絶縁体302、絶縁体303、絶縁体402、及び酸化物406c2のバンドがひずんだ形状を呈する。   The electron trap level 106 exists in the insulator 302 or / and the interface between the insulator 402 and the insulator 303 or / and in the insulator 303. Here, when a positive potential having a desired size is applied to the conductor 310_2 functioning as the second gate electrode of the transistor so that the potential is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode, a band illustrated in FIG. The figure is deformed as shown in FIG. That is, the band of the conductor 302 to which a positive potential is applied is lowered and dragged, and the bands of the insulator 302, the insulator 303, the insulator 402, and the oxide 406c2 are distorted.

なお、このとき、トランジスタの第1のゲート電極としての機能を有する導電体404_2は、ソース電極又はドレイン電極の電位と同じであることが好ましい。酸化物406c2に存在する電子107は、より電位の高い導電体310の方向に移動しようとする。そして、酸化物406c2から導電体310の方向に移動した電子107のいくらかは、電子捕獲準位106に捕獲される。   Note that at this time, the conductor 404_2 having a function as the first gate electrode of the transistor is preferably the same as the potential of the source electrode or the drain electrode. The electrons 107 existing in the oxide 406c2 tend to move toward the conductor 310 having a higher potential. Then, some of the electrons 107 that have moved from the oxide 406 c 2 toward the conductor 310 are captured by the electron capture level 106.

電子107が、絶縁体402の障壁を越えて、絶縁体303に達するには、いくつかの過程が考えられる。第1は、トンネル効果によるものである。トンネル効果は、絶縁体402が薄いほど顕著となる。ただし、この場合、電子捕獲準位106に捕獲された電子が、トンネル効果により、再度、流失してしまうことがある。   Several processes can be considered for the electrons 107 to reach the insulator 303 across the barrier of the insulator 402. The first is due to the tunnel effect. The tunnel effect becomes more prominent as the insulator 402 is thinner. However, in this case, electrons trapped in the electron trap level 106 may be lost again due to the tunnel effect.

なお、トランジスタの第2のゲート電極としての機能を有する導電体310_2に適切な大きさの電位を印加することで、絶縁体402が比較的厚い場合でも、トンネル効果(Fowler−Nordheimトンネル効果)を発現させることができる。Fowler−Nordheimトンネル効果の場合には、導電体310_2と酸化物406c2の間にかかる電界が強くなることで、急激にトンネル電流が増加する。   Note that by applying an appropriate potential to the conductor 310_2 functioning as the second gate electrode of the transistor, a tunnel effect (Fowler-Nordheim tunnel effect) can be obtained even when the insulator 402 is relatively thick. Can be expressed. In the case of the Fowler-Nordheim tunnel effect, the electric field applied between the conductor 310_2 and the oxide 406c2 is increased, so that the tunnel current rapidly increases.

第2は、電子107が、絶縁体402中の欠陥準位等のバンドギャップ中の捕獲準位をホッピングしながら、絶縁体303に到達するものである。これは、Poole−Frenkel伝導といわれる伝導機構であり、絶対温度が高いほど、捕獲準位が浅いほど、顕著に発現しやすい。   Second, the electrons 107 reach the insulator 303 while hopping trap levels in a band gap such as a defect level in the insulator 402. This is a conduction mechanism called Poole-Frenkel conduction, and it is more likely to be manifested as the absolute temperature is higher and the trap level is shallower.

第3は、熱的な励起によって、電子107が、絶縁体402の障壁を越えるものである。酸化物406c2に存在する電子の分布はフェルミ・ディラック分布にしたがい、一般的には、エネルギーの高い電子の比率は、高温であるほど多くなる。例えば、フェルミ準位から3eVだけ高いエネルギーを有する電子の300K(27℃)での密度を1としたとき、450K(177℃)では、6×1016、600K(327℃)では、1.5×1025、750K(477℃)では、1.6×1030となる。 Third, electrons 107 cross the barrier of the insulator 402 by thermal excitation. The distribution of electrons present in the oxide 406c2 follows a Fermi-Dirac distribution. In general, the proportion of electrons with high energy increases as the temperature increases. For example, assuming that the density of electrons having energy higher by 3 eV from the Fermi level at 300 K (27 ° C.) is 1, 450 × 1 (177 ° C.) is 6 × 10 16 , and 600 K (327 ° C.) is 1.5 At × 10 25 and 750 K (477 ° C.), the value is 1.6 × 10 30 .

以上のように、電子107が、絶縁体402の障壁を越えて導電体310_2に向かって移動する過程は、上記の3つの過程と、それらの組み合わせで生じている。特に、第2の過程及び第3の過程は、温度が高いほど顕著に発現しやすい。   As described above, the process in which the electrons 107 move toward the conductor 310_2 beyond the barrier of the insulator 402 is generated by the above three processes and a combination thereof. In particular, the second process and the third process are more prominently expressed as the temperature is higher.

なお、電子捕獲準位106に捕獲された電子は、チャージトラップ層(絶縁体302、絶縁体303、及び絶縁体402)できちんと保持され、流失しないことが求められる。そのため、絶縁体302及び絶縁体402の厚さが、上述したトンネル効果が問題とならない程度の厚さであることが好ましい。例えば、物理的な厚さが1nmより大きいことが好ましい。   Note that the electrons trapped in the electron trap level 106 are required to be held in the charge trap layer (the insulator 302, the insulator 303, and the insulator 402) and do not flow out. Therefore, it is preferable that the thickness of the insulator 302 and the insulator 402 be a thickness that does not cause the above-described tunnel effect. For example, the physical thickness is preferably greater than 1 nm.

以上のようにして、本発明の一態様のトランジスタM0又はトランジスタM1が有するチャージトラップ層は、第2のゲートからの所望の電位印加によって、電子を注入し、保持することができる。   As described above, the charge trap layer included in the transistor M0 or the transistor M1 of one embodiment of the present invention can inject and hold electrons by application of a desired potential from the second gate.

実際に、チャージトラップ層を有するトランジスタに対して、チャージトラップ層への電子注入・保持を行い、Vthをプラスシフトさせたデータを図15に示す。使用したトランジスタのサイズは、チャネル長(L)が60nm、チャネル幅(W)が50nmであり、当該トランジスタの第2のゲートからチャージトラップ層に+44Vの電位を室温で2秒間印加した際の、Vthの変化をモニターした。   FIG. 15 shows data obtained by actually injecting and holding electrons in the charge trap layer and positively shifting Vth for the transistor having the charge trap layer. The transistor used has a channel length (L) of 60 nm and a channel width (W) of 50 nm. When a potential of +44 V is applied from the second gate of the transistor to the charge trap layer at room temperature for 2 seconds, The change in Vth was monitored.

図15(A)は、チャージトラップ層への電子注入開始前を0secとして、電子注入開始からそれぞれ0.4sec後、0.8sec後、1.2sec後、1.6sec後、2.0sec後における、上記トランジスタのVg−Id特性を重ね書きしたものである。ここで、Vgはトランジスタの第1のゲートの電位、Idはトランジスタのドレイン電流である。なお、Vg−Id特性測定時において、トランジスタのドレイン電位(Vd)は+1.8Vとした。また、図15(B)は、図15(A)のトランジスタの各Vg−Id特性におけるVthの、チャージトラップ層への電子注入時間依存性を示したグラフであり、縦軸はトランジスタのVth、横軸はチャージトラップ層への電子注入時間を示している。図15(A)及び図15(B)が示すように、チャージトラップ層への電子注入時間が長いほど、トランジスタのVg−Id特性がプラスシフトしていくのが確認できる。これは、チャージトラップ層への電子注入時間が長いほど、チャージトラップ層へ注入される電荷(電子)量が多くなるためである。このように、チャージトラップ層による電子注入・保持は、トランジスタのVthを制御するための有効な手段であるといえる。   FIG. 15A shows that 0 sec before the start of electron injection into the charge trap layer is 0.4 sec, 0.8 sec, 1.2 sec, 1.6 sec, and 2.0 sec after the start of electron injection, respectively. The Vg-Id characteristics of the transistor are overwritten. Here, Vg is the potential of the first gate of the transistor, and Id is the drain current of the transistor. Note that the drain potential (Vd) of the transistor was +1.8 V when measuring the Vg-Id characteristics. FIG. 15B is a graph showing the dependency of Vth on the electron injection time into the charge trap layer in each Vg-Id characteristic of the transistor in FIG. The horizontal axis indicates the time for electron injection into the charge trap layer. As shown in FIGS. 15A and 15B, it can be confirmed that as the electron injection time into the charge trap layer is longer, the Vg-Id characteristic of the transistor is shifted more positively. This is because the amount of charge (electrons) injected into the charge trap layer increases as the electron injection time into the charge trap layer increases. Thus, it can be said that the electron injection / holding by the charge trap layer is an effective means for controlling the Vth of the transistor.

〔導電体〕
導電体404a1(導電体404a2)、導電体404b1(導電体404b2)、導電体310a1(導電体310a2)、導電体310b1(導電体310b2)、導電体416a1(導電体416b1)及び導電体416a2(導電体416b2)としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
〔conductor〕
Conductor 404a1 (conductor 404a2), conductor 404b1 (conductor 404b2), conductor 310a1 (conductor 310a2), conductor 310b1 (conductor 310b2), conductor 416a1 (conductor 416b1), and conductor 416a2 (conductor) The body 416b2) was selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, etc. A material containing one or more metal elements can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.

また、酸化物406a1、酸化物406b1、及び酸化物406c1(酸化物406a2、酸化物406a3、酸化物406b2、酸化物406b3、及び酸化物406c2)に適用可能な酸化物に含まれる、金属元素及び酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素及び窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、酸化物406a1、酸化物406b1、及び酸化物406c1(酸化物406a2、酸化物406a3、酸化物406b2、酸化物406b3、及び酸化物406c2)に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。又は、外方の絶縁体などから侵入する水素を捕獲することができる場合がある。   Further, metal elements and oxygen contained in oxides applicable to the oxides 406a1, 406b1, and 406c1 (oxides 406a2, 406a3, 406b2, oxides 406b3, and oxides 406c2) A conductive material containing may be used. Alternatively, the above-described conductive material containing a metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. In addition, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon were added Indium tin oxide may be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. With the use of such a material, hydrogen contained in the oxide 406a1, the oxide 406b1, and the oxide 406c1 (oxide 406a2, oxide 406a3, oxide 406b2, oxide 406b3, and oxide 406c2) is captured. There are cases where it is possible. Alternatively, hydrogen that enters from an external insulator or the like can be captured in some cases.

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。   A plurality of conductive layers formed using the above materials may be stacked. For example, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen may be combined. Alternatively, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined may be employed. Alternatively, a stacked structure of a combination of the above-described material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen may be employed.

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料を、チャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素が、チャネル形成領域に供給されやすくなる。   Note that in the case where an oxide is used for the channel formation region of the transistor, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined is preferably used for the gate electrode. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing a conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material can be easily supplied to the channel formation region.

〔酸化物〕
酸化物406a1、酸化物406b1、及び酸化物406c1(酸化物406a2、酸化物406a3、酸化物406b2、酸化物406b3、及び酸化物406c2)としては、金属酸化物を用いることが好ましい。ただし、酸化物406a1、酸化物406b1、及び酸化物406c1(酸化物406a2、酸化物406a3、酸化物406b2、酸化物406b3、及び酸化物406c2)の代わりに、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、窒化ガリウム又は有機半導体などを用いても構わない場合がある。以下では、本発明の一態様に係る酸化物406a1、酸化物406b1、及び酸化物406c1(酸化物406a2、酸化物406a3、酸化物406b2、酸化物406b3、及び酸化物406c2)に用いることが好ましい、金属酸化物について説明する。
[Oxide]
As the oxide 406a1, the oxide 406b1, and the oxide 406c1 (oxide 406a2, oxide 406a3, oxide 406b2, oxide 406b3, and oxide 406c2), a metal oxide is preferably used. Note that instead of the oxide 406a1, the oxide 406b1, and the oxide 406c1 (the oxide 406a2, the oxide 406a3, the oxide 406b2, the oxide 406b3, and the oxide 406c2), silicon (including strained silicon), germanium, In some cases, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, an organic semiconductor, or the like may be used. The oxide 406a1, the oxide 406b1, and the oxide 406c1 (oxide 406a2, oxide 406a3, oxide 406b2, oxide 406b3, and oxide 406c2) according to one embodiment of the present invention are preferably used below. The metal oxide will be described.

金属酸化物は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウム及び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれていてもよい。   The metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, indium and zinc are preferably included. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be included.

ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素M及び亜鉛を有するInMZnOである場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム又はスズなどとする。その他の元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。   Here, a case where the metal oxide is InMZnO containing indium, the element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Examples of other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。   By using the metal oxide for a channel formation region of the transistor, a transistor with high field effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くするためには、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 For the transistor, a metal oxide with low carrier density is preferably used. In order to reduce the carrier density of the metal oxide film, the impurity concentration in the metal oxide film may be decreased and the defect level density may be decreased. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the metal oxide has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / What is necessary is just to be cm 3 or more.

また、高純度真性又は実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。   In addition, since a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic metal oxide film has a low defect level density, the trap level density may also be low.

また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。   In addition, the charge trapped in the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in a metal oxide having a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。   Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the metal oxide. In order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon, and the like.

ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。   Here, the influence of each impurity in the metal oxide will be described.

金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 In the metal oxide, when silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, is included, a defect level is formed in the metal oxide. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the metal oxide and the concentration of silicon and carbon in the vicinity of the interface with the metal oxide (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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。このため、金属酸化物中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属又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以下にする。 In addition, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is used for a channel formation region is likely to be normally on. For this reason, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide. Specifically, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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。したがって、当該金属酸化物において、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、金属酸化物中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In addition, when nitrogen is included in the metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type is easily obtained. As a result, a transistor in which a metal oxide containing nitrogen is used for a channel formation region is likely to be normally on. Accordingly, in the metal oxide, nitrogen is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the metal oxide is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS, preferably 5 × 10 18. atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。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して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 In addition, hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing hydrogen is used for a channel formation region is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in the metal oxide, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。   By using a metal oxide in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be imparted.

以下では、CAC−OSについて詳細に説明する。CAC−OSは、本発明の一態様に係るトランジスタの金属酸化物が有することのできる機能、又は材料構成の一例である。   Hereinafter, the CAC-OS will be described in detail. The CAC-OS is an example of a function or a material structure that can be included in the metal oxide of the transistor of one embodiment of the present invention.

CAC−OSとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、又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、金属酸化物において、1つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、当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、又はその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、又はパッチ状ともいう。   The CAC-OS is one structure of a material in which elements forming a metal oxide are unevenly distributed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. In the following, in the metal oxide, one or more metal elements are unevenly distributed, and the region having 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 mosaic or patch.

例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)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。)、又はインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、及び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。)、又はガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4Z4(X4、Y4、及び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、又は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, a CAC-OS in In-Ga-Zn oxide (In-Ga-Zn oxide among CAC-OSs may be referred to as CAC-IGZO in particular) is an indium oxide (hereinafter referred to as InO). X1 (X1 is greater real than 0) and.), or indium zinc oxide (hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real than 0) and a.), gallium An oxide (hereinafter referred to as GaO X3 (X3 is a real number greater than 0)) or a gallium zinc oxide (hereinafter referred to as Ga X4 Zn Y4 O Z4 (where X4, Y4, and Z4 are greater than 0)) to.) and the like, the material becomes mosaic by separate into, mosaic InO X1, or in X2 Zn Y2 O Z2 is configured uniformly distributed in the film (hereinafter, cloud Also referred to.) A.

つまり、CAC−OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又は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金属酸化物である。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-OS includes a region GaO X3 is the main component, In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 there is a region which is a main component, a composite metal oxide 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、及び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)、又は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 sometimes refers 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、又はCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶が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. 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−OSは、金属酸化物の材料構成に関する。CAC−OSとは、In、Ga、Zn、及び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。したがって、CAC−OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。   On the other hand, CAC-OS relates to a material structure of a metal oxide. CAC-OS refers to a region that is observed in the form of nanoparticles mainly composed of Ga in a material structure including In, Ga, Zn, and O, and nanoparticles that are partially composed mainly of In. The region observed in a shape is a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic shape. Therefore, in the CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.

なお、CAC−OS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 the CAC-OS 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、又はInOX1が主成分である領域とは、明確な境界を観察することが難しい場合がある。 Incidentally, a region GaO X3 is the main component, In X2 Zn Y2 O Z2, or the region InO X1 is the main component, it may be difficult to observe a clear boundary.

なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種が含まれている場合、CAC−OSは、一部に当該金属元素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。   Instead of gallium, selected from aluminum, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. In the case where one or a plurality of types are included, the CAC-OS includes a region that is observed in a part of a nanoparticle mainly including the metal element as a main component and a nanoparticle mainly including In as a main component. The region observed in the form of particles refers to a configuration in which each region is randomly dispersed in a mosaic shape.

CAC−OSは、例えば、基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC−OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、及び窒素ガスの中から選ばれたいずれか1つ又は複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば、酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とする。   The CAC-OS can be formed by a sputtering method under a condition that the substrate is not intentionally heated, for example. In the case where the CAC-OS is formed by a sputtering method, any one or more selected from an inert gas (typically argon), an oxygen gas, and a nitrogen gas may be used as a deposition gas. Good. Further, the flow rate ratio of the oxygen gas to the total flow rate of the deposition gas during the deposition is preferably as low as possible. For example, the flow rate ratio of the oxygen gas is 0% or more and less than 30%, preferably 0% or more and 10% or less.

CAC−OSは、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定法の1つであるOut−of−plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折から、測定領域のa−b面方向、及びc軸方向の配向は見られないことがわかる。   The CAC-OS is characterized in that no clear peak is observed when measured using a θ / 2θ scan by the Out-of-plane method, which is one of the X-ray diffraction (XRD) measurement methods. Have That is, it can be seen from X-ray diffraction that no orientation in the ab plane direction and c-axis direction of the measurement region is observed.

また、CAC−OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、当該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、CAC−OSの結晶構造が、平面方向、及び断面方向において、配向性を有さないnc(nano−crystal)構造を有することがわかる。   In addition, in the CAC-OS, in an electron beam diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam with a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam), a ring-shaped high luminance region and a plurality of regions in the ring region are provided. A bright spot is observed. Therefore, it can be seen from the electron beam diffraction pattern that the crystal structure of the CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure having no orientation in the planar direction and the cross-sectional direction.

また、例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又は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ことが確認できる。 In addition, for example, in a CAC-OS in an In—Ga—Zn oxide, GaO X3 is a main component by EDX mapping obtained by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy). It can be confirmed that the region and the region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 are unevenly distributed and mixed.

CAC−OS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−OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、又は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。 The CAC-OS has a structure different from that of the IGZO compound in which the metal element is uniformly distributed, and has a property different from that of the IGZO compound. That is, in the CAC-OS, a region in which GaO X3 or the like is a main component and a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component are phase-separated from each other, and a region in which each element is a main component. Has a mosaic structure.

ここで、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、金属酸化物としての導電性が発現する。したがって、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域が、金属酸化物中にクラウド状に分布することで、当該金属酸化物を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を実現できる。 Here, the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component is a region having higher conductivity than a region containing GaO X3 or the like as a main component. That, In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 is a region which is a main component, by carriers flow, conductive metal oxide is expressed. Therefore, a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is distributed in a cloud shape in the metal oxide, so that a transistor using the metal oxide achieves high field-effect mobility. it can.

一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2Z2、又はInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、金属酸化物中に分布することで、当該金属酸化物を用いたトランジスタは、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。 On the other hand, areas such as GaO X3 is the main component, In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 is compared to region which is a main component, has a high area insulation. That is, a region containing GaO X3 or the like as a main component is distributed in a metal oxide, so that a transistor using the metal oxide can suppress a leakage current and realize a favorable switching operation.

したがって、CAC−OSをトランジスタなどの半導体素子に用いた場合、InX2ZnY2Z2、又はInOX1に起因する導電性と、GaOX3などに起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流と低いオフ電流の双方を実現することができる。 Therefore, when CAC-OS is used for a semiconductor element such as a transistor, conductivity caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 and insulation caused by GaO X3 or the like act complementarily. Thus, both a high on-current and a low off-current can be realized.

また、CAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、CAC−OSは、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器などの様々な半導体装置に用いることが最適である。   In addition, a semiconductor element using a CAC-OS has high reliability. Therefore, the CAC-OS is optimally used for various semiconductor devices such as a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a processor, and an electronic device.

<トランジスタの作製方法>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ1000(図11参照。)及びトランジスタ2000(図12参照。)の作製方法の一例について、図16乃至図23を用いて説明する。なお、以下の説明において、トランジスタ1000は、図1に示す半導体装置10又は図2に示す半導体装置20におけるトランジスタM0を想定し、トランジスタ2000は、トランジスタM1を想定している。また、以下では、トランジスタ1000及びトランジスタ2000を同一層上に作製する場合の例を示す。図16乃至図23において、各図の(A)は、図11(A)に示す一点鎖線A1−A2に対応する断面図である。また、各図の(B)は、図11(A)に示す一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。また、各図の(C)は、図12(A)に示す一点鎖線B1−B2に対応する断面図である。各図の(D)は、図12(A)に示す一点鎖線B3−B4に対応する断面図である。
<Method for Manufacturing Transistor>
An example of a method for manufacturing the transistor 1000 (see FIG. 11) and the transistor 2000 (see FIG. 12) according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In the following description, the transistor 1000 is assumed to be the transistor M0 in the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 or the semiconductor device 20 shown in FIG. 2, and the transistor 2000 is assumed to be the transistor M1. In the following, an example in which the transistor 1000 and the transistor 2000 are formed over the same layer is described. 16 to 23, (A) in each drawing is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line A1-A2 shown in FIG. 11 (A). Moreover, (B) of each figure is sectional drawing corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 shown to FIG. 11 (A). Moreover, (C) of each figure is sectional drawing corresponding to the dashed-dotted line B1-B2 shown to FIG. 12 (A). (D) of each figure is sectional drawing corresponding to the dashed-dotted line B3-B4 shown to FIG. 12 (A).

まず、基板400を準備する。   First, the substrate 400 is prepared.

次に、絶縁体401を成膜する。絶縁体401の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法又は原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 401 is formed. The insulator 401 is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a pulsed laser deposition (PLD) method, or an atomic layer. It can be performed using an ALD (Atomic Layer Deposition) method or the like.

なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。   The CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, a photo CVD (Photo CVD) method using light, and the like. . Further, it can be classified into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method depending on the source gas used.

プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。   In the plasma CVD method, a high-quality film can be obtained at a relatively low temperature. Further, the thermal CVD method is a film formation method that can reduce plasma damage to an object to be processed because plasma is not used. For example, a wiring, an electrode, an element (a transistor, a capacitor, or the like) included in the semiconductor device may be charged up by receiving electric charge from plasma. At this time, a wiring, an electrode, an element, or the like included in the semiconductor device may be destroyed by the accumulated charge. On the other hand, in the case of a thermal CVD method without using plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of semiconductor devices can be increased. In addition, in the thermal CVD method, plasma damage during film formation does not occur, so that a film with few defects can be obtained.

また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ALD法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。   The ALD method is also a film forming method that can reduce plasma damage to an object to be processed. In addition, since the ALD method does not cause plasma damage during film formation, a film with few defects can be obtained.

CVD法及びALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。   The CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by reaction on the surface of an object to be processed, unlike a film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and thus is suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively low film formation rate, it may be preferable to use it in combination with another film formation method such as a CVD method with a high film formation rate.

CVD法及びALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法及びALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法及びALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。   In the CVD method and the ALD method, the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of the source gases. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow rate ratio of the source gas while forming the film. When film formation is performed while changing the flow rate ratio of the source gas, the time required for film formation can be shortened by the time required for conveyance and pressure adjustment compared to the case where film formation is performed using a plurality of film formation chambers. it can. Therefore, the productivity of the semiconductor device may be increased.

絶縁体401は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。又は、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。   The insulator 401 may have a multilayer structure. For example, an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method, and the aluminum oxide film may be formed on the aluminum oxide by an ALD method. Alternatively, an aluminum oxide film may be formed by an ALD method, and the aluminum oxide film may be formed on the aluminum oxide by a sputtering method.

次に、絶縁体401上に絶縁体301を成膜する。絶縁体301の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 301 is formed over the insulator 401. The insulator 301 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体301に絶縁体401に達する凹部を形成する。溝とは、例えば、穴や開口部なども含まれる。溝の形成はウエットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体401は、絶縁体301をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体301に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体401は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。   Next, a recess reaching the insulator 401 is formed in the insulator 301. The groove includes, for example, a hole and an opening. The groove may be formed by wet etching, but dry etching is preferable for fine processing. As the insulator 401, an insulator that functions as an etching stopper film when the insulator 301 is etched to form a groove is preferably selected. For example, in the case where a silicon oxide film is used for the insulator 301 that forms the groove, the insulator 401 may be a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film.

本実施の形態では、絶縁体401として、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体301として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   In this embodiment, an aluminum oxide film is formed as the insulator 401 by a sputtering method, and an aluminum oxide film is formed over the aluminum oxide by an ALD method. Further, a silicon oxide film is formed as the insulator 301 by a CVD method.

溝の形成後に、導電体310a1及び導電体310a2となる導電体を成膜する。導電体310a1及び導電体310a2となる導電体は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。又は、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体310a1及び導電体310a2となる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   After the groove is formed, a conductor to be the conductors 310a1 and 310a2 is formed. The conductors to be the conductors 310a1 and 310a2 desirably include a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen. For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, or the like can be used. Alternatively, a stacked film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, or molybdenum tungsten alloy can be used. The conductors to be the conductors 310a1 and 310a2 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体310a1及び導電体310a2となる導電体として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。   In this embodiment, tantalum nitride is formed by a sputtering method as a conductor to be the conductor 310a1 and the conductor 310a2.

次に、導電体310a1及び導電体310とa2なる導電体上に、導電体310b1及び導電体310b2となる導電体を成膜する。導電体310b1及び導電体310b2となる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, a conductor to be the conductor 310b1 and the conductor 310b2 is formed over the conductor 310a1 and the conductor 310a2. The conductor to be the conductor 310b1 and the conductor 310b2 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体310b1及び導電体310b2となる導電体として、CVD法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にCVD法によってタングステンを成膜する。   In this embodiment, titanium nitride is formed by a CVD method as a conductor to be the conductor 310b1 and the conductor 310b2, and tungsten is formed by a CVD method on the titanium nitride.

次に、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)を行うことで、絶縁体301上の導電体310a1及び導電体310a2となる導電体、及び、導電体310b1及び導電体310b2となる導電体を除去する。その結果、溝部のみに、導電体310a1、導電体310a2となる導電体、及び、導電体310b1及び導電体310b2となる導電体が残存することで、上面が平坦な導電体310a1、導電体310a2、導電体310b1、及び導電体310b2を形成することができる。   Next, by performing chemical mechanical polishing (CMP), the conductors that become the conductors 310a1 and 310a2 over the insulator 301 and the conductors that become the conductors 310b1 and 310b2 are obtained. Remove. As a result, the conductors 310a1 and 310a2 and the conductors 310b1 and 310b2 remain only in the groove, so that the conductors 310a1 and 310a2 having a flat upper surface are formed. The conductor 310b1 and the conductor 310b2 can be formed.

次に、絶縁体301上、導電体310a1上、導電体310a2上、導電体310b1上、及び導電体310b2上に絶縁体302を成膜する。絶縁体302の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 302 is formed over the insulator 301, the conductor 310a1, the conductor 310a2, the conductor 310b1, and the conductor 310b2. The insulator 302 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体302上に絶縁体303を成膜する。絶縁体303の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 303 is formed over the insulator 302. The insulator 303 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体303上に絶縁体402を成膜する。絶縁体402の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 402 is formed over the insulator 303. The insulator 402 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、第1の加熱処理を行うと好ましい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。第1の加熱処理は、窒素又は不活性ガス雰囲気、又は酸化性ガスを10ppm以上、1%以上又は10%以上含む雰囲気で行う。第1の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。又は、第1の加熱処理は、窒素又は不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを10ppm以上、1%以上又は10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理によって、絶縁体402に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。又は、第1の加熱処理において、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えば、マイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。又は、基板側にRF(Radio Frequency)を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にRFを印加することで高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体402内に導くことができる。又は、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、第1の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。   Next, it is preferable to perform a first heat treatment. The first heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 300 ° C to 500 ° C, more preferably 320 ° C to 450 ° C. The first heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The first heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Alternatively, the first heat treatment is performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere. You may go. By the first heat treatment, impurities such as hydrogen and water contained in the insulator 402 can be removed. Alternatively, in the first heat treatment, plasma treatment containing oxygen may be performed in a reduced pressure state. For the plasma treatment including oxygen, for example, an apparatus having a power source that generates high-density plasma using microwaves is preferably used. Alternatively, a power source for applying RF (Radio Frequency) may be provided on the substrate side. High-density oxygen radicals can be generated by using high-density plasma, and oxygen radicals generated by high-density plasma can be efficiently guided into the insulator 402 by applying RF to the substrate side. Alternatively, plasma treatment containing oxygen may be performed to supplement oxygen that has been desorbed after performing plasma treatment containing an inert gas using this apparatus. Note that the first heat treatment may not be performed.

また、当該加熱処理は、絶縁体302成膜後、絶縁体303の成膜後、及び絶縁体402の成膜後のそれぞれに行うこともできる。当該加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体302成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。   The heat treatment can also be performed after the insulator 302 is formed, after the insulator 303 is formed, and after the insulator 402 is formed. Although the first heat treatment condition can be used for the heat treatment, the heat treatment after the formation of the insulator 302 is preferably performed in an atmosphere containing nitrogen.

本実施の形態では、第1の加熱処理として、絶縁体402成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。   In this embodiment, as the first heat treatment, after the insulator 402 is formed, a treatment is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour, and then, continuously in an oxygen atmosphere at a temperature of 400 ° C. Do time processing.

次に、絶縁体402上に、酸化物406aと酸化物406bを順に成膜する。なお、酸化物406aと酸化物406bは、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。このように成膜することで、酸化物406a上に大気環境からの不純物又は水分が付着することを防ぐことができ、酸化物406aと酸化物406bとの界面近傍を清浄に保つことができる。   Next, an oxide 406 a and an oxide 406 b are formed in order over the insulator 402. Note that the oxide 406a and the oxide 406b are preferably formed successively without being exposed to the air environment. By forming the film in this manner, impurities or moisture from the atmospheric environment can be prevented from adhering to the oxide 406a, and the vicinity of the interface between the oxide 406a and the oxide 406b can be kept clean.

酸化物406aと酸化物406bの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   The oxide 406a and the oxide 406b can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

例えば、酸化物406aと酸化物406bの成膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、又は、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。   For example, in the case where the oxide 406a and the oxide 406b are formed by a sputtering method, oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as a sputtering gas. By increasing the proportion of oxygen contained in the sputtering gas, excess oxygen in the oxide film to be formed can be increased.

特に、酸化物406aの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体402に供給される場合がある。   In particular, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 402 when the oxide 406a is formed.

なお、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。   Note that the ratio of oxygen contained in the sputtering gas may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.

続いて、酸化物406bをスパッタリング法で形成する。このとき、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を1%以上30%以下、好ましくは5%以上20%以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物が形成される。酸素欠乏型の酸化物を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。   Subsequently, an oxide 406b is formed by a sputtering method. At this time, when the film is formed so that the proportion of oxygen contained in the sputtering gas is 1% to 30%, preferably 5% to 20%, an oxygen-deficient oxide is formed. A transistor using an oxygen-deficient oxide can have a relatively high field-effect mobility.

酸化物406bに酸素欠乏型の酸化物を用いる場合は、酸化物406aに過剰酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物406bの成膜後に酸素ドープ処理を行ってもよい。   In the case where an oxygen-deficient oxide is used for the oxide 406b, an oxide containing excess oxygen is preferably used for the oxide 406a. Alternatively, oxygen doping treatment may be performed after the oxide 406b is formed.

なお、酸化物を、スパッタリング法により成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。例えば、成膜時の基板温度によっては、ターゲットにおける亜鉛(Zn)の原子数比よりも、膜における亜鉛(Zn)の原子数比が小さくなる場合がある。   Note that in the case where an oxide is formed by a sputtering method, a film having an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target may be formed. For example, depending on the substrate temperature during film formation, the atomic ratio of zinc (Zn) in the film may be smaller than the atomic ratio of zinc (Zn) in the target.

本実施の形態では、酸化物406aとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]のターゲットを用いて成膜し、酸化物406bとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて成膜する。   In this embodiment, the oxide 406a is formed by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic ratio], and the oxide 406b is formed by an sputtering method using an In. : Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio] Target is used for film formation.

次に、第2の加熱処理を行ってもよい。第2の加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。第2の加熱処理によって、酸化物406a及び酸化物406b中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行う。   Next, second heat treatment may be performed. For the second heat treatment, first heat treatment conditions can be used. By the second heat treatment, impurities such as hydrogen and water in the oxide 406a and the oxide 406b can be removed. In this embodiment mode, after processing for one hour at a temperature of 400 ° C. in a nitrogen atmosphere, the processing is continuously performed for one hour at a temperature of 400 ° C. in an oxygen atmosphere.

次に、酸化物406b上に導電体416を成膜する。導電体416の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。導電体416として、導電性を有する酸化物、例えば、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物、又は窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を成膜し、当該酸化物上に、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料、又は、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを成膜してもよい。   Next, a conductor 416 is formed over the oxide 406b. The conductor 416 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. As the conductor 416, a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO), indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, or indium oxide containing titanium oxide. , Indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, indium tin oxide added with silicon, or indium gallium zinc oxide containing nitrogen, and aluminum, chromium, copper, Materials containing one or more metal elements selected from silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, etc., or phosphorus Polycrystals containing impurity elements A semiconductor such as silicon, which is typified by silicon, or a silicide such as nickel silicide may be formed.

当該酸化物は、酸化物406a及び酸化物406b中の水素を吸収、及び外方から拡散してくる水素を捕獲する機能を有する場合があり、トランジスタ1000又はトランジスタ2000の電気特性及び信頼性が向上することがある。又は、当該酸化物の代わりにチタンを用いても、同様の機能を有する場合がある。本実施の形態では、導電体416として、窒化タンタルを成膜する。   The oxide may have a function of absorbing hydrogen in the oxide 406a and the oxide 406b and capturing hydrogen diffused from the outside, so that the electrical characteristics and reliability of the transistor 1000 or the transistor 2000 are improved. There are things to do. Alternatively, even when titanium is used instead of the oxide, the same function may be obtained. In this embodiment, tantalum nitride is formed as the conductor 416.

次に、導電体416上に、後にバリア膜417a1、バリア膜417a2、バリア膜417b1、及びバリア膜417b2となる絶縁体417を成膜する。絶縁体417の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体417として、酸化アルミニウムを成膜する。   Next, an insulator 417 to be a barrier film 417a1, a barrier film 417a2, a barrier film 417b1, and a barrier film 417b2 is formed over the conductor 416. The insulator 417 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, aluminum oxide is formed as the insulator 417.

次に、絶縁体417上に導電体411を成膜する。導電体411の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体411として、窒化タンタルを成膜する(図16(A)、図16(B)、図16(C)、及び図16(D)参照。)。   Next, a conductor 411 is formed over the insulator 417. The conductor 411 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, tantalum nitride is formed as the conductor 411 (see FIGS. 16A, 16B, 16C, and 16D).

次に、リソグラフィー法によって、導電体411及び絶縁体417を加工し、導電体411a、導電体411b、絶縁体417a、及び絶縁体417bを形成する。当該加工においては、断面形状がテーパー形状を有することが好ましい。当該テーパー角度は、基板底面と平行な面に対して、30度以上75度未満、好ましくは30度以上70度未満とする。このようなテーパー角度を有することによって、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。また、当該加工はドライエッチング法を用いることが好ましい。ドライエッチング法による加工は微細加工及び上述のテーパー形状の加工に適している(図17(A)、図17(B)、図17(C)、及び図17(D)参照。)。   Next, the conductor 411 and the insulator 417 are processed by a lithography method, so that the conductor 411a, the conductor 411b, the insulator 417a, and the insulator 417b are formed. In the said process, it is preferable that a cross-sectional shape has a taper shape. The taper angle is 30 degrees or more and less than 75 degrees, preferably 30 degrees or more and less than 70 degrees with respect to a plane parallel to the bottom surface of the substrate. By having such a taper angle, the coverage of the film in the subsequent film formation process is improved. Further, it is preferable to use a dry etching method for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing and the above-described tapered processing (see FIGS. 17A, 17B, 17C, and 17D).

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去又は残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで、導電体、半導体又は絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultraviolet)光などを用いて、レジストを露光することで、レジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば、水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、又はウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。   In the lithography method, first, a resist is exposed through a mask. Next, a resist mask is formed by removing or leaving the exposed region using a developer. Next, the conductor, the semiconductor, the insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask. For example, the resist mask may be formed by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like. In addition, an immersion technique may be used in which exposure is performed by filling a liquid (for example, water) between the substrate and the projection lens. Further, instead of the light described above, an electron beam or an ion beam may be used. Note that a mask is not necessary when an electron beam or an ion beam is used. Note that the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。又は平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。又は平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。又は平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。又は高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置などを用いることができる。   As the dry etching apparatus, a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having parallel plate electrodes can be used. The capacitively coupled plasma etching apparatus having parallel plate electrodes may be configured to apply a high frequency power source to one of the parallel plate electrodes. Alternatively, a configuration in which a plurality of different high-frequency power supplies are applied to one of the parallel plate electrodes may be employed. Or the structure which applies the high frequency power supply of the same frequency to each parallel plate type | mold electrode may be sufficient. Or the structure which applies the high frequency power source from which a frequency differs to each parallel plate type | mold electrode may be sufficient. Alternatively, a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used. As a dry etching apparatus having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus or the like can be used.

次に、リソグラフィー法によって、レジスト421を形成する。このとき、レジスト421は、領域406W1及び406W2を覆う様に配置する(図18(A)、図18(B)、図18(C)、及び図18(D)参照。)。   Next, a resist 421 is formed by a lithography method. At this time, the resist 421 is disposed so as to cover the regions 406W1 and 406W2 (see FIGS. 18A, 18B, 18C, and 18D).

次に、レジスト421をエッチングマスクとして、導電体411a、導電体411b、絶縁体417a、絶縁体417b、及び導電体416をエッチングし、導電体411a1、導電体411a2、導電体411b1、導電体411b2、バリア膜417a1、バリア膜417a2、バリア膜417b1、バリア膜417b2、導電体416_1、導電体416_2、及び導電体416_3を形成する(図19(A)、図19(B)、図19(C)及び、図19(D)参照。)。   Next, using the resist 421 as an etching mask, the conductor 411a, the conductor 411b, the insulator 417a, the insulator 417b, and the conductor 416 are etched, and the conductor 411a1, the conductor 411a2, the conductor 411b1, the conductor 411b2, A barrier film 417a1, a barrier film 417a2, a barrier film 417b1, a barrier film 417b2, a conductor 416_1, a conductor 416_2, and a conductor 416_3 are formed (FIGS. 19A, 19B, 19C, and 19C). FIG. 19D).

次に、レジスト421を除去し、導電体411a1、導電体411a2、導電体411b1、導電体411b2、導電体416_1の表面が露出している部分、導電体416_2の表面が露出している部分、及び導電体416_3の表面が露出している部分をエッチングマスクとして、酸化物406a及び酸化物406bをエッチングし、酸化物406a1、酸化物406b1、酸化物406a2、酸化物406b2、酸化物406a3、及び酸化物406b3を形成する。本実施の形態では、導電体411a1、導電体411a2、導電体411b1、導電体411b2、導電体416_1、導電体416_2、及び導電体416_3として、窒化タンタルを用いるので、窒化タンタルのエッチング速度に対して、酸化物406a及び酸化物406bのエッチング速度が速いエッチング条件を用いて加工することが好ましい。具体的には、窒化タンタルのエッチング速度を1とすると、酸化物406a及び酸化物406bのエッチング速度は3以上50以下、好ましくは、5以上30以下とする(図20(A)、図20(B)、図20(C)、及び図20(D)参照。)。   Next, the resist 421 is removed, and the conductor 411a1, the conductor 411a2, the conductor 411b1, the conductor 411b2, the part where the surface of the conductor 416_1 is exposed, the part where the surface of the conductor 416_2 is exposed, and Using the exposed portion of the conductor 416_3 as an etching mask, the oxide 406a and the oxide 406b are etched, and the oxide 406a1, the oxide 406b1, the oxide 406a2, the oxide 406b2, the oxide 406a3, and the oxide 406b3 is formed. In this embodiment mode, tantalum nitride is used for the conductor 411a1, the conductor 411a2, the conductor 411b1, the conductor 411b2, the conductor 416_1, the conductor 416_2, and the conductor 416_3; The oxide 406a and the oxide 406b are preferably processed using etching conditions with a high etching rate. Specifically, when the etching rate of tantalum nitride is 1, the etching rate of the oxide 406a and the oxide 406b is 3 to 50, preferably 5 to 30 (FIG. 20A and FIG. 20). (See B), FIG. 20C, and FIG. 20D.)

次に、導電体411a1、導電体411a2、導電体411b1、導電体411b2、導電体416_1の表面が露出している部分、導電体416_2の表面が露出している部分(領域406W1)、及び導電体416_3の表面が露出している部分(領域406W2)をエッチングし、導電体416a1、導電体416a2、導電体416b1、及び導電体416b2を形成する。また、導電体416_1の表面が露出している部分がエッチングされることで、酸化物406b1の上面の一部が露出し、導電体416_2の表面が露出している部分(領域406W1)がエッチングされることで、酸化物406b2の上面の一部が露出し、導電体416_3の表面が露出している部分(領域406W2)がエッチングされることで、酸化物406b3の上面の一部が露出する(図21(A)、図21(B)、図21(C)、及び図21(D)参照。)。   Next, the conductor 411a1, the conductor 411a2, the conductor 411b1, the conductor 411b2, the part where the surface of the conductor 416_1 is exposed, the part where the surface of the conductor 416_2 is exposed (region 406W1), and the conductor A portion where the surface of 416_3 is exposed (region 406W2) is etched, so that the conductor 416a1, the conductor 416a2, the conductor 416b1, and the conductor 416b2 are formed. Further, by etching the portion where the surface of the conductor 416_1 is exposed, a part of the top surface of the oxide 406b1 is exposed and the portion where the surface of the conductor 416_2 is exposed (region 406W1) is etched. Thus, a part of the top surface of the oxide 406b2 is exposed, and a part where the surface of the conductor 416_3 is exposed (region 406W2) is etched, so that a part of the top surface of the oxide 406b3 is exposed ( (See FIG. 21A, FIG. 21B, FIG. 21C, and FIG. 21D.)

なお、ここまでのドライエッチング処理によって、エッチングガスに起因した不純物が酸化物406a1、酸化物406b1、酸化物406a2、酸化物406b2、酸化物406a3、及び酸化物406b3などの表面又は内部に付着又は拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素又は塩素などがある。   Note that by the dry etching treatment so far, impurities caused by the etching gas are attached or diffused on the surface or inside of the oxide 406a1, the oxide 406b1, the oxide 406a2, the oxide 406b2, the oxide 406a3, the oxide 406b3, and the like. There are things to do. Examples of impurities include fluorine and chlorine.

上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理又は、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。   Cleaning is performed in order to remove the impurities and the like. As the cleaning method, there are wet cleaning using a cleaning liquid, plasma processing using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleaning may be appropriately combined.

ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸又はフッ化水素酸などを炭酸水又は純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。又は、純水又は炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水又は炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。   As the wet cleaning, cleaning may be performed using an aqueous solution obtained by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water may be performed. In this embodiment, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water is performed.

次に、第3の加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、上述の第1の加熱処理の条件を用いることができる。当該加熱処理によって、上記不純物の濃度を低減させることができる。さらに、酸化物406a1膜中、酸化物406b1膜中、酸化物406a2膜中、酸化物406b2膜中、酸化物406a3膜中、及び酸化物406b3膜中の水分濃度及び水素濃度を低減させることができる。なお、第3の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、第3の加熱処理は行わない。   Next, third heat treatment may be performed. The first heat treatment condition described above can be used as the heat treatment condition. By the heat treatment, the concentration of the impurity can be reduced. Further, the moisture concentration and the hydrogen concentration in the oxide 406a1, the oxide 406b1, the oxide 406a2, the oxide 406b2, the oxide 406a3, and the oxide 406b3 can be reduced. . Note that the third heat treatment may not be performed. In this embodiment, the third heat treatment is not performed.

次に、酸化物406c1及び酸化物406c2となる酸化物406c(図示せず。)を成膜する。酸化物406cの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。特に、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。なお、酸化物406cとしては、酸化物406bと同じ組成の酸化物を成膜することが好ましい。酸化物406bと酸化物406cとを同じ組成とすることで、酸化物406bの電子親和力と、酸化物406cの電子親和力とは、等しいか、電子親和力の差が小さくなる。そのため、酸化物406bと、酸化物406cとの界面準位密度を低減することができる。当該界面準位密度を低減することで、トランジスタ1000のオン電流の低下を防止することができる。   Next, an oxide 406c (not shown) to be the oxide 406c1 and the oxide 406c2 is formed. The oxide 406c can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In particular, it is preferable to form a film using a sputtering method. Note that an oxide having the same composition as the oxide 406b is preferably formed as the oxide 406c. When the oxide 406b and the oxide 406c have the same composition, the electron affinity of the oxide 406b and the electron affinity of the oxide 406c are equal to each other, or the difference in electron affinity is reduced. Therefore, the interface state density between the oxide 406b and the oxide 406c can be reduced. By reducing the interface state density, a reduction in on-state current of the transistor 1000 can be prevented.

例えば、酸化物406c及び酸化物406bとして、In−M−Zn酸化物を用いる場合、各金属元素の原子数比が、おおよそ等しい膜となるように、成膜することが好ましい。具体的には、スパッタリング法を用いて成膜する場合、各金属元素の原子数比が同じターゲットを用いて成膜するとよい。また、スパッタリングガスとしては、酸素とアルゴンの混合ガスを用いて、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は、0%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%とすればよい。   For example, in the case where an In-M-Zn oxide is used as the oxide 406c and the oxide 406b, the oxide film 406c and the oxide film 406b are preferably formed so that the atomic ratio of each metal element is approximately the same. Specifically, when a film is formed using a sputtering method, the film may be formed using a target having the same atomic ratio of each metal element. As the sputtering gas, a mixed gas of oxygen and argon is used, and the proportion of oxygen contained in the sputtering gas may be 0% or more, preferably 80% or more, more preferably 100%.

本実施の形態では、本実施の形態では、酸化物406cとして、スパッタリング法によって、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]のターゲットを用いて、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を100%として成膜する。   In this embodiment, in this embodiment, the oxide 406c is contained in the sputtering gas by a sputtering method with a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio]. The film is formed with an oxygen ratio of 100%.

酸化物406c1及び酸化物406c2となる酸化物406cを、上記のような条件で成膜することによって、酸化物406a1、酸化物406b1、及び絶縁体402に過剰酸素を注入することができて好ましい。   When the oxide 406c to be the oxide 406c1 and the oxide 406c2 is formed under the above conditions, excess oxygen can be injected into the oxide 406a1, the oxide 406b1, and the insulator 402, which is preferable.

次に、酸化物406c上に、絶縁体412a1及び絶縁体412a2となる絶縁体412(図示せず。)を成膜する。絶縁体412の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, an insulator 412 (not shown) to be the insulator 412a1 and the insulator 412a2 is formed over the oxide 406c. The insulator 412 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

ここで、第4の加熱処理を行うことができる。加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体412中の水分濃度及び水素濃度を低減させることができる。なお、第4の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、第4の加熱処理は行わない。   Here, fourth heat treatment can be performed. The first heat treatment condition can be used for the heat treatment. Through the heat treatment, the moisture concentration and the hydrogen concentration in the insulator 412 can be reduced. Note that the fourth heat treatment may not be performed. In this embodiment, the fourth heat treatment is not performed.

次に、絶縁体412上に、導電体404a1及び404a2となる404a(図示せず。)を成膜する。導電体404aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, a film 404a (not shown) to be the conductors 404a1 and 404a2 is formed over the insulator 412. The conductor 404a can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

なお、導電体404aの下に、上述の酸化物404cと同様の条件を用いて成膜した酸化物を有していてもよい。当該酸化物を有することで、絶縁体412へ酸素を添加することができる。絶縁体412に添加された酸素は過剰酸素となり、その後の加熱処理等によって、酸化物406a1、酸化物406b1、酸化物406c1、及び酸化物406c2に拡散させることができる。   Note that an oxide formed using the same conditions as the above-described oxide 404c may be provided under the conductor 404a. By including the oxide, oxygen can be added to the insulator 412. Oxygen added to the insulator 412 becomes excess oxygen and can be diffused into the oxide 406a1, the oxide 406b1, the oxide 406c1, and the oxide 406c2 by heat treatment or the like thereafter.

次に、当該酸化物上に、導電体をスパッタリング法で成膜することによって、当該酸化物の電気抵抗値を低下させ、導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。当該OC電極上の導電体上に、さらに導電体をスパッタリング法などによって成膜してもよい。   Next, a conductor is formed over the oxide by a sputtering method, whereby the electric resistance value of the oxide can be reduced to obtain a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode. A conductor may be further formed on the conductor on the OC electrode by a sputtering method or the like.

本実施の形態では、導電体404aとなる導電体として、スパッタリング法によって窒化チタンを成膜する。   In this embodiment, titanium nitride is formed by a sputtering method as the conductor to be the conductor 404a.

次に、導電体404a上に、導電体404b1及び導電体404b2となる導電体404b(図示せず。)を成膜する。導電体404bの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。   Next, a conductor 404b (not shown) to be the conductor 404b1 and the conductor 404b2 is formed over the conductor 404a. The conductor 404b can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

本実施の形態では、導電体404bとなる導電体として、スパッタリング法によって、タングステンを成膜する。   In this embodiment, tungsten is formed by a sputtering method as the conductor to be the conductor 404b.

ここで、第5の加熱処理を行うことができる。加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。なお、第5の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、第5の加熱処理は行わない。   Here, fifth heat treatment can be performed. The first heat treatment condition can be used for the heat treatment. Note that the fifth heat treatment may not be performed. In this embodiment, the fifth heat treatment is not performed.

次に、導電体404a及び導電体404bをリソグラフィー法によって加工し、導電体404a1、導電体404b1、導電体404a2、及び導電体404b2を形成する。   Next, the conductor 404a and the conductor 404b are processed by a lithography method, so that the conductor 404a1, the conductor 404b1, the conductor 404a2, and the conductor 404b2 are formed.

次に、絶縁体418a1及び絶縁体418a2となる絶縁体418a(図示せず。)を成膜する。絶縁体418aの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体418aとして、ALD法を用いて酸化アルミニウムを成膜する。ALD法を用いることで、導電体404b1及び導電体404b2の上面及び側面に、ピンホールが少なく、かつ均一な膜厚の酸化アルミニウムを成膜できるので、導電体404b1及び導電体404b2の酸化を防止することができる。   Next, an insulator 418a (not shown) to be the insulator 418a1 and the insulator 418a2 is formed. The insulator 418a can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In this embodiment, an aluminum oxide film is formed as the insulator 418a by an ALD method. By using the ALD method, aluminum oxide having a uniform thickness can be formed on the top and side surfaces of the conductors 404b1 and 404b2, so that oxidation of the conductors 404b1 and 404b2 can be prevented. can do.

次に、絶縁体418a、絶縁体412、及び酸化物406cをリソグラフィー法によって加工し、絶縁体418a1、絶縁体418a2、絶縁体412a1、絶縁体412a2、酸化物406c1、及び酸化物406c2を形成する(図22(A)、図22(B)、図22(C)、及び図22(D)参照。)。   Next, the insulator 418a, the insulator 412, and the oxide 406c are processed by a lithography method, so that the insulator 418a1, the insulator 418a2, the insulator 412a1, the insulator 412a2, the oxide 406c1, and the oxide 406c2 are formed ( (See FIG. 22A, FIG. 22B, FIG. 22C, and FIG. 22D.)

ここで、トランジスタ1000においては、絶縁体418a1の端部、絶縁体412a1の端部、及び酸化物406c1の端部は面一であり、チャネル長方向においては、バリア膜417a1上及びバリア膜417a2上に配置され、チャネル幅方向の一方においては、絶縁体402上に配置される。同様にして、トランジスタ2000においては、絶縁体418a2の端部、絶縁体412a2の端部、及び酸化物406c2の端部は面一であり、チャネル長方向においては、バリア膜417b1上及びバリア膜417b2上に配置され、チャネル幅方向の一方においては、絶縁体402上に配置される。   Here, in the transistor 1000, an end portion of the insulator 418a1, an end portion of the insulator 412a1, and an end portion of the oxide 406c1 are flush with each other, and over the barrier film 417a1 and the barrier film 417a2 in the channel length direction. And disposed on the insulator 402 in one of the channel width directions. Similarly, in the transistor 2000, the end portion of the insulator 418a2, the end portion of the insulator 412a2, and the end portion of the oxide 406c2 are flush with each other, and over the barrier film 417b1 and the barrier film 417b2 in the channel length direction. Arranged on the insulator 402 in one of the channel width directions.

このように、絶縁体418a、絶縁体412、及び酸化物406cを一括で加工することで、絶縁体412と酸化物406cとの界面にほとんどダメージが入らないため好適である。また、導電体404b1及び導電体404b2を覆って絶縁体418a1及び絶縁体418a2を形成することで、導電体404b1及び導電体404b2の酸化によって、周囲の過剰酸素が消費されることを防ぐことができる。   In this manner, it is preferable to process the insulator 418a, the insulator 412, and the oxide 406c at a time because the interface between the insulator 412 and the oxide 406c is hardly damaged. Further, by forming the insulator 418a1 and the insulator 418a2 so as to cover the conductor 404b1 and the conductor 404b2, it is possible to prevent consumption of excess oxygen due to oxidation of the conductor 404b1 and the conductor 404b2. .

次に、絶縁体410を成膜する。絶縁体410の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる。又は、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)、ドクターナイフ法、ロールコーター法又はカーテンコーター法などを用いて行うことができる。   Next, the insulator 410 is formed. The insulator 410 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Alternatively, a spin coating method, a dip method, a droplet discharge method (such as an ink jet method), a printing method (such as screen printing or offset printing), a doctor knife method, a roll coater method, or a curtain coater method can be used.

絶縁体410は、上面が平坦性を有するように形成してもよい。例えば、絶縁体410は、成膜直後に上面が平坦性を有していてもよい。又は、例えば、絶縁体410は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう、絶縁体などを上面から除去していくことで、平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、CMP処理、ドライエッチング処理などがある。ただし、絶縁体410の上面が平坦性を有さなくても構わない。   The insulator 410 may be formed so that the upper surface has flatness. For example, the insulator 410 may have a flat upper surface immediately after film formation. Alternatively, for example, the insulator 410 may have flatness by removing the insulator and the like from the upper surface so that the insulator 410 is parallel to a reference surface such as the back surface of the substrate after film formation. Such a process is called a flattening process. Examples of the planarization process include a CMP process and a dry etching process. However, the upper surface of the insulator 410 may not have flatness.

次に、絶縁体410上に絶縁体420を成膜する。絶縁体420の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法又はALD法などを用いて行うことができる(図23(A)、図23(B)、図23(C)、及び図23(D)参照。)。   Next, the insulator 420 is formed over the insulator 410. The insulator 420 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIGS. 23A, 23B, 23C, and 23C). (See FIG. 23D.)

絶縁体420としては、例えば、酸素プラズマを用いたスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜することで、酸素を絶縁体410に添加することができる。添加された酸素は絶縁体410中で過剰酸素となる。当該過剰酸素は、加熱処理などを行うことで、酸化物406a1、酸化物406b1、酸化物406c1、及び酸化物406c2へ添加され、酸化物406a1中、酸化物406b1中、酸化物406c1中、及び酸化物406c2中の酸素欠陥を修復することができる。さらに、絶縁体410中の水分濃度及び水素濃度を低減させることができる。   As the insulator 420, oxygen can be added to the insulator 410 by, for example, forming an aluminum oxide film by a sputtering method using oxygen plasma. The added oxygen becomes excess oxygen in the insulator 410. The excess oxygen is added to the oxide 406a1, the oxide 406b1, the oxide 406c1, and the oxide 406c2 by heat treatment or the like, and is added to the oxide 406a1, the oxide 406b1, the oxide 406c1, and the oxidation. The oxygen defect in the object 406c2 can be repaired. Further, the moisture concentration and the hydrogen concentration in the insulator 410 can be reduced.

絶縁体420は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上にALD法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。又は、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。   The insulator 420 may have a multilayer structure. For example, an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method, and the aluminum oxide film may be formed on the aluminum oxide by an ALD method. Alternatively, an aluminum oxide film may be formed by an ALD method, and the aluminum oxide film may be formed on the aluminum oxide by a sputtering method.

ここで、第6の加熱処理を行うことができる。加熱処理は、第1の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理を行うことによって、絶縁体410中の水分濃度及び水素濃度を低減させることができる。本実施の形態では、酸素雰囲気にて350℃の温度で1時間の処理を行う。   Here, sixth heat treatment can be performed. The first heat treatment condition can be used for the heat treatment. By performing the heat treatment, the moisture concentration and the hydrogen concentration in the insulator 410 can be reduced. In this embodiment, treatment is performed at a temperature of 350 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

以上により、図11に示すトランジスタ1000及び図12に示すトランジスタ2000を作製することができる。   Through the above steps, the transistor 1000 illustrated in FIG. 11 and the transistor 2000 illustrated in FIG. 12 can be manufactured.

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1で説明したトランジスタを用いることができ、実施の形態2で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, the transistor described in Embodiment 1 can be used, and a CPU including the memory device described in Embodiment 2 is described.

図24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. 24 is a block diagram illustrating a configuration example of a CPU using at least part of the transistor described in the above embodiment.

図24に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic Logic Unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、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24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24に示すCPU又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。   24 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. (Bus I / F), a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189 (ROM I / F). As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 24 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. 24 may be a single core, and a plurality of the cores may be included, and each core may operate in parallel. 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, and 64 bits.

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。具体的には、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、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24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、又は、実施の形態2に示した記憶装置を用いることができる。   In the CPU illustrated in FIG. 24, a memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in Embodiment 1 or the memory device described in Embodiment 2 can be used.

図24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 illustrated in FIG. 24, 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.

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

(実施の形態5)
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的には、DVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示し得るディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図25に示す。
(Embodiment 5)
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can reproduce an image reproducing device including a display device, a personal computer, and a recording medium (typically, a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) It can be used for a device having a display. In addition, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book terminal, a video camera, a digital still camera, or the like, goggles Type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, multifunction printers, automated teller machines (ATMs), vending machines, etc. It is done. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図25(A)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、車体2981、車輪2982、ダッシュボード2983、及びライト2984等を有する。また、自動車2980は、アンテナ、バッテリなどを備える。   FIG. 25A is an external view illustrating an example of an automobile. The automobile 2980 includes a vehicle body 2981, wheels 2982, a dashboard 2983, lights 2984, and the like. The automobile 2980 includes an antenna, a battery, and the like.

図25(B)に示す情報端末2910は、筐体2911に、表示部2912、マイク2917、スピーカ部2914、カメラ2913、外部接続部2916、及び操作スイッチ2915等を有する。表示部2912には、可撓性基板が用いられた表示パネル及びタッチスクリーンを備える。また、情報端末2910は、筐体2911の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2910は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。   An information terminal 2910 illustrated in FIG. 25B includes a housing 2911 including a display portion 2912, a microphone 2917, a speaker portion 2914, a camera 2913, an external connection portion 2916, an operation switch 2915, and the like. The display portion 2912 includes a display panel using a flexible substrate and a touch screen. In addition, the information terminal 2910 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911. The information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet information terminal, a tablet personal computer, an electronic book terminal, or the like.

図25(C)に示すノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921、表示部2922、キーボード2923、及びポインティングデバイス2924等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。   A laptop personal computer 2920 illustrated in FIG. 25C includes a housing 2921, a display portion 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like. The laptop personal computer 2920 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2921.

図25(D)に示すビデオカメラ2940は、筐体2941、筐体2942、表示部2943、操作スイッチ2944、レンズ2945、及び接続部2946等を有する。操作スイッチ2944及びレンズ2945は筐体2941に設けられており、表示部2943は筐体2942に設けられている。また、ビデオカメラ2940は、筐体2941の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体2941と筐体2942は、接続部2946により接続されており、筐体2941と筐体2942の間の角度は、接続部2946により変えることが可能な構造となっている。筐体2941に対する筐体2942の角度によって、表示部2943に表示される画像の向きの変更や、画像の表示/非表示の切り換えを行うことができる。   A video camera 2940 illustrated in FIG. 25D includes a housing 2941, a housing 2942, a display portion 2944, operation switches 2944, a lens 2945, a connection portion 2946, and the like. The operation switch 2944 and the lens 2945 are provided in the housing 2941, and the display portion 2944 is provided in the housing 2942. In addition, the video camera 2940 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2941. The housing 2941 and the housing 2942 are connected to each other by a connection portion 2946. The angle between the housing 2941 and the housing 2942 can be changed by the connection portion 2946. Depending on the angle of the housing 2942 with respect to the housing 2941, the orientation of the image displayed on the display portion 2943 can be changed, and display / non-display of the image can be switched.

図25(E)にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末2950は、筐体2951、及び表示部2952等を有する。また、情報端末2950、筐体2951の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部2952は、曲面を有する筐体2951に支持されている。表示部2952には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末2950を提供することができる。   FIG. 25E illustrates an example of a bangle information terminal. The information terminal 2950 includes a housing 2951, a display portion 2952, and the like. In addition, an antenna, a battery, and the like are provided inside the information terminal 2950 and the housing 2951. The display portion 2952 is supported by a housing 2951 having a curved surface. Since the display portion 2952 includes a display panel using a flexible substrate, an information terminal 2950 that is flexible, light, and easy to use can be provided.

図25(F)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末2960は、筐体2961、表示部2962、バンド2963、バックル2964、操作スイッチ2965、入出力端子2966などを備える。また、情報端末2960、筐体2961の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2960は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。   FIG. 25F illustrates an example of a wristwatch type information terminal. The information terminal 2960 includes a housing 2961, a display portion 2962, a band 2963, a buckle 2964, an operation switch 2965, an input / output terminal 2966, and the like. Further, an antenna, a battery, and the like are provided inside the information terminal 2960 and the housing 2961. The information terminal 2960 can execute various applications such as mobile phone, e-mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.

表示部2962の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部2962はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部2962に表示されたアイコン2967に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ2965は、時刻設定の他、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末2960に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ2965の機能を設定することもできる。   The display surface of the display portion 2962 is curved, and display can be performed along the curved display surface. The display portion 2962 includes a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, an application can be started by touching an icon 2967 displayed on the display unit 2962. The operation switch 2965 can have various functions such as time setting, power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution and cancellation, and power saving mode execution and cancellation. . For example, the function of the operation switch 2965 can be set by an operating system incorporated in the information terminal 2960.

また、情報端末2960は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば、無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末2960は入出力端子2966を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやり取りを行うことができる。また、入出力端子2966を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子2966を介さずに無線給電により行ってもよい。   In addition, the information terminal 2960 can execute short-range wireless communication that is a communication standard. For example, a hands-free call can be made by communicating with a headset capable of wireless communication. In addition, the information terminal 2960 includes an input / output terminal 2966, and can directly exchange data with other information terminals via a connector. In addition, charging can be performed through the input / output terminal 2966. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the input / output terminal 2966.

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。   For example, a memory device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information, a control program, and the like of the above electronic devices for a long period. With the use of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be realized.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態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 described in this specification as appropriate.

(実施の形態6)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を備えることができるRFタグの使用例について図26を用いながら説明する。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26(A)参照。)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図26(B)参照。)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図26(C)参照。)、乗り物類(自転車等、図26(D)参照。)、身の回り品(鞄や眼鏡等、図26(E)参照。)、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、又は電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、又は携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図26(F)参照。)等に設けて使用することができる。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example of using an RF tag that can include the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Applications of RF tags are wide-ranging. For example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident card, etc., see FIG. 26A), recording media (DVD and video tape) , See FIG. 26B), packaging containers (wrapping paper, bottles, etc., see FIG. 26C), vehicles (bicycles, etc., see FIG. 26D), personal items (鞄And glasses, see FIG. 26E), foods, plants, animals, human body, clothing, daily necessities, medical products including medicines and drugs, or electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, A television device or a mobile phone) or a tag attached to each item (see FIG. 26F) can be used.

本発明の一態様に係るRFタグ4000は、表面に貼る、又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無い。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、又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、又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4000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 or embedded in the surface. 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 product itself after being fixed to the product. In addition, by providing the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention on 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 inspection systems and the like can be improved. Can be planned. Even in the case of vehicles, security against theft can be improved by attaching the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention.

以上のように、本発明の一態様に係るRFタグ4000を本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても、情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。   As described above, by using the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention for each application described in this embodiment, operating power including writing and reading of information can be reduced, so the maximum communication distance is increased. It becomes possible. In addition, even when power is cut off, information can be retained for a very long period of time, and thus can be suitably used for applications where the frequency of writing and reading is low.

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

例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、及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、又は様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置は、例えば、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物及び無機物を含む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、GLV(グレーティングライトバルブ)、PDP(プラズマディスプレイパネル)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、IMOD(インターフェロメトリック・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的又は磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、FED(フィールドエミッションディスプレイ)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、又は、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、又は、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、LEDを用いる場合、LEDの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するn型GaN半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体などを設けて、LEDを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体との間に、AlN層を設けてもよい。なお、LEDが有するGaN半導体は、MOCVDで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDが有するGaN半導体は、スパッタ法で成膜することも可能である。   For example, in this specification and the like, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. 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 LED, etc.), transistor (transistor that emits light in response to current), electron-emitting device, liquid crystal device, electronic ink, electrophoretic device, GLV (grating light valve), PDP (plasma display panel), MEMS (micro electro・ Display element using mechanical system, DMD (digital micromirror device), DMS (digital micro shutter), IMOD (interferometric modulation) element, shutter type MEMS display element, optical interference type MEMS display Child, electrowetting element, a piezoelectric ceramic display, has at least one such display device using a carbon nanotube. In addition to these, a display medium in which contrast, luminance, reflectance, transmittance, and the like are 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 an FED (Field Emission Display) or a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display). 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. Note that in the case of realizing a transflective liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrode may have a function as a reflective electrode. For example, part or all of the pixel electrode may have aluminum, silver, or the like. Further, in that case, a memory circuit such as an SRAM can be provided under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced. In addition, when using LED, you may arrange | position graphene or graphite under the electrode and nitride semiconductor of LED. Graphene or graphite may be a multilayer film in which a plurality of layers are stacked. Thus, by providing graphene or graphite, a nitride semiconductor such as an n-type GaN semiconductor having a crystal can be easily formed thereon. Furthermore, a p-type GaN semiconductor having a crystal or the like can be provided thereon to form an LED. Note that an AlN layer may be provided between graphene or graphite and an n-type GaN semiconductor having a crystal. Note that the GaN semiconductor included in the LED may be formed by MOCVD. However, by providing graphene, the GaN semiconductor included in the LED can be formed by a sputtering method.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態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 described in this specification as appropriate.

10 半導体装置
20 半導体装置
100 回路
106 電子捕獲準位
107 電子
110 メモリセル
112 トランジスタ
114 容量素子
120 記憶装置
130 メモリセル
131 容量素子
140 記憶装置
150 レジスタ回路
151 インバータ
152 インバータ
153 フリップフロップ回路
154 容量素子
170 画素
171 容量素子
172 表示素子
180 表示装置
200 回路
301 絶縁体
302 絶縁体
303 絶縁体
310_1 導電体
310_2 導電体
310a1 導電体
310a2 導電体
310b1 導電体
310b2 導電体
400 基板
401 絶縁体
402 絶縁体
404_1 導電体
404_2 導電体
404a 導電体
404a1 導電体
404a2 導電体
404b 導電体
404b1 導電体
404b2 導電体
406a 酸化物
406a1 酸化物
406a2 酸化物
406a3 酸化物
406b 酸化物
406b1 酸化物
406b2 酸化物
406b3 酸化物
406c 酸化物
406c1 酸化物
406c2 酸化物
406W1 領域
406W2 領域
410 絶縁体
411 導電体
411a 導電体
411b 導電体
411a1 導電体
411a2 導電体
411b1 導電体
411b2 導電体
412 絶縁体
412a1 絶縁体
412a2 絶縁体
416 導電体
416_1 導電体
416_2 導電体
416_3 導電体
416a1 導電体
416a2 導電体
416b1 導電体
416b2 導電体
417 絶縁体
417a 絶縁体
417b 絶縁体
417a1 バリア膜
417a2 バリア膜
417b1 バリア膜
417b2 バリア膜
418a 絶縁体
418a1 絶縁体
418a2 絶縁体
420 絶縁体
421 レジスト
1000 トランジスタ
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
2000 トランジスタ
2910 情報端末
2911 筐体
2912 表示部
2913 カメラ
2914 スピーカ部
2915 操作スイッチ
2916 外部接続部
2917 マイク
2920 ノート型パーソナルコンピュータ
2921 筐体
2922 表示部
2923 キーボード
2924 ポインティングデバイス
2940 ビデオカメラ
2941 筐体
2942 筐体
2943 表示部
2944 操作スイッチ
2945 レンズ
2946 接続部
2950 情報端末
2951 筐体
2952 表示部
2960 情報端末
2961 筐体
2962 表示部
2963 バンド
2964 バックル
2965 操作スイッチ
2966 入出力端子
2967 アイコン
2980 自動車
2981 車体
2982 車輪
2983 ダッシュボード
2984 ライト
4000 RFタグ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device 20 Semiconductor device 100 Circuit 106 Electron capture level 107 Electron 110 Memory cell 112 Transistor 114 Capacitance element 120 Storage device 130 Memory cell 131 Capacitance element 140 Storage device 150 Register circuit 151 Inverter 152 Inverter 153 Flip-flop circuit 154 Capacitance element 170 Pixel 171 Capacitance element 172 Display element 180 Display device 200 Circuit 301 Insulator 302 Insulator 303 Insulator 310_1 Conductor 310_2 Conductor 310a1 Conductor 310a2 Conductor 310b1 Conductor 310b2 Conductor 400 Substrate 401 Insulator 402 Insulator 404_1 Conductor 404_2 conductor 404a conductor 404a1 conductor 404a2 conductor 404b conductor 404b1 conductor 404b2 conductor 406a oxide 406a1 Oxide 406a2 Oxide 406a3 Oxide 406b Oxide 406b1 Oxide 406b2 Oxide 406b3 Oxide 406c Oxide 406c1 Oxide 406c2 Oxide 406W1 Region 406W2 Region 410 Insulator 411 Conductor 411a Conductor 411b Conductor 411a1 Conductor 411a2 Conductor Body 411b1 conductor 411b2 conductor 412 insulator 412a1 insulator 412a2 insulator 416 conductor 416_1 conductor 416_2 conductor 416_3 conductor 416a1 conductor 416a2 conductor 416b1 conductor 416b2 conductor 417 insulator 417 insulator 417 insulator 417 insulator 417 insulator 417 insulator Barrier film 417a2 barrier film 417b1 barrier film 417b2 barrier film 418a insulator 418a1 insulator 418a2 insulator 420 insulator 421 Str 1000 Transistor 1189 ROM interface 1190 Substrate 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
2000 Transistor 2910 Information terminal 2911 Case 2912 Display unit 2913 Camera 2914 Speaker unit 2915 Operation switch 2916 External connection unit 2917 Microphone 2920 Notebook personal computer 2921 Case 2922 Display unit 2923 Keyboard 2924 Pointing device 2940 Video camera 2941 Case 2942 Case 2943 Display unit 2944 Operation switch 2945 Lens 2946 Connection unit 2950 Information terminal 2951 Case 2952 Display unit 2960 Information terminal 2961 Case 2962 Display unit 2963 Band 2964 Buckle 2965 Operation switch 2966 Input / output terminal 2967 Icon 2980 Car 2981 Car body 2982 Wheel 2983 Dash Board 2984 Light 4000 RF tag

Claims (17)

第1のゲートと、
前記第1のゲート上の絶縁体と、
前記絶縁体上の第1及び第2の導電体と、
前記絶縁体、前記第1及び第2の導電体上の第1の酸化物と、
前記第1の酸化物上の第2のゲートと、を有する第1のトランジスタと、
第3のゲートと、
前記第3のゲート上の第2の酸化物と、
前記第2の酸化物上の第4のゲートと、を有する第2のトランジスタと、
容量素子と、を有する半導体装置であって、
前記第1の導電体と、前記第3のゲートと、前記容量素子の一方の電極とは、電気的に接続され、
前記第2のゲートと、前記第1の導電体とが、重なる領域において、前記第1のゲートのチャネル幅方向の長さが、前記第1の導電体のチャネル幅方向の長さよりも短いことを特徴とする半導体装置。
A first gate;
An insulator on the first gate;
First and second conductors on the insulator;
A first oxide on the insulator, the first and second conductors;
A first transistor having a second gate on the first oxide;
A third gate;
A second oxide on the third gate;
A second transistor having a fourth gate on the second oxide;
A semiconductor device having a capacitive element,
The first conductor, the third gate, and one electrode of the capacitor are electrically connected,
In the region where the second gate and the first conductor overlap, the length of the first gate in the channel width direction is shorter than the length of the first conductor in the channel width direction. A semiconductor device characterized by the above.
請求項1において、
前記第2のゲートと、前記第2の導電体とが、重なる領域において、前記第1のゲートのチャネル幅方向の長さが、前記第2の導電体のチャネル幅方向の長さよりも短いことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
In a region where the second gate and the second conductor overlap, the length of the first gate in the channel width direction is shorter than the length of the second conductor in the channel width direction. A semiconductor device characterized by the above.
請求項1又は請求項2において、
前記第1のトランジスタの閾値電圧のほうが、前記第2のトランジスタの閾値電圧よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
A semiconductor device, wherein a threshold voltage of the first transistor is larger than a threshold voltage of the second transistor.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記絶縁体は、第1乃至第3の絶縁膜を有し、
前記第1及び第3の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜よりも電子親和力が小さいことを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The insulator has first to third insulating films,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first and third insulating films have an electron affinity smaller than that of the second insulating film.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第1及び第3の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first and third insulating films have a band gap larger than that of the second insulating film.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記第1の酸化物は、前記第1のトランジスタのチャネル形成領域を有し、
前記第2の酸化物は、前記第2のトランジスタのチャネル形成領域を有し、
前記第1の導電体は、前記第1のトランジスタのソース又はドレインの一方の機能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 5,
The first oxide has a channel formation region of the first transistor;
The second oxide has a channel formation region of the second transistor;
The semiconductor device, wherein the first conductor has a function of one of a source and a drain of the first transistor.
請求項1乃至請求6のいずれか一項において、
前記第1の導電体と、前記第2のゲートとは、電気的に接続されていないことを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
The semiconductor device, wherein the first conductor and the second gate are not electrically connected.
請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記第1の導電体と、前記第2のゲートとは、電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The semiconductor device, wherein the first conductor and the second gate are electrically connected.
請求項1乃至請求項8のいずれか一項において、
前記第1及び前記第2の酸化物は、金属酸化物を含むことを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 8,
The semiconductor device, wherein the first and second oxides include a metal oxide.
第1のゲートと、
前記第1のゲート上の絶縁体と、
前記絶縁体上の第1及び第2の導電体と、
前記絶縁体、前記第1及び第2の導電体上の第1の酸化物と、
前記第1の酸化物上の第2のゲートと、を有する第1のトランジスタと、
第3のゲートと、
前記第3のゲート上の第2の酸化物と、
前記第2の酸化物上の第4のゲートと、を有する第2のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第1の導電体と、前記第3のゲートと、前記容量素子の一方の電極とが、電気的に接続された半導体装置の動作方法であって、
前記第1のトランジスタは、
前記第1のゲートに第1の正電位を印加して、前記絶縁体に第1の電荷を注入し、
前記第1のゲートに接地電位を印加して、前記第1の電荷を前記絶縁体に保持し、
前記第2のゲートに、前記第1の正電位よりも小さい第2の正電位を印加し、
前記第2の導電体に第1の負電位を印加し、
前記第1及び前記第2のゲート、前記第2の導電体に接地電位を印加して、前記容量素子に第2の電荷を保持することを特徴とする半導体装置の動作方法。
A first gate;
An insulator on the first gate;
First and second conductors on the insulator;
A first oxide on the insulator, the first and second conductors;
A first transistor having a second gate on the first oxide;
A third gate;
A second oxide on the third gate;
A second transistor having a fourth gate on the second oxide;
A capacitive element;
An operation method of a semiconductor device in which the first conductor, the third gate, and one electrode of the capacitor are electrically connected,
The first transistor includes:
Applying a first positive potential to the first gate and injecting a first charge into the insulator;
Applying a ground potential to the first gate to hold the first charge in the insulator;
Applying a second positive potential smaller than the first positive potential to the second gate;
Applying a first negative potential to the second conductor;
A method for operating a semiconductor device, wherein a ground potential is applied to the first and second gates and the second conductor to hold a second charge in the capacitor.
請求項10において、
前記第1のトランジスタの閾値電圧のほうが、前記第2のトランジスタの閾値電圧よりも大きいことを特徴とする半導体装置の動作方法。
In claim 10,
The method for operating a semiconductor device, wherein a threshold voltage of the first transistor is larger than a threshold voltage of the second transistor.
請求項10又は請求項11において、
前記絶縁体は、第1乃至第3の絶縁膜を有し、
前記第1及び第3の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜よりも電子親和力が小さいことを特徴とする半導体装置の動作方法。
In claim 10 or claim 11,
The insulator has first to third insulating films,
The method for operating a semiconductor device, wherein the first and third insulating films have an electron affinity smaller than that of the second insulating film.
請求項10乃至請求項12のいずれか一項において、
前記第1及び第3の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする半導体装置の動作方法。
In any one of Claims 10 to 12,
The method of operating a semiconductor device, wherein the first and third insulating films have a band gap larger than that of the second insulating film.
請求項10乃至請求項13のいずれか一項において、
前記第1の酸化物は、前記第1のトランジスタのチャネル形成領域を有し、
前記第2の酸化物は、前記第2のトランジスタのチャネル形成領域を有し、
前記第1の導電体は、前記第1のトランジスタのソース又はドレインの一方の機能を有することを特徴とする半導体装置の動作方法。
In any one of Claims 10 to 13,
The first oxide has a channel formation region of the first transistor;
The second oxide has a channel formation region of the second transistor;
The method of operating a semiconductor device, wherein the first conductor has a function of one of a source and a drain of the first transistor.
請求項10乃至請求項14のいずれか一項において、
前記第1の導電体と、前記第2のゲートとは、電気的に接続されていないことを特徴とする半導体装置の動作方法。
In any one of Claims 10 to 14,
The method for operating a semiconductor device, wherein the first conductor and the second gate are not electrically connected to each other.
請求項10乃至請求項15のいずれか一項において、
前記第1の導電体と、前記第2のゲートとは、電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置の動作方法。
In any one of Claims 10 to 15,
The method for operating a semiconductor device, wherein the first conductor and the second gate are electrically connected.
請求項10乃至請求項16のいずれか一項において、
前記第1及び前記第2の酸化物は、金属酸化物を含むことを特徴とする半導体装置の動作方法。
In any one of Claims 10 to 16,
The method for operating a semiconductor device, wherein the first oxide and the second oxide include a metal oxide.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020254904A1 (en) * 2019-06-21 2020-12-24 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device and method for producing semiconductor device

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