JP2018174339A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特
に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それら
の駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
置全般を指す。表示装置、電気光学装置、半導体回路および電気機器は、半導体装置を有
している場合がある。
スタ(TFT)ともいう)を構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回
路(IC)や画像表示装置(表示装置)のような電子デバイスに広く応用されている。ト
ランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、
その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
化物半導体膜を用いたトランジスタが特許文献1に開示されている。
や配線等を設けて素子間を電気的に接続させることがある。素子が酸化物半導体膜を用い
たトランジスタである場合、開口部から酸化物半導体膜へ水素等の不純物が侵入してしま
い、酸化物半導体膜中の酸素欠損と水素により低抵抗化し、トランジスタの電気特性の不
良に繋がってしまう。
、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は
、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。
化等を達成するためにはトランジスタの微細化が必須である。
性を維持しつつ、微細化を達成した半導体装置を提供することを課題の一とする。
は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。また、上記以外の課題は、明
細書等の記載から自ずと明らかになるものであり、明細書等の記載から上記以外の課題を
抽出することが可能である。
に接続されたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜、ソース電極およびドレ
イン電極と接するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接するゲート電極と、を有し、ブロッ
キング膜は、酸化物半導体膜と同一材料を用い、同一表面上に形成され、酸化物半導体膜
より導電性が高いことを特徴とする半導体装置である。
膜と電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜、ソース電極
およびドレイン電極と接するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接するゲート電極と、を有
し、ブロッキング膜は、酸化物半導体膜、ソース電極およびドレイン電極と異なる材料を
用い、酸化物半導体膜と同一表面上に形成され、酸化物半導体膜より導電性が高いことを
特徴とする半導体装置である。
、絶縁膜に開口部が設けられ、ブロッキング膜と酸化物半導体膜との距離は、開口部と酸
化物半導体膜との距離より短い。
タは、半導体材料を含む基板を含み、開口部を介してソース電極またはドレイン電極と電
気的に接続している。
素等の不純物が侵入することを抑制する機能を有するため、半導体装置の電気特性の不良
を抑制することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。な
お、本発明の一態様はこれらの効果に限定されるものではない。例えば、本発明の一態様
は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合もあ
る。または、例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これ
らの効果を有さない場合もある。
されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に
変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実
施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構
成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共
通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。
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。
るために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について図面を用いて説明する。
である。図1(A)は上面図であり、図1(A)に示す一点鎖線A1−A2の断面が図1
(B)に相当する。なお、図1(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。また、一点鎖線A1−A2方向をチャネル長方向、一点鎖線A1−A
2方向に垂直な方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。なお、上面図の例は、図1
(A)に限定されない。例えば、図20のような上面図でもよい。
102と、下地絶縁膜102上の導電膜104a、導電膜104bおよび導電膜104c
と、下地絶縁膜102、導電膜104a、導電膜104bおよび導電膜104c上の層間
絶縁膜106と、層間絶縁膜106上の酸化物半導体膜108a、ブロッキング膜108
bおよびブロッキング膜108cと、層間絶縁膜106に設けられた開口部120aを介
して導電膜104bと電気的に接続し、かつ、酸化物半導体膜108aおよびブロッキン
グ膜108b上のソース電極110aと、層間絶縁膜106に設けられた開口部120b
を介して導電膜104cと電気的に接続し、かつ、酸化物半導体膜108aおよびブロッ
キング膜108c上のドレイン電極110bと、酸化物半導体膜108a、ソース電極1
10aおよびドレイン電極110b上のゲート絶縁膜112と、酸化物半導体膜108a
と重畳し、ゲート絶縁膜112上のゲート電極114と、ゲート絶縁膜112およびゲー
ト電極114上の酸化物絶縁膜116と、を有する。
る、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電
極)との距離をいう。すなわち、図1(A)では、チャネル長は、酸化物半導体膜108
aとゲート電極114とが重なる領域における、ソース電極110aとドレイン電極11
0bとの距離となる。チャネル幅とは、半導体膜とゲート電極とが重なる領域における、
ソースまたはドレインの幅をいう。すなわち、図1(A)では、チャネル幅は、酸化物半
導体膜108aとゲート電極114とが重なる領域における、ソース電極110aまたは
ドレイン電極110bの幅をいう。
させながら電極や半導体膜等を加工すると電極や半導体膜等の上端部が丸みを帯びる(曲
面を有する)場合がある。このような構成になることで、酸化物半導体膜108a上に形
成されるゲート絶縁膜112、ゲート電極114および酸化物絶縁膜116の被覆性を向
上させることができる。また、ソース電極110aおよびドレイン電極110bの端部に
生じる恐れのある電界集中を緩和することができ、トランジスタの劣化を抑制することが
できる。
つまり、ブロッキング膜108bと酸化物半導体膜108aとの距離は、開口部120a
と酸化物半導体膜108aとの距離より短い。同様にブロッキング膜108cは開口部1
20bより酸化物半導体膜108aに近い、つまり、ブロッキング膜108cと酸化物半
導体膜108aとの距離は、開口部120bと酸化物半導体膜108aとの距離より短い
。
との間の層)から開口部を介して侵入する水素等の不純物をブロッキング膜で吸着させる
ことで酸化物半導体膜中に不純物が侵入することを抑制する機能を有するため、半導体装
置の電気特性の不良を抑制することができる。
ができる。このため、工程数が増えることなくブロッキング膜を形成することができる。
これに限られず、ブロッキング膜は酸化物半導体膜、ソース電極(またはドレイン電極)
と異なる材料であってもよい。
度が高い。このため、ブロッキング膜は酸化物半導体膜と比べて導電性が高い。
ことができる(ゲート電極の電界によって、酸化物半導体膜を電気的に取り囲むトランジ
スタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよ
ぶ)。そのため、酸化物半導体膜108aの全体(バルク)にチャネルが形成される。s
−channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことがで
き、高いオン電流を得ることができる。
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタのチャネル長を、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下
、より好ましくは20nm以下とし、かつ、トランジスタのチャネル幅を、好ましくは4
0nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とする。
成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート電極、ソース電極、ドレ
イン電極の少なくとも一つが、上記の他の素子と電気的に接続されていてもよい。
化物半導体膜108aに酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、下地絶縁
膜102は酸素を含む絶縁膜であることが好ましい。例えば、化学量論的組成よりも多い
酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。また、上述のように基板100が他の素子
が形成された基板である場合、下地絶縁膜102は、層間絶縁膜としての機能も有する。
その場合、下地絶縁膜102の表面が平坦化されていてもよい。例えば、下地絶縁膜10
2にCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平
坦化処理を行えばよい。
加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。オン電流を増加させるには、導電膜10
4aとゲート電極114とを電気的に接続して同電位とし、デュアルゲートトランジスタ
として駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、導電膜104aとゲー
ト電極114とが電気的に接続しないようにし、ゲート電極114とは異なる定電位を導
電膜104aに供給すればよい。
導電膜104cは、ドレイン電極110bと電気的に接続する配線として機能する。導電
膜104bおよび導電膜104cは、他のトランジスタやキャパシタなどの素子と電気的
に接続されていてもよい。
しも設けられていなくてもよい。また、導電膜104bや導電膜104cも、必ずしも設
けられていなくてもよい。導電膜104a、導電膜104b、及び、導電膜104cが設
けられていない場合の上面図と断面図を、図21(A)、図21(B)に示す。
ほか、酸化物半導体膜108aに酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、
層間絶縁膜106は酸素を含む絶縁膜であることが好ましい。
ジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物半導体膜10
8aは、元素Mを含むと好ましい。元素Mとして、例えば、アルミニウム、ガリウム、イ
ットリウムまたはスズなどがある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元
素である。元素Mは、例えば、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元
素である。また、酸化物半導体膜108aは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物が亜鉛を含
むと、例えば、酸化物を結晶化しやすくなる。酸化物の価電子帯上端のエネルギーは、例
えば、亜鉛の原子数比によって制御できる。
半導体膜108aは、例えば、Zn−Sn酸化物、Ga−Sn酸化物であっても構わない
。
物半導体膜108aのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、
好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下
とする。
減のため、インジウムを含むターゲットを用いると好ましい。また、元素Mの原子数比が
高い酸化物ターゲットを用いた場合、ターゲットの導電性が低くなる場合がある。インジ
ウムを含むターゲットを用いる場合、ターゲットの導電率を高めることができ、DC放電
、AC放電が容易となるため、大面積の基板へ対応しやすくなる。したがって、半導体装
置の生産性を高めることができる。
、In:M:Znが3:1:1、3:1:2、3:1:4、1:1:0.5、1:1:1
、1:1:2、などとすればよい。
らずれた原子数比の膜が形成される場合がある。特に、亜鉛は、ターゲットの原子数比よ
りも膜の原子数比が小さくなる場合がある。具体的には、ターゲットに含まれる亜鉛の原
子数比の40atomic%以上90atomic%以下程度となる場合がある。
トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体膜108a中の不純物濃度
を低減し、低キャリア密度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物半導体
膜108aのキャリア密度は、1×1017個/cm3未満、1×1015個/cm3未
満、または1×1013個/cm3未満とする。酸化物半導体膜108a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。
となる場合がある。そのため、酸化物半導体膜108aと層間絶縁膜106との間におけ
るシリコン濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion M
ass Spectrometry)において、1×1019atoms/cm3未満、
好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018ato
ms/cm3未満とする。また、酸化物半導体膜108aとゲート絶縁膜112との間に
おけるシリコン濃度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm3未満、好ま
しくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms
/cm3未満とする。
う場合がある。酸化物半導体膜108aの水素濃度はSIMSにおいて、2×1020a
toms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましく
は1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/c
m3以下とする。また、酸化物半導体膜108a中に窒素が含まれると、キャリア密度を
増大させてしまう場合がある。酸化物半導体膜108aの窒素濃度は、SIMSにおいて
、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以
下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×101
7atoms/cm3以下とする。
絶縁膜106の水素濃度を低減すると好ましい。下地絶縁膜102、層間絶縁膜106の
水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5×1
019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下、
さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下とする。また、酸化物半導体膜1
08aの窒素濃度を低減するために、下地絶縁膜102、層間絶縁膜106の窒素濃度を
低減すると好ましい。下地絶縁膜102、層間絶縁膜106の窒素濃度は、SIMSにお
いて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm
3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1
017atoms/cm3以下とする。
素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜112の水素濃度はSIMSにおいて、2×
1020atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、よ
り好ましくは1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018at
oms/cm3以下とする。また、酸化物半導体膜108aの窒素濃度を低減するために
、ゲート絶縁膜112の窒素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜112の窒素濃度
は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018
atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに
好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。
る。
非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Cry
stalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体
膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。したがって、CAA
C−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立
方体内に収まる大きさの場合も含まれる。
tron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち
結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、C
AAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
察)すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原
子の各層は、CAAC−OS膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を
反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。
EM観察)すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列している
ことを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られ
ない。
ていることがわかる。
装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS
膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピーク
が現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属され
ることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に
概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
す。
lane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピーク
は、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸
化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)
として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面
に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを
56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。したがって、前述の断面TEM観察で確認された層
状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。したがって、例えば、CAAC−OS
膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被
形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上
面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、CA
AC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部
分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現
れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向
性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍
にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによっ
てキャリア発生源となることがある。
は実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体
膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって
、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性
(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高
純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半
導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタと
なる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要
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、不純物濃度
が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定
となる場合がある。
性の変動が小さい。
きない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以
下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10n
m以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrys
tal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline O
xide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、T
EMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異な
る結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、全体で配向性が見られない。し
たがって、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かな
い場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXR
D装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面
を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜は、結晶部よりも大きいプローブ径(
例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折(制限視野電子線回折ともいう。)を
行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し
、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径(例えば1nm以上30nm以下
)の電子線を用いる電子線回折(ナノビーム電子線回折ともいう。)を行うと、スポット
が観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くよう
に(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OS膜に対しナ
ノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合があ
る。
のため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし
、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−
OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
AAC−OS膜のうち、二種以上を有してもよい。
半導体膜108aは、2層構造、3層構造であってもよい。
酸化物半導体膜108aが、酸化物半導体膜108a1、酸化物半導体膜108a2、酸
化物半導体膜108a3が順に設けられた積層膜である場合を示す。
記載を参照する。酸化物半導体膜108a1(下層)および酸化物半導体膜108a3(
上層)は、酸化物半導体膜108a2を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以
上から構成される酸化物半導体膜である。酸化物半導体膜108a2を構成する酸素以外
の元素一種以上、または二種以上から酸化物半導体膜108a1および酸化物半導体膜1
08a3が構成されるため、酸化物半導体膜108a1と酸化物半導体膜108a2との
界面、および酸化物半導体膜108a2と酸化物半導体膜108a3との界面において、
界面準位が形成されにくい。
てのInおよびMの原子数比率は、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50
atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75ato
mic%以上とする。また、酸化物半導体膜108a2がIn−M−Zn酸化物のとき、
ZnおよびOを除いてのInおよびMの原子数比率は、好ましくはInが25atomi
c%以上、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%以
上、Mが66atomic%未満とする。また、酸化物半導体膜108a3がIn−M−
Zn酸化物のとき、ZnおよびOを除いてのInおよびMの原子数比率は、好ましくはI
nが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが2
5atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。なお、酸化物半導体膜10
8a3は、酸化物半導体膜108a1と同種の酸化物を用いても構わない。
導体膜108a1と酸化物半導体膜108a2との混合領域を有する場合がある。また、
酸化物半導体膜108a2と酸化物半導体膜108a3との間には、酸化物半導体膜10
8a2と酸化物半導体膜108a3との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面
準位密度が低くなる。そのため、酸化物半導体膜108a1、酸化物半導体膜108a2
および酸化物半導体膜108a3の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギー
が連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。
a3よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体膜108a2とし
て、酸化物半導体膜108a1および酸化物半導体膜108a3よりも電子親和力の0.
07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好まし
くは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空
準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
半導体膜108a2、酸化物半導体膜108a3のうち、電子親和力の大きい酸化物半導
体膜108a2にチャネルが形成される。
ど好ましい。例えば、酸化物半導体膜108a3は、10nm未満、好ましくは5nm以
下、さらに好ましくは3nm以下とする。一方、酸化物半導体膜108a3は、チャネル
の形成される酸化物半導体膜108a2へ、ゲート絶縁膜112を構成する酸素以外の元
素(シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、酸化物半
導体膜108a3は、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、酸化物半導体膜
108a3の厚さは、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm
以上とする。
08a3は薄いことが好ましい。具体的には、酸化物半導体膜108a1の厚さは、20
nm以上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは6
0nm以上とする。酸化物半導体膜108a1の厚さを、20nm以上、好ましくは30
nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上とすることで、
層間絶縁膜106と酸化物半導体膜108a1との界面からチャネルの形成される酸化物
半導体膜108a2までを20nm以上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは4
0nm以上、より好ましくは60nm以上離すことができる。ただし、半導体装置の生産
性が低下する場合があるため、酸化物半導体膜108a1の厚さは、200nm以下、好
ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下とする。
ン濃度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1
018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満
とする。また、酸化物半導体膜108a2と酸化物半導体膜108a3との間におけるシ
リコン濃度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5
×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3
未満とする。
a1および酸化物半導体膜108a3の水素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体膜
108a1および酸化物半導体膜108a3の水素濃度はSIMSにおいて、2×102
0atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ま
しくは1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms
/cm3以下とする。また、酸化物半導体膜108a2の窒素濃度を低減するために、酸
化物半導体膜108a1および酸化物半導体膜108a3の窒素濃度を低減すると好まし
い。酸化物半導体膜108a1および酸化物半導体膜108a3の窒素濃度は、SIMS
において、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/
cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5
×1017atoms/cm3以下とする。
膜108a3を設けない2層構造としても構わない。
抜く性質を有する導電膜を用いると好ましい。例えば、酸化物半導体膜から酸素を引き抜
く性質を有する導電膜として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、モリブデン、
タンタル、タングステンなどを含む導電膜が挙げられる。
中の酸素が脱離し、酸化物半導体膜中に酸素欠損を形成する場合がある。酸素の引き抜き
は、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつかの加
熱工程があることから、酸化物半導体膜のソース電極またはドレイン電極と接触した近傍
の領域には酸素欠損が形成される可能性が高い。また、加熱により該酸素欠損のサイトに
水素が入りこみ、酸化物半導体膜がn型化する場合がある。したがって、ソース電極およ
びドレイン電極の作用により、酸化物半導体膜と、ソース電極またはドレイン電極と、が
接する領域を低抵抗化させ、トランジスタのオン抵抗を低減することができる。
スタを作製する場合、n型化領域の形成によってソースードレイン間が短絡してしまうこ
とがある。そのため、チャネル長が小さいトランジスタを形成する場合は、ソース電極お
よびドレイン電極に酸化物半導体膜から適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜を用い
ればよい。適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜としては、例えば、ニッケル、モリ
ブデンまたはタングステンを含む導電膜などがある。
スタを作製する場合、ソース電極およびドレイン電極として、酸化物半導体膜からほとん
ど酸素を引き抜くことのない導電膜を用いればよい。酸化物半導体膜からほとんど酸素を
引き抜くことのない導電膜としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、またはルテニ
ウムを含む導電膜などがある。なお、複数種の導電膜を積層しても構わない。
化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化
イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび
酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いればよい。また、ゲート絶縁膜112は上記材
料の積層であってもよい。なお、ゲート絶縁膜112に、ランタン、窒素、ジルコニウム
などを、不純物として含んでいてもよい。
トリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、タンタル、タングステンなどか
ら選ばれた一種以上を含む導電膜を用いればよい。
化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、
酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上
含む絶縁膜を用いることができる。
Vapor Deposition)法、有機金属化学堆積(MOCVD:Metal
Organic CVD)法、プラズマ化学気相堆積(PECVD:Plasma−En
hanced CVD)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Bea
m Epitaxy)法、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Depos
ition)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Depo
sition)法を用いて成膜すればよい。プラズマによるダメージを減らすには、MO
CVD法あるいはALD法が好ましい。
P処理を行うことで、下地絶縁膜102の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは
0.3nm以下、さらに好ましくは0.1nm以下とする。上述の数値以下のRaとする
ことで、酸化物半導体膜108aの結晶性が高くなる場合がある。Raは原子間力顕微鏡
(AFM:Atomic Force Microscope)にて測定可能である。
ても構わない。酸素の添加は、プラズマ処理またはイオン注入法などにより行えばよい。
酸素の添加をイオン注入法で行う場合、例えば、加速電圧を2kV以上100kV以下と
し、ドーズ量を5×1014ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下と
すればよい。
形成する(図2(B)参照)。導電膜104a、導電膜104bおよび導電膜104cは
スパッタリング法、CVD法、MOCVD法、PECVD法、MBE法、ALD法または
PLD法を用いて成膜すればよく、ゲート電極114と同じ材料を用いることができる。
プラズマによるダメージを減らすには、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
層間絶縁膜105を形成する(図2(C)参照)。層間絶縁膜105は、スパッタリング
法、CVD法、MOCVD法、PECVD法、MBE法、ALD法またはPLD法を用い
て成膜すればよい。プラズマによるダメージを減らすには、MOCVD法あるいはALD
法が好ましい。層間絶縁膜105の表面を平坦化するために、CMP処理を行ってもよい
。CMP処理を行うことで、層間絶縁膜105の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ま
しくは0.3nm以下、さらに好ましくは0.1nm以下とする。上述の数値以下のRa
とすることで、酸化物半導体膜108aの結晶性が高くなる場合がある。
達する開口部120bを形成し、層間絶縁膜106を形成する(図3(A)参照)。
ブロッキング膜108cをスパッタリング法、CVD法、MOCVD法、PECVD法、
MBE法、ALD法またはPLD法を用いて形成する(図3(B)参照)。プラズマによ
るダメージを減らすには、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。このとき、層間絶
縁膜106を適度にエッチングしてもよい。層間絶縁膜106を適度にエッチングするこ
とで、後に形成するゲート電極114で酸化物半導体膜108aを覆いやすくすることが
できる。なお、トランジスタを微細化するために、酸化物半導体膜108a、ブロッキン
グ膜108bおよびブロッキング膜108cの加工時にハードマスクを用いてもよい。
08a2、および酸化物半導体膜108a3を含めた積層膜を形成する場合、各層を大気
に触れさせることなく連続して成膜すると好ましい。
膜108aは、基板温度を100℃以上、好ましくは150℃以上、さらに好ましくは2
00℃以上として成膜する。また、成膜ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露
点が−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100℃以下にまで高純
度化したガスを用いる。なお、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少な
い)ことを高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。
成後に、第1の加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下
、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10
ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第1の加熱処理の雰囲気は
、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10p
pm以上含む雰囲気で行ってもよい。第1の加熱処理によって、酸化物半導体膜108a
の結晶性を高め、さらに、酸化物半導体膜108a、下地絶縁膜102、層間絶縁膜10
6から水素や水などの不純物を除去することができる。
がこれに限られず、酸化物半導体膜、ブロッキング膜を形成してから層間絶縁膜に開口部
を形成してもよい。
に接続し、かつ、酸化物半導体膜108aおよびブロッキング膜108b上のソース電極
110a、および層間絶縁膜106に設けられた開口部120bを介して導電膜104c
と電気的に接続し、かつ、酸化物半導体膜108aおよびブロッキング膜108c上のド
レイン電極110bを形成する(図3(C)参照)。ソース電極110aおよびドレイン
電極110bは、スパッタリング法、CVD法、MOCVD法、PECVD法、MBE法
、ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。プラズマによるダメージを減らすに
は、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。なお、ソース電極110aおよびドレイ
ン電極110bとなる導電膜をエッチングする際、ソース電極110aおよびドレイン電
極110bの上端部が丸みを帯びる(曲面を有する)場合がある。また、ソース電極11
0aおよびドレイン電極110bとなる導電膜をエッチングする際、層間絶縁膜106が
適度にエッチングされていてもよい。
上に、ゲート絶縁膜112を形成する(図4(A)参照)。ゲート絶縁膜112は、スパ
ッタリング法、CVD法、MOCVD法、PECVD法、MBE法、ALD法またはPL
D法を用いて成膜すればよい。プラズマによるダメージを減らすには、MOCVD法ある
いはALD法が好ましい。
(図4(C)参照)。酸化物絶縁膜116は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、
ALD法またはPLD法を用いて成膜すればよい。
件で行うことができる。第2の加熱処理により、酸化物半導体膜108aの酸素欠損を低
減することができる場合がある。
る。
また、図5(A)に示すトランジスタのようにソース電極110aおよびドレイン電極
110bと電気的に接続し、配線として機能する導電膜118aおよび導電膜118bを
酸化物絶縁膜116上に設けてもよい。導電膜118aおよび導電膜118bは、他のト
ランジスタやキャパシタなどの素子と電気的に接続されていてもよい。
、層間絶縁膜上に酸化物半導体膜108a1、酸化物半導体膜108a2、ブロッキング
膜108b1、ブロッキング膜108b2、ブロッキング膜108c1、及び、ブロッキ
ング膜108c2を設け、ソース電極およびドレイン電極上に酸化物半導体膜108a3
を設ける構成にしてもよい。また、酸化物半導体膜108a3およびゲート絶縁膜は、ゲ
ート電極をマスクにエッチングしてもよい。
また、図10に示すトランジスタのように酸化物半導体膜108a上にチャネル保護膜
128を設けてもよい。チャネル保護膜128を設けることで酸化物半導体膜108aが
エッチングガスに曝されず、酸化物半導体膜108aおよびチャネル保護膜128の間の
不純物を低減できる。この結果、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の間に流
れるリーク電流を低減することができる。
る。
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる半導体装置について図面を用いて説明する
。
である。図6(A)は上面図であり、図6(A)に示す一点鎖線B1−B2の断面が図6
(B)に相当する。なお、図6(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。また、一点鎖線B1−B2方向をチャネル長方向、一点鎖線B1−B
2方向に垂直な方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
102と、下地絶縁膜102上のゲート電極114と、下地絶縁膜102およびゲート電
極114上のゲート絶縁膜112と、ゲート絶縁膜112上のソース電極110aおよび
ドレイン電極110bと、ゲート絶縁膜112、ソース電極110aおよびドレイン電極
110b上の酸化物半導体膜108aと、ソース電極110a上のブロッキング膜108
bと、ドレイン電極110b上のブロッキング膜108cと、ソース電極110a、ドレ
イン電極110b、酸化物半導体膜108a、ブロッキング膜108bおよびブロッキン
グ膜108c上の層間絶縁膜106と、層間絶縁膜106上の導電膜104aと、層間絶
縁膜106に設けられた開口部120aを介してソース電極110aと電気的に接続し、
かつ、層間絶縁膜106上の導電膜104bと、層間絶縁膜106に設けられた開口部1
20bを介してドレイン電極110bと電気的に接続し、かつ、層間絶縁膜106上の導
電膜104cと、を有する。
、ブロッキング膜108bと酸化物半導体膜108aとの距離は、開口部120aと酸化
物半導体膜108aとの距離より短い。同様にブロッキング膜108cは開口部120b
より酸化物半導体膜108aに近い、つまり、ブロッキング膜108cと酸化物半導体膜
108aとの距離は、開口部120bと酸化物半導体膜108aとの距離より短い。
の不純物をブロッキング膜で吸着させることで酸化物半導体膜中に不純物が侵入すること
を抑制する機能を有するため、半導体装置の電気特性の不良を抑制することができる。
ができる。このため、工程数が増えることなくブロッキング膜を形成することができる。
これに限られず、ブロッキング膜は酸化物半導体膜、ソース電極(またはドレイン電極)
と異なる材料であってもよい。
度が高い。このため、ブロッキング膜は酸化物半導体膜と比べて導電性が高い。
02の材料および作製方法は実施の形態1を参酌することができる。
電極114の材料および作製方法は実施の形態1を参酌することができる。
図7(C)参照)。ゲート絶縁膜112の材料および作製方法は実施の形態1を参酌する
ことができる。
する(図8(A)参照)。ソース電極110aおよびドレイン電極110bの材料および
作製方法は実施の形態1を参酌することができる。
物半導体膜108a、ブロッキング膜108bおよびブロッキング膜108cを形成する
(図8(B)参照)。酸化物半導体膜108a、ブロッキング膜108bおよびブロッキ
ング膜108cの材料および作製方法は実施の形態1を参酌することができる。
08a2、および酸化物半導体膜108a3を含めた積層膜を形成する場合、各層を大気
に触れさせることなく連続して成膜すると好ましい。
成後に、第1の加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理の詳細は実施の形態1を参酌す
ることができる。
ソース電極110aおよびドレイン電極110b上に層間絶縁膜105を形成する(図8
(C)参照)。層間絶縁膜105の材料および作製方法は実施の形態1を参酌することが
できる。
110bに達する開口部120bを形成し、層間絶縁膜106を形成する(図9(A)参
照)。
120aを介してソース電極110aと電気的に接続し、かつ、層間絶縁膜106上の導
電膜104bと、層間絶縁膜106に設けられた開口部120bを介してドレイン電極1
10bと電気的に接続し、かつ、層間絶縁膜106上の導電膜104cと、を形成する(
図9(B)参照)。導電膜104a、導電膜104bおよび導電膜104cは、実施の形
態1を参酌することができる。
件で行うことができる。第2の加熱処理により、酸化物半導体膜108aの酸素欠損を低
減することができる場合がある。
る。
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面
を参照して説明する。
図11(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図11(A)に示す半導
体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の
半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。図11(A)では、第2の半導
体材料を用いたトランジスタ2100として、実施の形態1で例示したトランジスタを適
用した例を示している。
い。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン、ゲルマニウ
ム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素など)とし、第2の半導
体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコ
ンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いた
トランジスタは、オフ電流が低い。
スタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、
酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造
など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
膜2207を介してトランジスタ2100が設けられている。また、トランジスタ220
0とトランジスタ2100の間には、複数の配線2202が設けられている。また、各種
絶縁膜に埋め込まれた複数のプラグ2203により、上層と下層にそれぞれ設けられた配
線や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ2100を覆う絶縁膜2204
と、絶縁膜2204上に配線2205と、トランジスタ2100の一対の電極と同一の導
電膜を加工して得られた配線2206と、が設けられている。
、より高密度に複数の回路を配置することができる。
、トランジスタ2200の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素はシリコンのダン
グリングボンドを終端し、トランジスタ2200の信頼性を向上させる効果がある。一方
、上層に設けられるトランジスタ2100に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ2
100の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生
成する要因の一つとなるため、トランジスタ2100の信頼性を低下させる要因となる場
合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸
化物半導体を用いたトランジスタ2100を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡
散を防止する機能を有する絶縁膜2207を設けることは特に効果的である。絶縁膜22
07により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上するこ
とに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ2100
の信頼性も同時に向上させることができる。
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。
ジスタ2100上に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁膜2208を形成することが
好ましい。絶縁膜2208としては、絶縁膜2207と同様の材料を用いることができ、
特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分な
どの不純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い
。したがって、トランジスタ2100を覆う絶縁膜2208として酸化アルミニウム膜を
用いることで、トランジスタ2100に含まれる酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止
するとともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防止することができる。
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極の接続構成を
異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様
の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
図11(B)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型の
トランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCM
OS回路の構成を示している。
また、図11(C)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200の
それぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで
、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の
保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図1
2に示す。
第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している
。なお、トランジスタ3300としては、上記実施の形態で説明したトランジスタを用い
ることができる。
ンジスタである。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることに
より長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必
要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすること
が可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に
接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極または
ドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300の
ゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極、お
よびトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方は、容量素子3400
の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の電極の他方
と電気的に接続されている。
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。
ランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とす
る。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、お
よび容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲート電極には
、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電
荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものと
する。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電
位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200の
ゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
電極の電荷は長時間にわたって保持される。
与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジ
スタ3200のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電
位をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ320
0のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_
Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見
かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは
、トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位を
いうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間
の電位V0とすることにより、トランジスタ3200のゲート電極に与えられた電荷を判
別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、
第5の配線3005の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「
オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の
電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままで
ある。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読
み出すことができる。
み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態
にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_
Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲート電極の状態にか
かわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lよ
り大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。
2(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持
動作が可能である。
浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003
と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が
変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の電極の一方の電位
(あるいは容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003
の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB
×VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量
素子3400の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、
電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V1
)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(
CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
とができる。
たトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトラ
ンジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持す
ることが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ
動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することがで
きる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)で
あっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲー
トへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため
、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導
体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、
信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報
の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
る。
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むR
Fタグについて、図13を参照して説明する。
憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このよ
うな特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う
個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには
極めて高い信頼性が要求される。
ブロック図である。
もいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ
804を有する。また、RFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回
路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有してい
る。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に
抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。こ
れにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和するこ
とを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけること
ができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交
信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信
する電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの
方式に用いることも可能である。
ンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路
805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整
流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平
滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側ま
たは出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅
が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しない
ように制御するための回路である。
の回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していても
よい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路8
09のリセット信号を生成するための回路である。
するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに
応じて変調を行うための回路である。
、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域など
を有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を
行うための回路である。
。本発明の一態様の記憶装置は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため
、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶装置は、データの
書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、デー
タの読み出し時と書き込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さら
に、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書き込みが生じることを抑制す
ることができる。
ため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデ
ータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにし
ておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書き込んだのちに製品を出荷するこ
とで、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品に
のみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になるこ
とがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
み合わせて実施することができる。
本実施の形態では、少なくとも上記の実施の形態で説明したトランジスタを用いること
ができ、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
一例の構成を示すブロック図である。
tic 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、および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およびROMインターフェース1189
は、別チップに設けてもよい。もちろん、図14に示すCPUは、その構成を簡略化して
示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例
えば、図14に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数
含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演
算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、6
4ビットなどとすることができる。
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。
ーラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種
制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御す
るための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログ
ラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマス
ク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のア
ドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行う。
92、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およ
びレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えば
タイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信
号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上
記各種回路に供給する。
タ1196のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることがで
きる。
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1
196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。
。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記
憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理
素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回
路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と
、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダ
クタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ12
09のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力
され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して
接地される構成とする。
いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)
のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の
端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第
2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203
はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2
の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状
態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとド
レインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソース
とドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力さ
れる制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、
トランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。
うちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続
部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電
位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッ
チ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に
接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレイン
の他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの
一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214の
ソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続
される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他
方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一
方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と
、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一
対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低
電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができ
る。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる
配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの
他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND
等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子12
08の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGN
D線)と電気的に接続される。
を積極的に利用することによって省略することも可能である。
れる。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号R
Dによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方の
スイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と
第2の端子の間は非導通状態となる。
タに対応する信号が入力される。図15では、回路1201から出力された信号が、トラ
ンジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203
の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は
、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介
して回路1201に入力される。
ドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して
回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端
子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を
反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に
、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場
合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方
)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
スタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板11
90にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層また
はシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素
子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体膜で形成されるト
ランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以
外にも、チャネルが酸化物半導体膜で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残り
のトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形
成されるトランジスタとすることもできる。
。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用い
ることができる。
間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子12
08によって保持することができる。
。例えば、酸化物半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を
有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そ
のため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子
1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわ
たり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(
データ)を保持することが可能である。
動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201
が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
タ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再
開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態
(オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。そ
れ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信
号を正確に読み出すことが可能である。
の記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐ
ことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復
帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、ま
たは複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力
を抑えることができる。
1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタム
LSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、
RF(Radio Frequency)デバイスにも応用可能である。
る。
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルの構成例について説明する。
図19(A)は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図19(B)は、本発
明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路
を説明するための回路図である。また、図19(C)は、本発明の一態様の表示パネルの
画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路
図である。
た、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャ
ネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同
一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジス
タを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
の基板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回
路703、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆
動回路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、及び
第2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差
領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装
置の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接
続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されてい
る。
線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に
設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板
700外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増
える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことがで
き、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
また、画素の回路構成の一例を図19(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネル
の画素に適用することができる画素回路を示す。
の画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆
動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画
素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。
は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線とし
て機能するソース電極層又はドレイン電極層714は、トランジスタ716とトランジス
タ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は上記実施
の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液
晶表示パネルを提供することができる。
気的に接続する第2の画素電極層の形状について説明する。第1の画素電極層と第2の画
素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第1の画素電極層はV字型に広が
る形状を有し、第2の画素電極層は第1の画素電極層の外側を囲むように形成される。
のゲート電極はゲート配線713と接続されている。ゲート配線712とゲート配線71
3に異なるゲート信号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミン
グを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
たは第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
る。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成さ
れ、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成さ
れる。
示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路
などを追加してもよい。
画素の回路構成の他の一例を図19(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表
示パネルの画素構造を示す。
、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そし
て、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、
その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発
光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
トランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜
は、nチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該
画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。
いて説明する。
素子724及び容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、ゲ
ート電極層が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極層及びドレイン電極層の一
方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極層及びドレイン電極層の他方)が
駆動用トランジスタ722のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ722
は、ゲート電極層が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が電源線
727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続されている
。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同一基板
上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL
表示パネルを提供することができる。
低電源電位とは、電源線727に設定される高電源電位より低い電位であり、例えばGN
D、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしき
い値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子72
4に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子7
24の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向し
きい値電圧を含む。
省略できる。駆動用トランジスタ722のゲート容量については、チャネル形成領域とゲ
ート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
方式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態と
なるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジ
スタ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用
トランジスタ722のゲート電極層にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆
動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。
24の順方向電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧を
かける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力
し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作さ
せるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高くす
る。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を流
し、アナログ階調駆動を行うことができる。
9(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論
理回路などを追加してもよい。
位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電
気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御
し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位
など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
る。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を
備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Dis
c等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いるこ
とができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器
として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、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16に示す
。
部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス90
8等を有する。なお、図16(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表
示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されな
い。
913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部91
3は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられて
いる。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されてお
り、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能であ
る。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体
912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913お
よび第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示
装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチ
パネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フ
ォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加するこ
とができる。
キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
33等を有する。
、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレン
ズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられ
ている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されて
おり、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能で
ある。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体9
42との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
ライト954等を有する。
る。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFデバイスの使用例について図17を用い
ながら説明する。RFデバイス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17(A)参照)、記録媒体(D
VDやビデオテープ等、図17(B)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図17
(C)参照)、乗り物類(自転車等、図17(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、
食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電
子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、
若しくは各物品に取り付ける荷札(図17(E)、図17(F)参照)等に設けて使用す
ることができる。
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R
Fデバイス4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品
自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、
または証書類等に本発明の一態様に係るRFデバイス4000を設けることにより、認証
機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。ま
た、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器
等に本発明の一態様に係るRFデバイス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R
Fデバイス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。
用いることにより、情報の書き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。
る。
ンジスタについて作製し、電気特性の評価を行った。
Ethyl Ortho Silicate)を原料とした酸化シリコン膜をCVD法に
より形成した。
条件は、CMP研磨パッドとしてポリウレタン系研磨布を用い、スラリーとしてはNP8
020(ニッタ・ハース株式会社製)の原液(シリカ粒径60nm乃至80nm)を用い
、スラリー温度を室温とし、研磨圧0.08MPa、基板を固定している側のスピンドル
回転数は51rpm、研磨布が固定されているテーブル回転数は50rpmとして、1.
6分間処理した。
形成した。エッチング条件は、まず、第1のエッチングとしてICP(Inductiv
ely Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法により、ト
リフルオロメタンおよびヘリウム(CHF3:He=50sccm:100sccm)混
合雰囲気下、電源電力475W、バイアス電力300W、圧力5.5Paにおいて3秒間
エッチングし、次に第2のエッチングとしてICPエッチング法により、トリフルオロメ
タンおよびヘリウム(CHF3:He=7.5sccm:142.5sccm)混合雰囲
気下、電源電力475W、バイアス電力300W、圧力5.5Paにおいて79秒間エッ
チングし、再度第1のエッチング条件でエッチングしたあと、第2のエッチング条件でエ
ッチングした。
した。成膜条件は、タングステンターゲットを用い、アルゴン(Ar=80sccm)雰
囲気下において、圧力0.8Pa、電源電力1kWを印加し、ターゲットと基板の間の距
離を60mm、基板温度230℃として成膜した。
Pエッチング法により、塩素、四フッ化炭素および酸素(Cl2:CF4:O2=45s
ccm:55sccm:55sccm)混合雰囲気下、電源電力3000W、バイアス電
力110W、圧力0.67Paにおいて5秒間エッチングした。
D法により形成した。
P研磨パッドとしてポリウレタン系研磨布を用い、スラリーとしてはNP8020(ニッ
タ・ハース株式会社製)の原液(シリカ粒径60nm乃至80nm)を用い、スラリー温
度を室温とし、研磨圧0.08MPa、基板を固定している側のスピンドル回転数は51
rpm、研磨布が固定されているテーブル回転数は50rpmとして、1.4分間処理し
た。
シリコン膜上の膜厚50nmの窒化シリコン膜、窒化シリコン膜上の膜厚300nmの酸
化シリコン膜をCVD法により形成した。
積層して形成した。成膜条件は、第1の酸化物半導体膜はIn:Ga:Zn=1:3:2
(原子数比)の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素(
Ar:O2=30sccm:15sccm)混合雰囲気下において、圧力0.4Pa、電
源電力0.5kWを印加し、ターゲットと基板の間の距離を60mm、基板温度200℃
として成膜し、第2の酸化物半導体膜はIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)の酸
化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素(Ar:O2=30
sccm:15sccm)混合雰囲気下において、圧力0.4Pa、電源電力0.5kW
を印加し、ターゲットと基板の間の距離を60mm、基板温度300℃として成膜した。
なお、第1の酸化物半導体膜および第2の酸化物半導体膜は、大気曝露せずに連続成膜を
行った。
素雰囲気下、450℃で1時間行った。
り、三塩化ホウ素および塩素(BCl3:Cl2=60sccm:20sccm)混合雰
囲気下、電源電力450W、バイアス電力100W、圧力1.9Paにおいて89秒間エ
ッチングして島状の第1の酸化物半導体膜および第2の酸化物半導体膜に加工した。また
、同時に第1の酸化物半導体膜および第2の酸化物半導体膜から島状の第1のブロッキン
グ膜および第2のブロッキング膜を形成した。
厚50nmの窒化シリコン膜、窒化シリコン膜上の膜厚300nmの酸化シリコン膜に中
継配線に達する開口をエッチングにより形成した。エッチング条件は、まず、第1のエッ
チングとしてICPエッチング法により、トリフルオロメタンおよびヘリウム(CHF3
:He=50sccm:100sccm)混合雰囲気下、電源電力475W、バイアス電
力300W、圧力5.5Paにおいて3秒間エッチングし、次に第2のエッチングとして
ICPエッチング法により、トリフルオロメタンおよびヘリウム(CHF3:He=7.
5sccm:142.5sccm)混合雰囲気下、電源電力475W、バイアス電力30
0W、圧力5.5Paにおいて69秒間エッチングし、再度第1のエッチング条件でエッ
チングしたあと、第2のエッチング条件でエッチングした。
。成膜条件は、タングステンターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴン(Ar
=80sccm)雰囲気下において、圧力0.8Pa、電源電力(電源出力)1.0kW
を印加し、基板とターゲットとの間の距離を60mm、基板温度230℃の条件によって
成膜した。
グは、ICPエッチング法により、四弗化炭素、塩素および酸素(CF4:Cl2:O2
=55sccm:45sccm:55sccm)混合雰囲気下、電源電力3000W、バ
イアス電力110W、圧力0.67Paにて第1のエッチングを13秒間行い、その後、
酸素(O2=100sccm)雰囲気下、電源電力2000W、バイアス電力0W、圧力
3.0Paにて第2のエッチングを15秒間行い、さらにその後、四弗化炭素、塩素およ
び酸素(CF4:Cl2:O2=55sccm:45sccm:55sccm)混合雰囲
気下、電源電力3000W、バイアス電力110W、圧力0.67Paにて第3のエッチ
ングを14秒間行い、ソース電極およびドレイン電極を形成した。
酸化物半導体膜を成膜した。成膜条件は、In:Ga:Zn=1:3:2(原子数比)の
酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素(Ar:O2=3
0sccm:15sccm)混合雰囲気下において、圧力0.4Pa、電源電力0.5k
Wを印加し、ターゲットと基板の間の距離を60mm、基板温度200℃とした。
よび一酸化二窒素(SiH4:N2O=1sccm:800sccm)混合雰囲気下、圧
力200Pa、電源電力150kWを印加し、ターゲットと基板の間の距離を28mm、
基板温度350℃として成膜した。
タリング法により成膜した。窒化チタン膜の成膜条件は、窒素(N2=50sccm)雰
囲気下において、圧力0.2Pa、電源電力12kWを印加し、ターゲットと基板の間の
距離を400mm、基板温度25℃とした。タングステン膜の成膜条件は、アルゴン(A
r=100sccm)雰囲気下において、圧力2.0Pa、電源電力4kWを印加し、タ
ーゲットと基板の間の距離を60mm、基板温度230℃とした。
のタングステン膜の積層をエッチングした。エッチング条件は、塩素、四弗化炭素および
酸素(Cl2:CF4:O2=45sccm:55sccm:55sccm)混合雰囲気
下、電源電力3000W、バイアス電力110W、圧力0.67Paにおいて第1のエッ
チングを行い、第1のエッチングの後に塩素および三塩化ホウ素(Cl2:BCl3=5
0sccm:150sccm)混合雰囲気下、電源電力1000W、バイアス電力50W
、圧力0.67Paにおいて第2のエッチングを行い、ゲート電極を形成した。
ッチングした。エッチング条件は、三塩化ホウ素(BCl3=80sccm)雰囲気下、
電源電力450W、バイアス電力100W、圧力1.0Paにおいてエッチングを行った
。
成膜した。成膜条件は、アルゴン:酸素(Ar:O2=25sccm:25sccm)混
合雰囲気下において、圧力0.4Pa、電源電力2.5kWを印加し、ターゲットと基板
の間の距離を60mm、基板温度250℃とした。
タを作製した。また、比較例として上記トランジスタの第1のブロッキング膜および第2
のブロッキング膜のみ有さない構成のトランジスタを作製した。
Vまたは2.7Vとし、ゲート電圧(Vg:[V])を−3Vから3Vまで掃引した際の
、ドレイン電流(Id:[A])の測定を行った。測定結果を図18に示す。図18にお
いて、実線はドレイン電圧(Vd:[V])が0.1Vのときの測定結果であり、点線は
ドレイン電圧(Vd:[V])が2.7Vのときの測定結果であり、横軸はゲート電圧(
Vg:[V])、縦軸はドレイン電流(Id:[A])を示す。なお、「ドレイン電圧(
Vd:[V])」とは、ソースを基準としたドレインとソースの電位差であり、「ゲート
電圧(Vg:[V])」とは、ソースを基準としたゲートとソースの電位差である。また
、図18(A)に比較例のトランジスタの測定結果、図18(B)に実施例のトランジス
タの測定結果を示す。
特性のばらつきが小さいことが確認できた。ブロッキング膜を設けることにより、特性の
ばらつきを低減することができることが示唆された。
102 下地絶縁膜
104a 導電膜
104b 導電膜
104c 導電膜
105 層間絶縁膜
106 層間絶縁膜
108a 酸化物半導体膜
108a1 酸化物半導体膜
108a2 酸化物半導体膜
108a3 酸化物半導体膜
108b ブロッキング膜
108b1 ブロッキング膜
108b2 ブロッキング膜
108c ブロッキング膜
108c1 ブロッキング膜
108c2 ブロッキング膜
110a ソース電極
110b ドレイン電極
112 ゲート絶縁膜
114 ゲート電極
116 酸化物絶縁膜
118a 導電膜
118b 導電膜
120a 開口部
120b 開口部
128 チャネル保護膜
150 トランジスタ
250 トランジスタ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 ゲート配線
713 ゲート配線
714 ドレイン電極層
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 第1筐体
912 第2筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 第1筐体
942 第2筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁膜
2202 配線
2203 プラグ
2204 絶縁膜
2205 配線
2206 配線
2207 絶縁膜
2208 絶縁膜
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFデバイス
Claims (5)
- 酸化物半導体膜と、金属酸化物膜と、を有し、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と同一表面上に形成され、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と接せず、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と同一材料で形成され、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜より導電性が高いことを特徴とする半導体装置。 - 酸化物半導体膜と、金属酸化物膜と、を有し、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と同一表面上に形成され、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と接せず、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と同一材料で形成され、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜より水素濃度が高い領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記酸化物半導体膜及び前記金属酸化物膜は、開口部を有する絶縁膜と接する領域を有し、
前記金属酸化物膜は、前記酸化物半導体膜と前記開口部との間に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記酸化物半導体膜及び前記金属酸化物膜は、開口部を有する絶縁膜と接する領域を有し、
前記金属酸化物膜と前記酸化物半導体膜との距離は、前記開口部と前記酸化物半導体膜との距離より短いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記絶縁膜は、前記酸化物半導体膜の下面、及び前記金属酸化物膜の下面と接し、
前記絶縁膜の下に第1のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタは、半導体材料を含む基板上に形成され、且つ前記開口部を介して前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたことを特徴とする半導体装置。
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