JP2018181890A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2018181890A
JP2018181890A JP2017074009A JP2017074009A JP2018181890A JP 2018181890 A JP2018181890 A JP 2018181890A JP 2017074009 A JP2017074009 A JP 2017074009A JP 2017074009 A JP2017074009 A JP 2017074009A JP 2018181890 A JP2018181890 A JP 2018181890A
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insulator
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transistor
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山崎 舜平
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
龍之介 本田
Ryunosuke Honda
龍之介 本田
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a large threshold voltage; and provide a semiconductor device capable of retaining data for a long time.SOLUTION: A semiconductor device having a transistor comprises: a first conductor; a first insulator arranged on the first conductor; an oxide arranged on the first insulator so as to overlap the first conductor; a second insulator arranged on the oxide; and a second conductor arranged on the second insulator so as to overlap the first conductor and the oxide. When a voltage larger than a voltage Vis applied to the second conductor with a voltage Vbeing applied to the first conductor, a channel is formed in the oxide and -δV/δVbecomes equal to or more than 0.1 and less than 1.0.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor wafer, a module, and an electronic device.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置(液晶表示装置、発光表示装置など)、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。   Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor circuit such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are one embodiment of a semiconductor device. A display device (a liquid crystal display device, a light emitting display device, or the like), a projection device, a lighting device, an electro-optical device, a power storage device, a memory device, a semiconductor circuit, an imaging device, an electronic device, or the like may be considered to have 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は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。   Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).

近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタ及びメモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。   In recent years, semiconductor devices have been developed, and LSIs, CPUs and memories are mainly used. The CPU is a group of semiconductor elements including a semiconductor integrated circuit (at least a transistor and a memory) separated from a semiconductor wafer and in which electrodes serving as connection terminals are formed.

LSIやCPUやメモリなどの半導体回路(ICチップ)は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。   Semiconductor circuits (IC chips) such as LSIs, CPUs, and memories are mounted on a circuit board, for example, a printed wiring board, and used as one of components of various electronic devices.

また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)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。   In addition, a technique of forming a transistor by using a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices). Although silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, oxide semiconductors have attracted attention as other materials.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。   In addition, a transistor including an oxide semiconductor is known to have extremely small leakage current in a non-conduction state. For example, a low power consumption CPU or the like to which a characteristic that a leak current of a transistor including an oxide semiconductor is low is applied is disclosed (see Patent Document 1).

また、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用して、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが、開示されている(特許文献2参照。)。   Further, for example, a memory device or the like which can hold stored data for a long time by applying a characteristic that a transistor using an oxide semiconductor has low leakage current is disclosed (see Patent Document 2).

特開2012−257187号公報JP 2012-257187 A 特開2011−151383号公報JP 2011-151383 A

本発明の一態様は、しきい値電圧の大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、ノーマリーオフの電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、小さい電圧で動作する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a large threshold voltage. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having normally-off electrical characteristics. Alternatively, it is an object of one embodiment of the present invention to provide a semiconductor device operating at a small voltage. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electrical characteristics.

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を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様には、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、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を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of holding data for a long time. Alternatively, it is an object of one embodiment of the present invention to provide a semiconductor device with high information writing speed. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a high degree of freedom in design. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device whose power consumption can be suppressed. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.

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

本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第1の導電体と、第1の導電体の上に配置された第1の絶縁体と、第1の絶縁体の上に、第1の導電体と重なるように配置された酸化物と、酸化物の上に配置された第2の絶縁体と、第2の絶縁体の上に、第1の導電体および酸化物に重なるように配置された第2の導電体と、を有し、第1の導電体に電圧VBGが印加された状態で、第2の導電体に電圧Vthより大きい電圧が印加されると、酸化物にチャネルが形成され、電圧Vthと、電圧VBGが、下記の式(1)を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including a transistor, which includes a first conductor, a first insulator disposed on the first conductor, and a first insulator. A first electrical conductor and an oxide on top of the oxide disposed to overlap the first electrical conductor, a second insulator disposed on the oxide, and a second electrical insulator A voltage higher than the voltage V th is applied to the second conductor in a state in which the voltage V BG is applied to the first conductor. Then, a channel is formed in the oxide, and the voltage V th and the voltage V BG satisfy the following equation (1).

上記において、さらに、電圧Vthと、電圧VBGが、下記の式(2)を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。 In the semiconductor device described above, the voltage V th and the voltage V BG further satisfy the following formula (2).

上記において、第1の絶縁体および酸化物の合成容量Cと、第1の絶縁体の容量Cが、下記の式(3)を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。 In the above, the combined capacitance C B of the first insulator and the oxide, capacitance C T of the first insulator, satisfies the equation (3) below, is a semiconductor device according to claim.

上記において、酸化物は、第1の酸化物と、第1の酸化物の上の第2の酸化物と、第2の酸化物の上の第3の酸化物と、の積層構造であり、第1の酸化物および第3の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、第2の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、第1の絶縁体、第1の酸化物、および第2の酸化物の合成容量Cと、第3の酸化物および第1の絶縁体の合成容量Cが、下記の式(4)を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。 In the above, the oxide is a layered structure of a first oxide, a second oxide on the first oxide, and a third oxide on the second oxide, The energy at the bottom of the conduction band of the first oxide and the third oxide is greater than the energy at the bottom of the conduction band of the second oxide, and the first insulator, the first oxide, and the second oxide a combined capacitance C B of the object, the combined capacitance C T of the third oxide and the first insulating body, satisfy equation (4) below, is a semiconductor device according to claim.

上記において、酸化物は、第2の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、第2の導電体と重ならない領域に、チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、ことを特徴とする半導体装置である。   In the above, the oxide has a channel formation region in a region overlapping with the second conductor, and has a source region and a drain region across the channel formation region in a region not overlapping with the second conductor. A semiconductor device characterized by

また、本発明の他の一態様は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、を有する半導体装置であって、第1のトランジスタは、第1の導電体と、第1の導電体の上に配置された第1の絶縁体と、第1の絶縁体の上に、第1の導電体と重なるように配置された第1の酸化物と、第1の酸化物の上に、第1の導電体と重なるように配置された第2の酸化物と、第2の酸化物の上に、第1の導電体と重なるように配置された第3の酸化物と、第3の酸化物の上に配置された第2の絶縁体と、第2の絶縁体の上に、第1の導電体、第1の酸化物、第2の酸化物、および第3の酸化物、に重なるように配置された第2の導電体と、を有し、第1の酸化物および第3の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、第2の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、第1の導電体に電圧VBGが印加された状態で、第2の導電体に電圧Vthより大きい電圧が印加されると、第2の酸化物にチャネルが形成され、電圧Vthと、電圧VBGが、下記の式(5)を満たし、第2のトランジスタは、第3の酸化物と同じ材料で形成された、第4の酸化物を有し、第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方、ならびに第2のトランジスタのゲートは、第1の導電体に電気的に接続される、ことを特徴とする半導体装置である。 Another embodiment of the present invention is a semiconductor device including a first transistor and a second transistor, and the first transistor includes a first conductor and a first conductor. A first insulator disposed on the first insulator, a first oxide disposed on the first insulator to overlap the first conductor, and a first oxide on the first oxide. A second oxide disposed to overlap the first conductor, a third oxide disposed on the second oxide to overlap the first conductor, and a third oxide And a first conductor, a first oxide, a second oxide, and a third oxide overlying the second insulator and the second insulator disposed on the object And the energy of the conduction band lower end of the first oxide and the third oxide is the energy of the conduction band lower end of the second oxide. Ri large, while the voltage V BG is applied to the first conductor, the voltage V th is larger than the voltage applied to the second conductor, a channel is formed in the second oxide, the voltage V th , the voltage V BG satisfies the following equation (5), and the second transistor has a fourth oxide formed of the same material as the third oxide; One of the source and the drain and the gate of the second transistor are electrically connected to the first conductor.

上記において、さらに、電圧Vthと、電圧VBGが、下記の式(6)を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。 In the semiconductor device described above, the voltage V th and the voltage V BG further satisfy the following formula (6).

上記において、第1の絶縁体、第1の酸化物、および第2の酸化物の合成容量Cと、第3の酸化物および第1の絶縁体の合成容量Cが、下記の式(7)を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。 In the above, the first insulator, a first oxide, and a combined capacitance C B of the second oxide, the combined capacitance C T of the third oxide and the first insulator, the following formula ( 7) to satisfy the above 7).

上記において、第2の酸化物は、第2の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、第2の導電体と重ならない領域に、チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、ことを特徴とする半導体装置である。   In the above, the second oxide has a channel formation region in a region overlapping with the second conductor, and a source region and a drain region sandwiching the channel formation region in a region not overlapping with the second conductor. A semiconductor device characterized by having:

本発明の一態様により、しきい値電圧の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、ノーマリーオフの電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、小さい電圧で動作する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with a large threshold voltage can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having normally-off electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device operating at low voltage can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.

または、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を提供することができる。または、本発明の一態様により、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。   Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of holding data for a long time can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high data writing speed can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high design freedom can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device whose power consumption can be suppressed can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。   Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not have to have all of these effects. Note that effects other than these are naturally apparent from the description of the specification, drawings, claims and the like, and other effects can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims and the like. It is.

本発明の一態様に係る半導体装置の模式図、および当該半導体装置の電圧Vthと電圧VBGを示すグラフ。7A and 7B are a schematic view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and a graph showing a voltage V th and a voltage V BG of the semiconductor device. 本発明の一態様に係る半導体装置の模式図、および当該半導体装置の等価回路図。7A and 7B are a schematic view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and an equivalent circuit diagram of the semiconductor device. 本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view 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断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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作製方法を示す断面図。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing 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上面、および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view 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上面、および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view 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上面、および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view 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上面、および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view 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回路図および断面図。7A and 7B are a circuit diagram and a cross-sectional view 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回路図および断面図。7A and 7B are a circuit diagram and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。7A and 7B are a circuit diagram and a cross-sectional view of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。7A and 7B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration 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構成例を示すブロック図、回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。7A to 7C are a block diagram, a circuit diagram, and a timing chart showing an operation example of the semiconductor device, according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration 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構成例を示す回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。7A and 7B are a circuit diagram illustrating a structural example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and a timing chart illustrating an operation example of the semiconductor device. 本発明の一態様に係るAIシステムの構成例を示すブロック図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The block diagram which shows the structural example of AI system which concerns on 1 aspect of this invention. 本発明の一態様に係るAIシステムの応用例を説明するブロック図。The block diagram explaining the application example of the AI system concerning one mode of the present invention. 本発明の一態様に係るAIシステムを組み込んだICの構成例を示す斜視模式図。The perspective view showing the example of composition of IC which incorporated the AI system concerning one mode of the present invention. 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。FIG. 7 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention. 実施例に係る試料の電圧Vthと電圧VBGを示すグラフ。The graph which shows voltage V th and voltage V BG of the sample which concerns on an Example. 実施例に係る試料のモデルの模式図、および当該モデルの等価回路図。The schematic diagram of the model of the sample which concerns on an Example, and the equivalent circuit schematic of the said model.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨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。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it will be readily understood by those skilled in the art that the embodiments can be practiced in many different aspects and that the form and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。また、図面において、同一部分又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場合がある。また、同様の機能を指す場合には、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。   Also, in the drawings, the size, layer thicknesses, or areas may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, a layer, a resist mask, and the like may be unintentionally reduced by a process such as etching, but may be omitted for ease of understanding. In the drawings, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and repeated description thereof may be omitted. In addition, when referring to the same function, the hatch pattern may be the same and no reference numeral may be given.

また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。   In particular, in order to facilitate the understanding of the invention, the description of some of the components may be omitted particularly in a top view (also referred to as a "plan view") or a perspective view. In addition, the description of some hidden lines may be omitted.

また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。   Further, in the present specification and the like, the ordinal numbers given as the first, second and the like are used for convenience, and do not indicate the order of steps or the order of layers. Therefore, for example, "first" can be appropriately replaced with "second" or "third" and the like. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。   Further, in the present specification, the terms indicating the arrangement such as “above” and “below” are used for the sake of convenience to explain the positional relationship between the components with reference to the drawings. In addition, the positional relationship between the components is appropriately changed in accordance with the direction in which each component is depicted. Therefore, it is not limited to the terms described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

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

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。   Here, X and Y each denote an object (eg, a device, an element, a circuit, a wiring, an electrode, a terminal, a conductive film, a layer, or the like).

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 in the case where X and Y are directly connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, or the like) capable of electrically connecting X and Y An element (e.g., a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor) that enables an electrical connection between X and Y when the element, the light emitting element, the load, etc. is not connected between X and Y , X, and Y are connected without interposing a resistance element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, and the like.

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

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

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。   Further, in this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals of a gate, a drain, and a source. A channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and between the source and the drain via the channel formation region. It is possible to flow a current. In the present specification and the like, a channel region refers to a region through which current mainly flows.

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。   In addition, the functions of the source and the drain may be switched when adopting transistors of different polarities or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms “source” and “drain” may 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(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。   Note that the channel length is, for example, a region where a semiconductor (or a portion through which 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 Note that in one transistor, the channel length does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be determined to one value. Therefore, in the present specification, the channel length is any one value, maximum value, minimum value or average value in the region where the channel is formed.

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

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。   Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter, also referred to as “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor (hereinafter, “apparently” Channel width) and may be different. For example, when the gate electrode covers the side of the semiconductor, the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the effect may not be negligible. For example, in a transistor in which the gate electrode covers the side surface of the semiconductor finely, the ratio of the channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.

このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。   In such a case, it may be difficult to estimate the effective channel width by measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width unless the shape of the semiconductor is accurately known.

そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを解析することなどによって、値を決定することができる。   Thus, in this specification, the apparent channel width may be referred to as “surrounded channel width (SCW)”. Also, in the present specification, the term “channel width only” may refer to an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in the present specification, the term “channel width” may refer to an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のDOS(Density of States)が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。   Note that the impurity of a semiconductor means, for example, elements other than the main components of the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity. The inclusion of impurities may cause, for example, an increase in the DOS (Density of States) of the semiconductor, or a decrease in crystallinity. When the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include a group 1 element, a group 2 element, a group 13 element, a group 14 element, a group 15 element, and an oxide semiconductor. And transition metals other than the main components thereof, such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like. In the case of an oxide semiconductor, water may also function as an impurity. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed, for example, by the addition of impurities. Further, when the semiconductor is silicon, examples of the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include oxygen, a group 1 element excluding hydrogen, a group 2 element, a group 13 element, and a group 15 element.

なお、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ものである。例えば、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、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ものでる。例えば、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。   In this specification and the like, the silicon oxynitride film is a film having a higher oxygen content than nitrogen as the composition. For example, preferably, oxygen is 55 atomic% or more and 65 atomic% or less, nitrogen is 1 atomic% or more and 20 atomic% or less, silicon is 25 atomic% or more and 35 atomic% or less, hydrogen is 0.1 atomic% or more and 10 atomic% or less It refers to what is included in the concentration range. In addition, the silicon nitride oxide film has a nitrogen content higher than that of oxygen as its composition. For example, preferably, nitrogen is 55 atomic percent or more and 65 atomic percent or less, oxygen is 1 atomic percent or more and 20 atomic percent or less, silicon is 25 atomic percent or more and 35 atomic percent or less, and hydrogen is 0.1 atomic percent or more and 10 atomic percent or less It refers to what is included in the concentration range.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。   In the present specification and the like, the term "membrane" and the term "layer" can be interchanged with each other. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive film". Alternatively, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。   Further, in this specification and the like, the term "insulator" can be reworded as an insulating film or an insulating layer. Further, the term "conductor" can be rephrased as a conductive film or a conductive layer. Further, the term "semiconductor" can be reworded as a semiconductor film or a semiconductor layer.

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、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、そのしきい値電圧(「Vth」ともいう。)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。   In addition, transistors shown in the present specification and the like are field effect transistors except when explicitly stated. In addition, transistors shown in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, the threshold voltage (also referred to as "Vth") is assumed to be larger than 0 V except when explicitly stated.

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

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

なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。   In this specification, a barrier film is a film having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen and oxygen, and in the case where the barrier film has conductivity, it is called a conductive barrier film. There is.

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または単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタの活性層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、OS FETと記載する場合においては、酸化物また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 the present 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 semiconductor or simply OS), and the like. For example, in the case where a metal oxide is used for the active layer of the transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, in the case of describing an OS FET, the transistor can be put in another way as a transistor having an oxide or an oxide semiconductor.

(実施の形態1)
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成とその特性について説明する。
Embodiment 1
Hereinafter, the structure and characteristics of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

図1(A)は、本発明の一態様に係る半導体装置である、トランジスタ10の一部の断面図である。   FIG. 1A is a cross-sectional view of part of the transistor 10, which is a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

図1(A)に示すように、トランジスタ10は、導電体21と、導電体21の上に配置された絶縁体22と、絶縁体22の上に導電体21と重なるように配置された酸化物23と、酸化物23の上に配置された絶縁体25と、絶縁体25の上に、導電体21および酸化物23に重なるように配置された導電体26と、を有する。また、導電体21は、絶縁体24に埋め込むように配置されることが好ましい。   As illustrated in FIG. 1A, the transistor 10 includes a conductor 21, an insulator 22 disposed on the conductor 21, and an oxide disposed on the insulator 22 so as to overlap with the conductor 21. , An insulator 25 disposed on the oxide 23, and a conductor 26 disposed on the insulator 25 so as to overlap with the conductor 21 and the oxide 23. The conductor 21 is preferably arranged to be embedded in the insulator 24.

図1(A)において、導電体21、絶縁体24、絶縁体22、酸化物23、絶縁体25、および導電体26は、単層の構造で示しているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。導電体21、絶縁体24、絶縁体22、酸化物23、絶縁体25、および導電体26は、それぞれ、単層の構造としてもよいし、2層以上の積層の構造としてもよい。   In FIG. 1A, the conductor 21, the insulator 24, the insulator 22, the oxide 23, the insulator 25, and the conductor 26 are each illustrated as having a single-layer structure, but the semiconductor described in this embodiment can be used. The device is not limited to this. Each of the conductor 21, the insulator 24, the insulator 22, the oxide 23, the insulator 25, and the conductor 26 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers.

酸化物23は、導電体26と重なる領域にチャネル形成領域を有し、導電体26と重ならない領域にチャネル形成領域を挟んでソース領域とドレイン領域を有することが好ましい。なお、図1中の破線は、ソース領域とチャネル形成領域の境界、およびドレイン領域とチャネル形成領域の境界を示す。図1では、ソース領域とチャネル形成領域の境界、およびドレイン領域とチャネル形成領域の境界が導電体26の側面と略一致する例について示す。ただし、これに限られることなく、ソース領域のチャネル形成領域側の一部、および/またはドレイン領域のチャネル形成領域側の一部が、導電体26と重なる構成となってもよい。または、ソース領域とチャネル形成領域の境界、および/またはドレイン領域とチャネル形成領域の境界が、導電体26の外側に設けられる構成にしてもよい。 The oxide 23 preferably has a channel formation region in a region overlapping the conductor 26 and a source region and a drain region in a region not overlapping the conductor 26 with the channel formation region interposed therebetween. The broken lines in FIG. 1 indicate the boundary between the source region and the channel formation region, and the boundary between the drain region and the channel formation region. FIG. 1 shows an example in which the boundary between the source region and the channel formation region and the boundary between the drain region and the channel formation region substantially coincide with the side surface of the conductor 26. However, without limitation thereto, a part of the source region on the channel formation region side and / or a part of the drain region on the channel formation region side may overlap with the conductor 26. Alternatively, the boundary between the source region and the channel formation region and / or the boundary between the drain region and the channel formation region may be provided outside the conductor 26.

ここで、トランジスタ10において、酸化物23は、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。例えば、酸化物23となる金属酸化物としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。   Here, in the transistor 10, a metal oxide which functions as an oxide semiconductor (hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used as the oxide 23. For example, as a metal oxide to be the oxide 23, one having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more is preferably used. Thus, by using a metal oxide with a wide energy gap, the off-state current of the transistor can be reduced.

例えば、酸化物23として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物23として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。   For example, In-M-Zn oxide as the oxide 23 (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium It is preferable to use a metal oxide such as one or more selected from neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. Alternatively, an In-Ga oxide or an In-Zn oxide may be used as the oxide 23.

酸化物半導体を用いたトランジスタ10は、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。   The transistor 10 including an oxide semiconductor has extremely low leak current (off current) in a non-conductive state, so that a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.

一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体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、酸化物半導体に含まれる水素は、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。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。従って、酸素欠損が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体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 the transistor including an oxide semiconductor, the electrical characteristics of the transistor which is easily changed due to impurities and oxygen vacancies in the oxide semiconductor may be deteriorated in reliability. Further, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, which may form an oxygen vacancy. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons which are carriers may be generated. Thus, a transistor including an oxide semiconductor which contains oxygen vacancies is likely to be normally on. Thus, oxygen vacancies in the oxide semiconductor are preferably reduced as much as possible.

特に、酸化物23におけるチャネルが形成されるチャネル形成領域と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体25との界面に、酸素欠損が存在すると、電気特性の変動が生じやすく、また信頼性が悪くなる場合がある。   In particular, when oxygen vacancies are present at the interface between the channel formation region in the oxide 23 where the channel is formed and the insulator 25 functioning as a gate insulating film, fluctuations in electrical characteristics are likely to occur, and the reliability is degraded. There is a case.

ここで、酸化物23におけるチャネル形成領域に形成された酸素欠損は、酸素を供給することで、低減することができる。チャネル形成領域に、酸素を供給するには、例えば、酸素を含む絶縁体25を、酸化物23に接して設ければよい。好ましくは、絶縁体25は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(以下、過剰酸素ともいう)を含むとよい。つまり、絶縁体25から、過剰酸素が酸化物23へと拡散することで、酸化物23中の酸素欠損を低減することができる。   Here, oxygen vacancies formed in the channel formation region in the oxide 23 can be reduced by supplying oxygen. In order to supply oxygen to the channel formation region, an insulator 25 containing oxygen may be provided in contact with the oxide 23, for example. Preferably, the insulator 25 may contain more oxygen (hereinafter also referred to as excess oxygen) than oxygen having a stoichiometric composition. That is, oxygen excess in the insulator 25 diffuses to the oxide 23, whereby oxygen vacancies in the oxide 23 can be reduced.

例えば、絶縁体25に用いることができる過剰酸素領域を有する絶縁体として、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が、1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、好ましくは2.0×1019atoms/cm、さらに好ましくは3.0×1020atoms/cmである酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。 For example, as an insulator having an excess oxygen region that can be used for the insulator 25, it is preferable to use an oxide material from which part of oxygen is released by heating. The oxide from which oxygen is released by heating means that the amount of released oxygen in terms of molecular oxygen is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. It is an oxide film which is 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 . The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C.

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、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、炭素およ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を用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。   Specifically, silicon oxide having excess oxygen, 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 vacancies. Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable to heat.

導電体26は、第1のゲート(トップゲートともいう)電極として機能し、導電体21は、第2のゲート(ボトムゲートともいう)電極として機能する。導電体21に印加する電位を、導電体26に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ10のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体21に負の電位を印加することにより、トランジスタ10のしきい値電圧を0Vより大きくし、導電体26に印加する電圧が0Vのときのドレイン電流(以下、Icutという場合がある。)を小さくすることができる。   The conductor 26 functions as a first gate (also referred to as a top gate) electrode, and the conductor 21 functions as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. The threshold voltage of the transistor 10 can be controlled by independently changing the potential applied to the conductor 21 without interlocking with the potential applied to the conductor 26. In particular, by applying a negative potential to the conductor 21, the threshold voltage of the transistor 10 can be made larger than 0 V, and the drain current when the voltage applied to the conductor 26 is 0 V (hereinafter referred to as Icut). ) Can be made smaller.

トランジスタ10において、ボトムゲートに電圧VBG[V]が印加された状態で、トップゲートに電圧Vth[V]より大きい電圧が印加されると、酸化物23またはその近傍にチャネルが形成され始めるとする。このときの、電圧Vthを、トランジスタ10のしきい値電圧ということができる。 In the transistor 10, in a state where the voltage V BG [V] is applied to the bottom gate, when a voltage larger than the voltage V th [V] is applied to the top gate, a channel starts to be formed in the oxide 23 or nearby I assume. The voltage V th at this time can be referred to as the threshold voltage of the transistor 10.

電圧Vthは、トップゲート電圧V[V]を横軸とし、ドレイン電流の2乗根√I[A]をリニアスケールで縦軸にプロットしたV−√I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、Vg軸との交点のトップゲート電圧Vとすることができる。 The voltage V th has a top gate voltage V g [V] on the horizontal axis, and a drain current square root I I d [A] plotted on the vertical axis on the linear scale on the V g −√ I d curve. can be the tangent at the point slope of the maximum, the top gate voltage V g at the intersection of the Vg axis.

ただし、電圧Vthを求める方法は、上記に限られるものではない。例えば、電圧Vthは、トップゲート電圧V[V]を横軸にし、ドレイン電流I[A]の対数を縦軸にプロットしたV−I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、I=1.0×10−12[A]の直線との交点のトップゲート電圧Vとしてもよい。 However, the method of obtaining the voltage V th is not limited to the above. For example, in the V g -I d curve in which the top gate voltage V g [V] is plotted on the horizontal axis and the logarithm of the drain current I d [A] is plotted on the vertical axis, the voltage V th has a maximum slope on the curve. The top gate voltage V g may be a cross point of a tangent at a certain point and a straight line of I d = 1.0 × 10 −12 [A].

このように、本実施の形態に示す半導体装置は、導電体21に電圧VBGを印加することにより、電圧Vthを大きくし、トランジスタ10のIcutを十分小さくすることができる。言い換えると、トランジスタ10にノーマリーオフの電気特性を与えることができる。 As described above, in the semiconductor device described in this embodiment, by applying the voltage V BG to the conductor 21, the voltage V th can be increased and Icut of the transistor 10 can be sufficiently reduced. In other words, the transistor 10 can be provided with normally-off electrical characteristics.

例えば、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタ10を、記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることができる。ここで、スイッチングトランジスタとは、データに対応する電荷を保持するノード(以下、ストレージノードという場合がある。)に接続されたトランジスタのことをいう。上記の通り、トランジスタ10は、極めてオフ電流が小さいので、ストレージノードから抜ける電荷の量を極めて小さくなり、記憶装置のデータ保持時間を長くすることができる。さらに、トランジスタ10は、電圧Vthが大きく、Icutが小さいので、トランジスタ10のトップゲートに絶対値の大きい電位を印加せずにデータを保持することができ、記憶装置の消費電力を低減することができる。このように、トランジスタ10を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。 For example, the transistor 10 having normally-off electrical characteristics can be used as a switching transistor of a memory cell of a memory device. Here, the switching transistor is a transistor connected to a node (hereinafter, may be referred to as a storage node) which holds a charge corresponding to data. As described above, since the transistor 10 has extremely low off-state current, the amount of charge released from the storage node can be extremely reduced, and the data retention time of the storage device can be extended. Further, since the transistor 10 has a large voltage V th and a small Icut, data can be held without applying a potential with a large absolute value to the top gate of the transistor 10, and power consumption of the storage device is reduced. Can. As described above, by using the transistor 10 as a switching transistor of a memory cell of a memory device, data holding time of the memory device can be extended and power consumption can be reduced.

次に、図1(B)を用いて、トランジスタ10の電圧VBGによる電圧Vthの制御性について説明する。図1(B)は、トランジスタ10と同様の構成を有する試料において、電圧VBGに対する電圧Vthを測定してプロットしたグラフである。図1(B)に示すグラフでは、縦軸に電圧Vth[V]をとり、横軸に電圧VBG[V]をとる。ただし、横軸は正負の向きを逆にしている。 Next, controllability of the voltage V th by the voltage V BG of the transistor 10 will be described with reference to FIG. FIG. 1B is a graph obtained by measuring and plotting the voltage V th with respect to the voltage V BG in a sample having a structure similar to that of the transistor 10. In the graph shown in FIG. 1B, the vertical axis represents voltage V th [V], and the horizontal axis represents voltage V BG [V]. However, the horizontal axis is reversed in positive and negative directions.

図1(B)に示すように、電圧VBGと電圧Vthのプロットは、一定の傾きkを有する直線で近似される。この直線の傾きkは、−∂Vth/∂VBGで表せる。ここで、−∂Vth/∂VBGが大きいほど、ボトムゲートに印加する単位電圧あたりの、しきい値電圧Vthの変動量が大きくなる。つまり、−∂Vth/∂VBGが大きいほど、トランジスタ10の電圧VBGによる電圧Vthの制御性が良いということができる。このように、トランジスタ10において、−∂Vth/∂VBGは、電圧VBGによる電圧Vthの制御性の指標として扱うことができる。 As shown in FIG. 1B, the plots of the voltage V BG and the voltage V th are approximated by a straight line having a constant slope k. The slope k of this straight line can be expressed by −∂V th / ∂V BG . Here, as the value of −∂V th / ∂V BG is larger, the variation of the threshold voltage V th per unit voltage applied to the bottom gate is larger. That is, it can be said that the controllability of the voltage V th by the voltage V BG of the transistor 10 is better as the value of −∂V th / ∂V BG is larger. Thus, in the transistor 10, −∂V th / ∂V BG can be treated as an index of controllability of the voltage V th by the voltage V BG .

トランジスタ10において、−∂Vth/∂VBGは、なるべく大きいことが好ましい。その一方で、電圧Vthを精密に制御する場合、−∂Vth/∂VBGが過剰に大きいと、電圧Vthの制御が困難になる場合がある。よって、例えば、トランジスタ10において、電圧VBGと電圧Vthが、下記の式(8)を満たすことが好ましく、下記の式(9)を満たすことがより好ましい。 In the transistor 10,-好 ま し い V th / ∂V BG is preferably as large as possible. On the other hand, when the voltage V th is precisely controlled, if -∂V th / ∂V BG is excessively large, control of the voltage V th may be difficult. Therefore, for example, in the transistor 10, the voltage V BG and the voltage V th preferably satisfy the following Expression (8), and more preferably the following Expression (9).

−∂Vth/∂VBGが上記のような範囲をとるトランジスタ10では、絶対値が小さい電圧VBGで、電圧Vthを大きくし、トランジスタ10のIcutを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧VBGで動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ10を提供することができる。 In the transistor 10 in which -∂V th / ∂V BG takes the above range, the voltage V th can be increased at a voltage V BG with a small absolute value, and Icut of the transistor 10 can be sufficiently reduced. Thus, the transistor 10 can be provided which operates at the voltage V BG having a small absolute value and has normally-off electrical characteristics.

例えば、このようなトランジスタ10を、記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、トランジスタ10のトップゲートおよびボトムゲートに絶対値の大きい電位を印加せずにデータを保持することができ、記憶装置の消費電力をさらに低減することができる。このように、トランジスタ10を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。   For example, by using such a transistor 10 as a switching transistor of a memory cell of a memory device, data can be held without applying a potential with a large absolute value to the top gate and the bottom gate of the transistor 10; The power consumption of the device can be further reduced. As described above, by using the transistor 10 as a switching transistor of a memory cell of a memory device, data holding time of the memory device can be extended and power consumption can be reduced.

上記においては、トランジスタ10のしきい値電圧を大きくする構成について説明したが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。図1(B)に示すように、−∂Vth/∂VBGは、電圧VBGが正の値をとる領域でも、一定値を有する。例えば、ボトムゲートの電圧が0Vのときのトランジスタのしきい値電圧が過剰に大きい場合は、電圧VBGを大きくすることによって、しきい値電圧を0V近傍にシフトさせることができる。 Although the structure in which the threshold voltage of the transistor 10 is increased has been described above, the semiconductor device described in this embodiment is not limited to this. As shown in FIG. 1B,-、 V th / ∂V BG has a constant value even in a region where the voltage V BG takes a positive value. For example, if the threshold voltage of the transistor when the bottom gate voltage is 0 V is excessively large, the threshold voltage can be shifted to near 0 V by increasing the voltage V BG .

トランジスタ10の−∂Vth/∂VBGは、トランジスタ10の構造から近似的に求めることができる。図2を用いて、−∂Vth/∂VBGをトランジスタ10の構造から求める方法について説明する。図2(A)は、トランジスタ10のトップゲート−ボトムゲート間のモデルを示す模式図であり、図2(B)は、図2(A)に示すモデルに対応する等価回路図である。 The −∂V th / ∂V BG of the transistor 10 can be approximately obtained from the structure of the transistor 10. A method of obtaining −∂V th / ∂V BG from the structure of the transistor 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a schematic view showing a model between the top gate and the bottom gate of the transistor 10, and FIG. 2B is an equivalent circuit diagram corresponding to the model shown in FIG. 2A.

図2(A)に示すトランジスタ10のモデルにおいて、導電体21はボトムゲートとしての機能を有し、絶縁体22はボトムゲートのゲート絶縁体としての機能を有し、酸化物23はチャネル形成領域としての機能を有し、導電体26はトップゲートとしての機能を有し、絶縁体25はトップゲートのゲート絶縁体としての機能を有する。ここで、絶縁体22の静電容量をCBGIとし、酸化物23の静電容量をCとし、絶縁体25の静電容量をCTGIとすると、トランジスタ10のモデルは、図2(B)に示す等価回路図で表される。なお、絶縁体22、酸化物23、および絶縁体25をそれぞれ積層膜で形成する場合は、CBGI、C、およびCTGIをそれぞれ、積層膜の直列の合成容量にすればよい。 In the model of the transistor 10 shown in FIG. 2A, the conductor 21 has a function as a bottom gate, the insulator 22 has a function as a bottom gate gate insulator, and the oxide 23 is a channel formation region The conductor 26 has a function as a top gate, and the insulator 25 has a function as a gate insulator for the top gate. Here, the electrostatic capacitance of the insulator 22 and C BGI, the capacitance of the oxide 23 and C S, the electrostatic capacitance of the insulator 25 and C TGI, model of the transistor 10, FIG. 2 (B It represents with the equivalent circuit diagram shown to. Note that in the case where the insulator 22, the oxide 23, and the insulator 25 are each formed of a stacked film, C BGI , C S , and C TGI may each be a combined capacitance of series of stacked films.

図2(A)に示すトランジスタ10において、導電体21に電圧VBGが印加された状態で、導電体26に電圧VTHを印加すると、酸化物23と絶縁体25の界面近傍にチャネルが形成され始める。以下では、トランジスタ10において、チャネルが形成される領域を領域Pとする。 In the transistor 10 shown in FIG. 2A, when the voltage V TH is applied to the conductor 26 in the state where the voltage V BG is applied to the conductor 21, a channel is formed in the vicinity of the interface between the oxide 23 and the insulator 25. Start being done. Hereinafter, in the transistor 10, a region where a channel is formed is referred to as a region P.

導電体21と領域Pの間の、電圧をV、合成容量をCとする。ここで、合成容量Cは、CBGIとCの合成容量である。また、導電体26と領域Pの間の、電圧をV、合成容量をCとする。ここで、合成容量Cは、CTGIと等しい。 The voltage between the conductor 21 and the region P is V B and the combined capacitance is C B. Here, the combined capacitance C B is the combined capacitance of C BGI and C S. Further, the voltage between the conductor 26 and the region P is V T and the combined capacitance is C T. Here, the combined capacitance C T is equal to the C TGI.

導電体26にしきい値電圧が印加された時点、領域Pにチャネルが形成され始めた時点では、領域Pに保持される電荷量は0とみなすことができる。よって、合成容量Cに保持される電荷量と、合成容量Cに保持される電荷量が等しいので、以下の式(10)が成り立つ。なお、ここでは、モデルとして固定電荷や不純物を考慮していない。これらを考慮した場合も、下記の計算において、固定電荷や不純物の電荷に係る項は0になるので、得られる式は同じである。 When a threshold voltage is applied to the conductor 26 and a channel starts to be formed in the region P, the amount of charge held in the region P can be regarded as zero. Therefore, the amount of charge held in the combined capacitance C B, the charge amount is equal to be held in the combined capacitance C T, following equation holds (10). Here, fixed charges and impurities are not considered as a model. Also in the case where these are taken into consideration, in the following calculation, the terms relating to the fixed charge and the charge of the impurity become 0, so the obtained expressions are the same.

電圧Vは、電圧Vth、電気素量e、導電体26の仕事関数φmT、および酸化物23の電子親和力χを用いて、以下の式(11)で表すことができる。 The voltage V T can be expressed by the following equation (11) using the voltage V th , the elementary charge e, the work function φ mT of the conductor 26, and the electron affinity χ S of the oxide 23.

また、電圧Vは、電圧VBG、電気素量e、導電体21の仕事関数φmB、および酸化物23の電子親和力χを用いて、以下の式(12)で表すことができる。 The voltage V B can be expressed by the following equation (12) using the voltage V BG , the elementary charge e, the work function φ mB of the conductor 21, and the electron affinity χ S of the oxide 23.

式(11)および式(12)を用いて、式(10)を解くと、以下の式(13)が得られる。なお、式(13)において、VBGに係らない定数は、定数Kとした。 By solving equation (10) using equations (11) and (12), the following equation (13) is obtained. In equation (13), the constant not related to V BG is constant K.

式(13)のVthをVBGについて偏微分すると、以下の式(14)が得られる。 When V th in equation (13) is partially differentiated with respect to V BG , the following equation (14) is obtained.

このように、絶縁体22と酸化物23の合成容量、および絶縁体25の静電容量から、−∂Vth/∂VBGを求めることができる。よって、例えば、トランジスタ10において、合成容量Cと合成容量Cが、下記の式(15)を満たすことが好ましく、下記の式(16)を満たすことがより好ましい。 Thus, -∂V th / ∂V BG can be obtained from the combined capacitance of the insulator 22 and the oxide 23 and the capacitance of the insulator 25. Thus, for example, in the transistor 10, the combined capacitance C B combined capacity C T is preferably satisfies the formula (15) below, it is more preferred to satisfy the equation (16) below.

/Cが上記のような範囲をとるトランジスタ10では、絶対値が小さい電圧VBGで、電圧Vthを大きくし、トランジスタ10のIcutを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧で動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ10を提供することができる。さらに、このようなトランジスタ10を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。 In the transistor 10 in which C B / C T takes the above range, the voltage V th can be increased and the Icut of the transistor 10 can be sufficiently reduced by the voltage V BG having a small absolute value. Thus, the transistor 10 can be provided which operates at a voltage with a small absolute value and has normally-off electrical characteristics. Furthermore, by using such a transistor 10 as a switching transistor of a memory cell of a memory device, data retention time of the memory device can be extended and power consumption can be reduced.

また、合成容量Cと合成容量Cを形成する膜が平板型の場合、式(14)を、等価酸化膜厚(EOT:Equivalent oxide thickness)を用いて表すこともできる。なお、本明細書中において、等価酸化膜厚とは、物理的な膜厚を酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと等価な電気的膜厚に換算した値をいう。 Also, when the film to form a combined capacitance C B combined capacity C T is flat type, the equation (14), the equivalent oxide thickness (EOT: Equivalent oxide thickness) can also be represented using. In the present specification, the equivalent oxide thickness means a value obtained by converting the physical thickness to an electrical thickness equivalent to silicon oxide or silicon oxynitride.

トランジスタ10において、導電体21と領域Pの間の、EOTをEOTとする。ここで、EOTは、絶縁体22と酸化物23のEOTの和である。また、導電体26と領域Pの間の、EOTをEOTとする。ここで、EOTは絶縁体25のEOTである。EOTは静電容量の逆数に比例するので、式(14)より、下記の式(17)が成り立つ。 In the transistor 10, between the conductor 21 and the region P, and EOT and EOT B. Here, EOT B is the sum of EOT of insulator 22 and oxide 23. Further, between the conductor 26 and the region P, and EOT and EOT T. Here, EOT T is the EOT of the insulator 25. Since EOT is proportional to the reciprocal of capacitance, equation (17) below holds from equation (14).

上記においては、酸化物23と絶縁体25の界面近傍に領域Pが形成される場合について説明したが、本実施の形態に示される半導体装置はこれに限られるものではない。図2(C)(D)に示すように、酸化物23が酸化物23a、酸化物23b、および酸化物23cの積層構造であり、領域Pが酸化物23bと酸化物23cの界面近傍に形成される構成にしてもよい。図2(C)は、酸化物23が積層構造のトランジスタ10のトップゲート−ボトムゲート間のモデルを示す模式図であり、図2(D)は、図2(C)に示すモデルに対応する等価回路図である。   Although the case where the region P is formed in the vicinity of the interface between the oxide 23 and the insulator 25 has been described above, the semiconductor device described in this embodiment is not limited to this. As shown in FIGS. 2C and 2D, the oxide 23 has a laminated structure of the oxide 23a, the oxide 23b, and the oxide 23c, and the region P is formed in the vicinity of the interface between the oxide 23b and the oxide 23c. May be configured. FIG. 2C is a schematic view showing a model between the top gate and the bottom gate of the transistor 10 in which the oxide 23 has a stacked structure, and FIG. 2D corresponds to the model shown in FIG. 2C. It is an equivalent circuit schematic.

図2(C)に示すモデルで、酸化物23は、酸化物23aと、酸化物23a上の酸化物23bと、酸化物23b上の酸化物23cと、を有する。酸化物23a上に、酸化物23bを有することで、酸化物23aよりも下方に形成された構造物から、酸化物23bに対する不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物23c下に、酸化物23bを有することで、酸化物23cよりも上方に形成された構造物から、酸化物23bに対する不純物の拡散を抑制することができる。   In the model illustrated in FIG. 2C, the oxide 23 includes an oxide 23a, an oxide 23b over the oxide 23a, and an oxide 23c over the oxide 23b. By including the oxide 23 b on the oxide 23 a, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 23 a to the oxide 23 b can be suppressed. In addition, by including the oxide 23 b under the oxide 23 c, diffusion of impurities to the oxide 23 b can be suppressed from a structure formed above the oxide 23 c.

また、酸化物23は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物23aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物23bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物23aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物23bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物23bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物23aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物23cは、酸化物23aまたは酸化物23bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。   Moreover, it is preferable that the oxide 23 has a laminated structure by the oxide from which the atomic ratio of each metal atom differs. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 23a, the atomic ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic ratio of the element M in the constituent elements of the metal oxide used for the oxide 23b. Is preferred. In the metal oxide used for the oxide 23a, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 23b. In the metal oxide used for the oxide 23b, the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 23a. As the oxide 23c, a metal oxide which can be used for the oxide 23a or the oxide 23b can be used.

また、酸化物23aおよび酸化物23cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物23bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物23aおよび酸化物23cの電子親和力が、酸化物23bの電子親和力より小さいことが好ましい。   Further, it is preferable that the energy of the conduction band lower end of the oxide 23a and the oxide 23c be higher than the energy of the conduction band lower end of the oxide 23b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the oxide 23a and the oxide 23c be smaller than the electron affinity of the oxide 23b.

ここで、酸化物23a、酸化物23b、および酸化物23cにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物23aと酸化物23bとの界面、および酸化物23bと酸化物23cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。   Here, in the oxide 23a, the oxide 23b, and the oxide 23c, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it changes continuously or joins continuously. In order to do this, it is preferable to lower the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide 23a and the oxide 23b and at the interface between the oxide 23b and the oxide 23c.

具体的には、酸化物23aと酸化物23b、酸化物23bと酸化物23cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物23bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物23aおよび酸化物23cとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。   Specifically, the oxide layer 23a and the oxide layer 23b, and the oxide layer 23b and the oxide layer 23c have a common element other than oxygen (which is a main component), whereby a mixed layer with low density of defect states is formed. be able to. For example, in the case where the oxide 23 b is an In—Ga—Zn oxide, an In—Ga—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, gallium oxide, or the like may be used as the oxide 23 a and the oxide 23 c.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物23bまたはその近傍、例えば、酸化物23bと酸化物23aの界面になる。酸化物23aと酸化物23bとの界面、および酸化物23bと酸化物23cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。   At this time, the main path of the carrier is at or near the oxide 23b, for example, the interface between the oxide 23b and the oxide 23a. Since the density of defect states at the interface between the oxide 23a and the oxide 23b and at the interface between the oxide 23b and the oxide 23c can be lowered, the influence of interface scattering on carrier conduction is small, and a high on current can be obtained. can get.

図2(C)に示すトランジスタ10のモデルにおいて、酸化物23aの静電容量をCS1とし、酸化物23bの静電容量をCS2とし、酸化物23cの静電容量をCS3とすると、図2(C)に示すトランジスタ10のモデルは、図2(D)に示す等価回路図で表される。 In the model of the transistor 10 shown in FIG. 2 (C), the capacitance of the oxide 23a and C S1, the electrostatic capacitance of the oxide 23b and C S2, when the capacitance of the oxide 23c and C S3, The model of the transistor 10 shown in FIG. 2C is represented by an equivalent circuit diagram shown in FIG.

導電体21と領域Pの間の合成容量Cは、CBGIとCS1とCS2の合成容量となる。また、導電体26と領域Pの間の合成容量Cは、CS3とCTGIの合成容量となる。合成容量Cおよび合成容量Cについて、式(14)が成り立つ。酸化物23を積層構造としたトランジスタ10においても、式(15)または式(16)を満たす構成にすることで、絶対値が小さい電圧VBGで、電圧Vthを大きくし、トランジスタ10のIcutを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧で動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ10を提供することができる。さらに、このようなトランジスタ10を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。 Combined capacitance C B between the conductor 21 and the region P is a combined capacitance of C BGI and C S1 and C S2. Further, the combined capacitance C T between conductor 26 and region P is a combined capacitance of C S3 and C TGI. For combined capacitance C B and a combined capacitance C T, equation (14) holds. Even in the transistor 10 in which the oxide 23 has a stacked structure, the voltage V th is increased at the voltage V BG with a small absolute value by configuring the transistor 10 to satisfy the equation (15) or (16). Can be made small enough. Thus, the transistor 10 can be provided which operates at a voltage with a small absolute value and has normally-off electrical characteristics. Furthermore, by using such a transistor 10 as a switching transistor of a memory cell of a memory device, data retention time of the memory device can be extended and power consumption can be reduced.

以上のようにして、本発明の一態様により、しきい値電圧の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、ノーマリーオフの電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、絶対値が小さい電圧で動作する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。   As described above, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with a large threshold voltage can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having normally-off electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device operating at a voltage with a small absolute value can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.

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

(実施の形態2)
以下では、先の実施の形態に示すトランジスタの具体的な構成の一例について、図3乃至図16を用いて説明する。
Second Embodiment
Hereinafter, an example of a specific structure of the transistor described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

<半導体装置の構成例>
図3(A)、図3(B)、および図3(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、およびトランジスタ200周辺の上面図および断面図である。
<Configuration Example of Semiconductor Device>
FIGS. 3A, 3B, and 3C are a top view and a cross-sectional view of a transistor 200, and a periphery of the transistor 200, according to one embodiment of the present invention.

図3(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図3(B)、および図3(C)は該半導体装置の断面図である。ここで、図3(B)は、図3(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200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図3(C)は、図3(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200のチャネル幅方向の断面図でもある。図3(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. 3A is a top view of a semiconductor device including the transistor 200. FIG. 3B and 3C are cross-sectional views of the semiconductor device. Here, FIG. 3B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 3A, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200. 3C is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 3A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. In the top view of FIG. 3A, some elements are omitted for clarity of the drawing.

本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200と、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、配線として機能する導電体203(導電体203a、および導電体203b)、およびプラグとして機能する導電体240(導電体240a、および導電体240b)とを有する。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the transistor 200, the insulator 210 functioning as an interlayer film, the insulator 212, and the insulator 280. In addition, the transistor 200 includes the conductor 203 (the conductor 203a and the conductor 203b) which is electrically connected to the transistor 200 and functions as a wiring, and the conductor 240 (the conductor 240a and the conductor 240b) which functions as a plug. .

なお、導電体203は、絶縁体212の開口の内壁に接して導電体203aが形成され、さらに内側に導電体203bが形成されている。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体203aおよび導電体203bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203bのみを設ける構成にしてもよい。   A conductor 203a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 212, and a conductor 203b is formed inside the conductor 203. Here, the height of the top surface of the conductor 203 and the height of the top surface of the insulator 212 can be approximately the same. Note that although the transistor 200 illustrates a structure in which the conductor 203a and the conductor 203b are stacked, the present invention is not limited to this. For example, only the conductor 203b may be provided.

また、導電体240は、絶縁体280の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体280の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体240が単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240は、2層以上の積層構造でもよい。   The conductor 240 is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280. Here, the height of the top surface of the conductor 240 and the height of the top surface of the insulator 280 can be approximately the same. Note that in the transistor 200, the structure in which the conductor 240 is a single layer is shown; however, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 240 may have a stacked structure of two or more layers.

[トランジスタ200]
図3に示すように、トランジスタ200は、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された絶縁体252と、絶縁体252の上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、少なくとも絶縁体250、および導電体260の側面に接して配置された絶縁体272と、酸化物230、および絶縁体272と接して配置された絶縁体274と、を有する。
[Transistor 200]
As shown in FIG. 3, the transistor 200 includes an insulator 214 and an insulator 216 disposed on a substrate (not shown), and a conductor 205 disposed to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216. An insulator 220 disposed on the insulator 216 and the conductor 205, an insulator 222 disposed on the insulator 220, an insulator 224 disposed on the insulator 222, and the insulator The oxide 230 (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c) disposed on the 224, the insulator 250 disposed on the oxide 230, and the insulator disposed on the insulator 250 252, a conductor 260 (conductor 260a and conductor 260b) disposed on the insulator 252, an insulator 270 disposed on the conductor 260, and at least the insulator 250, And has an insulator 272 which is arranged in contact with a side surface of the conductor 260, the oxide 230 insulator 274 and disposed in contact with the insulator 272, and.

なお、トランジスタ200では、酸化物230a、および酸化物230b、および酸化物230cを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。また、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または3層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ200では、導電体260aおよび導電体260bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。   Note that although the transistor 200 illustrates the structure in which the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are stacked, the present invention is not limited to this. Alternatively, a single layer of the oxide 230b, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230a, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230c, or a stacked structure of three or more layers may be provided. In the transistor 200, the conductor 260a and the conductor 260b are stacked; however, the present invention is not limited to this.

ここで、導電体205は、先の実施の形態に示すトランジスタ10の導電体21に対応する。絶縁体214および絶縁体216は、先の実施の形態に示すトランジスタ10の導電体21に対応する。絶縁体220、絶縁体222および絶縁体224は、先の実施の形態に示すトランジスタ10の絶縁体22に対応する。酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)は、先の実施の形態に示すトランジスタ10の酸化物23(酸化物23a、酸化物23b、および酸化物23c)に対応する。絶縁体250、および絶縁体252は、先の実施の形態に示すトランジスタ10の絶縁体25に対応する。導電体260は、先の実施の形態に示すトランジスタ10の導電体26に対応する。   Here, the conductor 205 corresponds to the conductor 21 of the transistor 10 described in the above embodiment. The insulator 214 and the insulator 216 correspond to the conductor 21 of the transistor 10 described in the above embodiment. The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 correspond to the insulator 22 of the transistor 10 described in the above embodiment. The oxide 230 (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c) corresponds to the oxide 23 (the oxide 23a, the oxide 23b, and the oxide 23c) of the transistor 10 described in the above embodiment. The insulator 250 and the insulator 252 correspond to the insulator 25 of the transistor 10 described in the above embodiment. The conductor 260 corresponds to the conductor 26 of the transistor 10 described in the above embodiment.

トランジスタ200において、導電体205に電圧VBG[V]が印加された状態で、導電体260に電圧Vth[V]より大きい電圧が印加されると、酸化物230またはその近傍(例えば、酸化物230bと酸化物230cの界面)にチャネルが形成され始めるとする。先の実施の形態に示すように、−∂Vth/∂VBGがなるべく大きいことが好ましく、例えば、上記の式(8)または式(9)を満たすことが好ましい。 In the transistor 200, when a voltage higher than the voltage V th [V] is applied to the conductor 260 in the state where the voltage V BG [V] is applied to the conductor 205, the oxide 230 or near it (eg, oxidation) It is assumed that a channel starts to be formed at the interface between the object 230b and the oxide 230c). As shown in the above embodiment, it is preferable that -∂V th / ∂V BG be as large as possible, and for example, it is preferable to satisfy the above-mentioned formula (8) or formula (9).

トランジスタ200の酸化物230bと酸化物230cの界面に領域Pが形成される場合、導電体205と領域Pの間の合成容量Cは、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの合成容量になる。また、導電体260と領域Pの間の合成容量Cは、酸化物230c、絶縁体250、および絶縁体252の合成容量になる。トランジスタ200の合成容量Cおよび合成容量Cが、上記の式(14)を満たすことが好ましく、さらに、上記の式(15)または式(16)を満たすことが好ましい。 In the case where the region P is formed at the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c of the transistor 200, the combined capacitance CB between the conductor 205 and the region P is the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the oxide It becomes the synthetic capacity of 230a and oxide 230b. Further, the combined capacitance C T between the conductor 260 and the region P will combined capacitance of the oxide 230c, insulators 250, and the insulator 252. Combined capacitance of the transistor 200 C B and a combined capacitance C T is, it is preferable to satisfy the above equation (14), further preferably satisfy the above formula (15) or formula (16).

このようなトランジスタ200にすることにより、絶対値が小さい電圧VBGで、電圧Vthを大きくし、トランジスタ200のIcutを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧で動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ200を提供することができる。さらに、このようなトランジスタ200を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。 By using such a transistor 200, the voltage V th can be increased at a voltage V BG with a small absolute value, and Icut of the transistor 200 can be sufficiently reduced. Thus, the transistor 200 can be provided which operates at a voltage with a small absolute value and has normally-off electrical characteristics. Further, by using such a transistor 200 as a switching transistor of a memory cell of a memory device, data holding time of the memory device can be extended and power consumption can be reduced.

また、図3(B)における破線で囲む、チャネル近傍の領域239の拡大図を図4に示す。   Further, FIG. 4 shows an enlarged view of a region 239 in the vicinity of the channel which is surrounded by a broken line in FIG. 3 (B).

図4に示すように、酸化物230は、トランジスタ200のチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)との間に、領域232(領域232a、および領域232b)を有する。ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231は、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、キャリア密度が低い領域である。また、領域232は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりもキャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する領域234よりもキャリア密度が高い領域である。すなわち、領域232は、チャネル形成領域と、ソース領域またはドレイン領域との間の接合領域(junction region)としての機能を有する。なお、領域232は、ゲート電極として機能する導電体260と重なる、いわゆるオーバーラップ領域(Lov領域ともいう)として機能する場合がある。   As illustrated in FIG. 4, the oxide 230 is a region 232 between the region 234 which functions as a channel formation region of the transistor 200 and the regions 231 (the regions 231 a and 231 b) which function as source and drain regions. (The region 232a and the region 232b) are included. The region 231 functioning as a source region or a drain region is a low-resistance region in which the carrier density is high. The region 234 functioning as a channel formation region is a region having a lower carrier density than the region 231 functioning as a source region or a drain region. The region 232 has a lower carrier density than the region 231 functioning as a source or drain region and a higher carrier density than the region 234 functioning as a channel formation region. That is, the region 232 functions as a junction region between the channel formation region and the source or drain region. Note that the region 232 may function as a so-called overlap region (also referred to as a Lov region) overlapping with the conductor 260 functioning as a gate electrode.

接合領域を設けることで、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231と、チャネル形成領域として機能する領域234との間に高抵抗領域が形成されず、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。   By providing the junction region, a high resistance region is not formed between the region 231 functioning as a source or drain region and the region 234 functioning as a channel formation region, so that the on current of the transistor can be increased.

また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、絶縁体252は酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する絶縁体252を設けることで、導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。   Further, in order to efficiently supply the excess oxygen of the insulator 250 to the oxide 230, the insulator 252 preferably suppresses oxygen diffusion. By providing the insulator 252 which suppresses diffusion of oxygen, diffusion of excess oxygen into the conductor 260 is suppressed. That is, the decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed. In addition, the oxidation of the conductor 260 due to excess oxygen can be suppressed.

また、絶縁体250、および絶縁体252は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。従って、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体252は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。従って、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体のEOTの薄膜化が可能となる。   In addition, the insulator 250 and the insulator 252 may have a function as part of a gate insulator. Therefore, in the case of using silicon oxide, silicon oxynitride, or the like for the insulator 250, it is preferable that the insulator 252 be a metal oxide which is a high-k material having a high dielectric constant. With this laminated structure, a laminated structure stable to heat and having a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, it is possible to thin the gate insulator EOT while maintaining the physical film thickness.

上記積層構造とすることで、導電体260からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体250と、絶縁体252との物理的な厚みにより、導電体260と、酸化物230との間の距離を保つことで、リーク電流を抑制することができる。また、絶縁体250、および絶縁体252との積層構造を設けることで、導電体260と酸化物230との間の物理的な距離、および導電体260から酸化物230へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。   With the above-described stacked structure, the on current can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 260. Further, the physical thickness of the insulator 250 and the insulator 252 can suppress leakage current by maintaining the distance between the conductor 260 and the oxide 230. In addition, by providing the layered structure of the insulator 250 and the insulator 252, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 can be easily obtained. Can be adjusted accordingly.

ここで、絶縁体252は、結晶性が低い(または、結晶が少ないともいう)膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いるとよい。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。例えば、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体252に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体252から、絶縁体250に過剰酸素が添加され、絶縁体250に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、絶縁体250と絶縁体252との界面を良好な状態とすることができる。   Here, as the insulator 252, a film having low crystallinity (or less crystals) or a film including an amorphous structure may be used. An oxide film having low crystallinity or an amorphous structure can diffuse oxygen of the oxide film to a nearby insulator by heating. For example, when a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure is used for the insulator 252, excess oxygen is added to the insulator 250 from the insulator 252 due to the thermal history of a later step, and the insulator 250 is excessive. An oxygen region can be easily formed. In addition, a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure has high planarity, and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 can be in a favorable state.

具体的には、絶縁体252として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。   Specifically, a metal oxide containing as the insulator 252 one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium etc. A thing can be used.

特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。   In particular, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like, which is an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, is preferably used. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat history in a later step.

例えば、平坦性が高い膜として、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.4nm以下、好ましくは0.3nm以下である絶縁体を用いるとよい。   For example, an insulating film whose root mean square surface roughness (RMS) measured using an atomic force microscope is 0.4 nm or less, preferably 0.3 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm, as a film having high flatness It is good to use the body.

例えば、結晶性が低い膜として、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、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絶縁体を用いるとよい。   For example, as a film with low crystallinity, it is preferable to use an insulator in which a region with high luminance is observed as a result of an electron beam diffraction pattern using an electron microscope draws a circle (in a ring shape).

また、絶縁体250、および絶縁体252と接して、絶縁体272を設けることが好ましい。例えば、絶縁体272は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有するとよい。絶縁体272が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体250が有する過剰酸素領域の酸素は絶縁体274側へ拡散することなく、効率よく領域234へ供給される。従って、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。   Further, the insulator 272 is preferably provided in contact with the insulator 250 and the insulator 252. For example, the insulator 272 may have a function of suppressing at least one diffusion of oxygen (eg, an oxygen atom, an oxygen molecule, and the like). Since the insulator 272 has a function of suppressing the diffusion of oxygen, oxygen in the excess oxygen region of the insulator 250 is efficiently supplied to the region 234 without being diffused to the insulator 274 side. Thus, formation of oxygen vacancies at the interface between the oxide 230 and the insulator 250 can be suppressed, and the reliability of the transistor 200 can be improved.

以上より、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。   Thus, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with large on current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device with stable electrical characteristics and improved reliability while suppressing fluctuations in the electrical characteristics.

以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。   Hereinafter, a detailed structure of a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described.

導電体203は、図3(A)、および図3(C)に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体205に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体203は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。   The conductor 203 is extended in the channel width direction as illustrated in FIGS. 3A and 3C, and functions as a wiring for applying a potential to the conductor 205. Note that the conductor 203 is preferably provided so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216.

導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、導電体203の上に接して設けるとよい。   The conductor 205 is disposed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260. The conductor 205 may be provided on and in contact with the conductor 203.

導電体203上に導電体205を設けることで、第1のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体260と、導電体203との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体203と導電体260の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられ、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。   By providing the conductor 205 over the conductor 203, the distance between the conductor 260 having a function as the first gate electrode and a wiring and the conductor 203 can be appropriately designed. That is, the insulator 214, the insulator 216, and the like are provided between the conductor 203 and the conductor 260, parasitic capacitance between the conductor 203 and the conductor 260 can be reduced, and withstand voltage can be increased.

また、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減することで、トランジスタのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を大きくすることが好ましい。なお、導電体203の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200のチャネル長方向に延伸されてもよい。   In addition, by reducing the parasitic capacitance between the conductor 203 and the conductor 260, the switching speed of the transistor can be improved and the transistor can have high frequency characteristics. Further, by increasing the withstand voltage between the conductor 203 and the conductor 260, the reliability of the transistor 200 can be improved. Therefore, the thicknesses of the insulator 214 and the insulator 216 are preferably large. Note that the extension direction of the conductor 203 is not limited to this. For example, the conductor 203 may extend in the channel length direction of the transistor 200.

なお、導電体205は、図3(A)に示すように、酸化物230、および導電体260と重なるように配置する。また、導電体205は、酸化物230における領域234よりも、大きく設けるとよい。特に、図3(C)に示すように、導電体205は、酸化物230の領域234のチャネル幅方向(W長方向)と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。   Note that the conductor 205 is disposed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260 as illustrated in FIG. In addition, the conductor 205 may be larger than the region 234 in the oxide 230. In particular, as shown in FIG. 3C, the conductor 205 extends also in the region outside the end portion of the region 234 of the oxide 230 which intersects the channel width direction (W length direction). preferable. That is, on the side surface of the oxide 230 in the channel width direction, the conductor 205 and the conductor 260 preferably overlap with each other through an insulator.

上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながることで、閉回路を形成し、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。   With the above structure, when a potential is applied to the conductor 260 and the conductor 205, a closed circuit is formed by connecting the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 205, thereby forming an oxidized circuit. The channel formation region formed in the object 230 can be covered.

つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、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)構造とよぶ。   That is, the channel formation region of the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 having a function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 having a function as the second gate electrode. . In this specification, a structure of a transistor which electrically surrounds a channel formation region by an electric field of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.

また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して導電体205aが形成され、さらに内側に導電体205bが形成されている。ここで、導電体205aおよび導電体205bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体205aおよび導電体205bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205bのみを設ける構成にしてもよい。   In addition, the conductor 205 is in contact with the inner wall of the opening of the insulator 214 and the insulator 216, the conductor 205a is formed, and the conductor 205b is formed further inside. Here, the heights of the top surfaces of the conductors 205a and 205b and the top surface of the insulator 216 can be approximately the same. Note that although the transistor 200 illustrates a structure in which the conductor 205a and the conductor 205b are stacked, the present invention is not limited to this. For example, only the conductor 205b may be provided.

ここで、導電体205aおよび導電体203aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, the conductor 205a and the conductor 203a can diffuse impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2 and the like), copper atoms, and the like. It is preferable to use a conductive material having a suppressing function (it is difficult for the above-mentioned impurities to permeate). Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of at least one of oxygen (eg, oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above-described oxygen is difficult to permeate). Note that, in the present specification, the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the impurities or the oxygen.

導電体205a、および導電体203aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205bおよび導電体203bが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。従って、導電体205a、および導電体203aとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体210より基板側から、水素、水などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、トランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。   When the conductor 205a and the conductor 203a have a function of suppressing the diffusion of oxygen, the conductor 205b and the conductor 203b can be prevented from being oxidized and the conductivity being lowered. As a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide or the like is preferably used. Therefore, the conductive material may be formed as a single layer or a stack as the conductor 205a and the conductor 203a. Accordingly, diffusion of impurities such as hydrogen and water can be suppressed from the insulator 210 to the transistor 200 side through the conductor 203 and the conductor 205 from the substrate side.

また、導電体205bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205bを単層で図示したが、積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。   The conductor 205 b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Note that although the conductor 205 b is illustrated as a single layer, a layered structure may be used, and for example, titanium, titanium nitride, and the above conductive material may be stacked.

また、導電体203bは、配線として機能するため、導電体205bより導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体203bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。   In addition, since the conductor 203b functions as a wiring, it is preferable to use a conductor having higher conductivity than the conductor 205b. For example, a conductive material containing copper or aluminum as a main component can be used. The conductor 203b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.

特に、導電体203に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200の特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。   In particular, copper is preferably used for the conductor 203. Copper is preferably used for wiring and the like because it has low resistance. On the other hand, copper is easily diffused and thus diffusion to the oxide 230 may deteriorate the characteristics of the transistor 200. Therefore, for example, by using a material such as aluminum oxide or hafnium oxide with low copper permeability for the insulator 214, copper diffusion can be suppressed.

絶縁体210および絶縁体214は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能することが好ましい。従って、絶縁体210および絶縁体214は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。 The insulator 210 and the insulator 214 preferably function as a barrier insulating film which prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor from the substrate side. Therefore, the insulator 210 and the insulator 214 suppress the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2, etc.), copper atoms, etc. It is preferable to use an insulating material having the following function (it is difficult for the above-mentioned impurities to permeate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of at least one of oxygen (eg, oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above oxygen is difficult to transmit).

例えば、絶縁体210として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体210および絶縁体214よりトランジスタ側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体210および絶縁体214より基板側に、拡散するのを抑制することができる。   For example, aluminum oxide or the like is preferably used as the insulator 210, and silicon nitride or the like is preferably used as the insulator 214. Accordingly, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the insulator 210 and the insulator 214 toward the transistor can be suppressed. Alternatively, oxygen contained in the insulator 224 or the like can be suppressed from diffusing to the substrate side more than the insulator 210 and the insulator 214.

また、導電体203の上に導電体205を積層して設ける構成にすることにより、導電体203と導電体205の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体203bに銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを防ぐことができる。   Further, by providing the conductor 205 over the conductor 203, the insulator 214 can be provided between the conductor 203 and the conductor 205. Here, even when a metal such as copper which easily diffuses is used for the conductor 203 b, the metal can be prevented from diffusing into a layer higher than the insulator 214 by providing silicon nitride or the like as the insulator 214.

また、層間膜として機能する絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280は、絶縁体210、または絶縁体214よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。   The insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280 which function as interlayer films preferably have a lower dielectric constant than the insulator 210 or the insulator 214. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

例えば、絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 For example, as the insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), titanate An insulator such as strontium (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used in a single layer or a stack. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Alternatively, silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、ゲート絶縁体としての機能を有する。   The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 function as gate insulators.

ここで、酸化物230と接する絶縁体224は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。   Here, the insulator 224 in contact with the oxide 230 is preferably an oxide insulator which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 224. By providing an insulator containing such excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and reliability can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm、または3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region. The oxide from which oxygen is released by heating is a desorption amount of oxygen of at least 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 , preferably 1 in terms of oxygen atom in TDS (thermal desorption spectroscopy) analysis. It is an oxide film having a density of not less than 0 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably not less than 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , or not less than 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 . The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.

また、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)ことが好ましい。   In addition, in the case where the insulator 224 has an excess oxygen region, the insulator 222 has a function of suppressing at least one diffusion of oxygen (eg, oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above oxygen is difficult to transmit). Is preferred.

絶縁体222が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体220側へ拡散することなく、効率よく酸化物230へ供給することができる。また、導電体205が、絶縁体224が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。   With the insulator 222 having a function of suppressing the diffusion of oxygen, oxygen in the excess oxygen region can be efficiently supplied to the oxide 230 without being diffused to the insulator 220 side. Further, the conductor 205 can be inhibited from reacting with oxygen in the excess oxygen region of the insulator 224.

絶縁体222は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high−k材料を用いることで物理膜厚を保ち、低電圧化が可能となる。 The insulator 222 is, for example, a so-called high material such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator containing a -k material in a single layer or a stack. As the miniaturization and higher integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulator, the physical thickness can be maintained and voltage can be reduced.

特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料であるアルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。   In particular, it is preferable to use an insulator including an oxide of one or both of an impurity and an insulating material having a function of suppressing diffusion of oxygen and the like (the above-described oxygen is difficult to transmit). As an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like. When formed using such a material, it functions as a layer that prevents the release of oxygen from the oxide 230 and the entry of an impurity such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200.

または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。   Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Alternatively, silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、絶縁体220は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、high−k材料の絶縁体と222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。   Further, the insulator 220 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, the combination with an insulator of a high-k material 222 can provide a stacked structure with high thermal stability and high dielectric constant.

上記において、ボトムゲート絶縁膜として、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224を設ける構成について説明したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224のうちいずれかを設けずに、単層または2層にする構成にしてもよい。また、例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。   In the above, although the structure which provides the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 as a bottom gate insulating film was demonstrated, it is not restricted to this. For example, a single layer or two layers may be provided without any of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224. Further, for example, the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the invention is not limited to the laminated structure made of the same material, but may be a laminated structure made of different materials.

例えば、絶縁体222に酸化ハフニウム(HfO)および酸化アルミニウム(AlO)を用いて、導電体205側から順に、HfO、AlO、HfO、AlO、と積層する構成にすればよい。このとき各層の膜厚は2〜5nm程度とし、絶縁体222の膜厚を10〜20nm程度にすればよい。このような絶縁体222の成膜は、ALD法を用いて各層ごとに成膜ガスを切り替えながら行うことが好ましい。絶縁体222をこのような膜構成にすることにより、HfOの結晶化によるリーク電流の発生を防ぐことができる。また、絶縁体222は、酸化ハフニウム(HfO)および酸化シリコン(SiO)を用いて、導電体205側から順に、SiO、HfO、SiO、HfO、と積層する構成にしてもよい。このような絶縁体222を、絶縁体220と絶縁体224で挟んで積層する構成にしてもよいし、絶縁体220および/または絶縁体224を設けない構成にしてもよい。 For example, hafnium oxide (HfO x ) and aluminum oxide (AlO x ) may be used as the insulator 222 and sequentially stacked from HfO x , AlO x , HfO x , AlO x from the conductor 205 side. . At this time, the film thickness of each layer may be about 2 to 5 nm, and the film thickness of the insulator 222 may be about 10 to 20 nm. It is preferable to perform such film formation of the insulator 222 while switching the film formation gas for each layer using the ALD method. By forming the insulator 222 in such a film configuration, it is possible to prevent the generation of a leak current due to the crystallization of HfO x . In addition, the insulator 222 may be configured to be stacked with SiO x , HfO x , SiO x , HfO x sequentially from the conductor 205 side using hafnium oxide (HfO x ) and silicon oxide (SiO x ). Good. Such an insulator 222 may be stacked between the insulator 220 and the insulator 224, or the insulator 220 and / or the insulator 224 may not be provided.

また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有することが好ましい。なお、領域231の少なくとも一部は、絶縁体274と接し、インジウムなどの金属元素、水素、および窒素の少なくとも一の濃度が領域234よりも大きいことが好ましい。また、領域232は、インジウムなどの金属元素、水素、および窒素の少なくとも一の濃度が、領域234よりも大きく、かつ領域231よりも小さいことが好ましい。   In addition, the oxide 230 preferably includes a region 231, a region 232, and a region 234. Note that at least a part of the region 231 is in contact with the insulator 274, and it is preferable that the concentration of at least one of a metal element such as indium, hydrogen, and nitrogen be higher than that of the region 234. In addition, the region 232 preferably has a concentration of at least one of a metal element such as indium, hydrogen, and nitrogen higher than the region 234 and lower than the region 231.

つまり、領域231、および領域232は、酸化物230として設けられた金属酸化物に、インジウム、ガリウムなどの金属原子、または不純物を添加した領域である。なお、領域231は、領域234よりも、導電性が高い。なお、領域231、および領域232に、不純物を添加するために、例えば、プラズマ処理、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、インジウムなどの金属元素、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。   That is, the regions 231 and 232 are regions in which metal atoms such as indium and gallium or impurities are added to the metal oxide provided as the oxide 230. Note that the region 231 is higher in conductivity than the region 234. Note that, in order to add impurities to the region 231 and the region 232, for example, plasma treatment, an ion implantation method in which ionized source gas is separated by mass separation, or ionized source gas is added without mass separation A dopant which is at least one of a metal element such as indium and an impurity may be added using an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or the like.

例えば、酸化物230に接して、不純物となる元素を含む絶縁体274を成膜することで、領域231、および領域232に、不純物を添加することができる。または、領域231において、酸化物230のインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。   For example, by forming the insulator 274 containing an element serving as an impurity in contact with the oxide 230, impurities can be added to the regions 231 and 232. Alternatively, by increasing the content of metal atoms such as indium in the oxide 230 in the region 231, electron mobility can be increased and resistance can be reduced.

つまり、領域231は、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。よって、領域231は、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。   That is, the region 231 is reduced in resistance by the addition of an element which forms an oxygen vacancy or an element which is trapped in the oxygen vacancy. As such an element, typically, hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, a rare gas and the like can be mentioned. Further, helium, neon, argon, krypton, xenon and the like can be given as typical examples of the rare gas element. Thus, the region 231 may include one or more of the above elements.

なお、図3、および図4では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られることなく、例えば、これらの領域は酸化物230a、および酸化物230cにも、形成されていてもよい。また、図3、および図4では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232が酸化物230bの表面近傍では導電体260側に張り出し、酸化物230aの下面近傍では、導電体240a側または導電体240b側に後退する形状になる場合がある。   Note that in FIG. 3 and FIG. 4, the region 234, the region 231, and the region 232 are formed in the oxide 230b, but the present invention is not limited thereto. For example, these regions include the oxide 230a and an oxide The object 230c may also be formed. Further, in FIG. 3 and FIG. 4, the boundaries of the respective regions are displayed substantially perpendicular to the top surface of the oxide 230, but the present embodiment is not limited to this. For example, the region 232 may protrude toward the conductor 260 in the vicinity of the surface of the oxide 230 b and may be recessed toward the conductor 240 a or the conductor 240 b in the vicinity of the lower surface of the oxide 230 a.

また、トランジスタ200において、領域232を低抵抗化した場合、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域231と、チャネルが形成される領域234との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域232を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域232を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。   In the transistor 200, in the case where the resistance of the region 232 is lowered, a high resistance region is not formed between the region 231 functioning as a source region and a drain region and the region 234 where a channel is formed; , And mobility can be increased. Further, by including the region 232, the source region and the drain region do not overlap with the gate in the channel length direction, so that formation of unnecessary capacitance can be suppressed. Further, by including the region 232, leakage current in non-conduction can be reduced.

また、例えば、領域232にガリウムなどを添加した場合、領域231から領域234へ、水素などの不純物の横拡散を抑制することで、意図しない実効チャネル長の縮小を抑制することができる。   In addition, for example, in the case where gallium or the like is added to the region 232, reduction in the unintended effective channel length can be suppressed by suppressing lateral diffusion of an impurity such as hydrogen from the region 231 to the region 234.

従って、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。   Therefore, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements according to the circuit design.

従って、トランジスタ200をオンさせると、領域231a、または領域231bは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域234の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。領域231と、領域234の間に領域232を有することで、トランジスタ200において、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流(オフ電流)を小さくすることができる。   Thus, when the transistor 200 is turned on, the region 231a or the region 231b functions as a source region or a drain region. On the other hand, at least a part of the region 234 functions as a region in which a channel is formed. With the region 232 between the region 231 and the region 234, in the transistor 200, the on-state current can be increased and the leakage current (off-state current) can be reduced.

また、酸化物230の側面と、酸化物230の上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とすることが好ましい。   In addition, a curved surface is provided between the side surface of the oxide 230 and the top surface of the oxide 230. That is, the end of the side surface and the end of the upper surface are preferably curved (hereinafter, also referred to as a round shape). The curved surface preferably has a curvature radius of 3 nm to 10 nm, preferably 5 nm to 6 nm, at an end portion of the oxide 230 b, for example.

なお、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 the present specification and the like, metal oxides having nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides. In addition, a metal oxide having nitrogen may be referred to as metal oxynitride.

酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。   A transistor including an oxide semiconductor has extremely low leak current in a non-conduction state; thus, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.

絶縁体250は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm、または3.0×1020atoms/cmである酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。 The insulator 250 functions as a gate insulating film. The insulator 250 is preferably placed in contact with the top surface of the oxide 230c. The insulator 250 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. For example, in temperature-programmed desorption gas analysis (TDS analysis), the desorption amount of oxygen in terms of molecular oxygen is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19. It is an oxide film which is atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 . The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C.

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、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、炭素およ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を用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。   Specifically, silicon oxide having excess oxygen, 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 vacancies. Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable to heat.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体250として、酸化物230cの上面に接して設けることにより、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。   By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the insulator 250 in contact with the top surface of the oxide 230c, oxygen can be effectively supplied to the region 234 of the oxide 230b. Further, similarly to the insulator 224, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 is preferably reduced. The thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、絶縁体252は酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する絶縁体252を設けることで、導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体260の酸化を抑制することができる。   Further, in order to efficiently supply the excess oxygen of the insulator 250 to the oxide 230, the insulator 252 preferably suppresses oxygen diffusion. By providing the insulator 252 which suppresses diffusion of oxygen, diffusion of excess oxygen into the conductor 260 is suppressed. That is, the decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed. In addition, the oxidation of the conductor 260 due to excess oxygen can be suppressed.

また、絶縁体250、および絶縁体252は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。従って、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体252は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。従って、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。   In addition, the insulator 250 and the insulator 252 may have a function as part of a gate insulator. Therefore, in the case of using silicon oxide, silicon oxynitride, or the like for the insulator 250, it is preferable that the insulator 252 be a metal oxide which is a high-k material having a high dielectric constant. With this laminated structure, a laminated structure stable to heat and having a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of the gate insulator while maintaining the physical thickness.

上記積層構造とすることで、導電体260からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体250と、絶縁体252との物理的な厚みにより、導電体260と、酸化物230との間の距離を保つことで、リーク電流を抑制することができる。また、絶縁体250、および絶縁体252との積層構造を設けることで、導電体260と酸化物230との間の物理的な距離、および導電体260から酸化物230へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。   With the above-described stacked structure, the on current can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 260. Further, the physical thickness of the insulator 250 and the insulator 252 can suppress leakage current by maintaining the distance between the conductor 260 and the oxide 230. In addition, by providing the layered structure of the insulator 250 and the insulator 252, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 can be easily obtained. Can be adjusted accordingly.

ここで、絶縁体252は、結晶性が低い(または、結晶が少ないともいう)膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いるとよい。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。例えば、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体252に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体252から、絶縁体250に過剰酸素が添加され、絶縁体250に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、絶縁体250と絶縁体252との界面を良好な状態とすることができる。   Here, as the insulator 252, a film having low crystallinity (or less crystals) or a film including an amorphous structure may be used. An oxide film having low crystallinity or an amorphous structure can diffuse oxygen of the oxide film to a nearby insulator by heating. For example, when a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure is used for the insulator 252, excess oxygen is added to the insulator 250 from the insulator 252 due to the thermal history of a later step, and the insulator 250 is excessive. An oxygen region can be easily formed. In addition, a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure has high planarity, and the interface between the insulator 250 and the insulator 252 can be in a favorable state.

具体的には、絶縁体252として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。   Specifically, a metal oxide containing as the insulator 252 one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium etc. A thing can be used.

特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。   In particular, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like, which is an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, is preferably used. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat history in a later step.

例えば、平坦性が高い膜として、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.4nm以下、好ましくは0.3nm以下である絶縁体を用いるとよい。   For example, an insulating film whose root mean square surface roughness (RMS) measured using an atomic force microscope is 0.4 nm or less, preferably 0.3 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm, as a film having high flatness It is good to use the body.

例えば、結晶性が低い膜として、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、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絶縁体を用いるとよい。   For example, as a film with low crystallinity, it is preferable to use an insulator in which a region with high luminance is observed as a result of an electron beam diffraction pattern using an electron microscope draws a circle (in a ring shape).

上記において、トップゲート絶縁膜として、絶縁体250、および絶縁体252を設ける構成について説明したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体250、および絶縁体252のうちいずれかを設けずに、単層にする構成にしてもよい。また、例えば、絶縁体250、および絶縁体252が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。   In the above, although the structure which provides the insulator 250 and the insulator 252 as a top gate insulating film was demonstrated, it is not restricted to this. For example, a single layer may be provided without any of the insulator 250 and the insulator 252. For example, the insulator 250 and the insulator 252 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, the invention is not limited to the laminated structure made of the same material, but may be a laminated structure made of different materials.

例えば、絶縁体250に酸化シリコン(SiO)を、絶縁体252に酸化ハフニウム(HfO)を用いて、酸化物230側から順に、SiO、HfO、SiO、HfO、と積層する構成にすればよい。このとき各層の膜厚は2〜5nm程度とし、全体の膜厚を10〜20nm程度にすればよい。このような絶縁体250、および絶縁体252の成膜は、ALD法を用いて各層ごとに成膜ガスを切り替えながら行うことが好ましい。絶縁体250、および絶縁体252をこのような膜構成にすることにより、HfOの結晶化によるリーク電流の発生を防ぐことができる。また、絶縁体250に酸化アルミニウム(AlO)を、絶縁体252に酸化ハフニウム(HfO)を用いて、酸化物230側から順に、AlO、HfO、AlO、HfO、と積層する構成にしてもよい。 For example, silicon oxide (SiO x ) is used as the insulator 250, hafnium oxide (HfO x ) is used as the insulator 252, and SiO x , HfO x , SiO x , HfO x are sequentially stacked from the oxide 230 side. It may be configured. At this time, the film thickness of each layer may be about 2 to 5 nm, and the total film thickness may be about 10 to 20 nm. It is preferable that such film formation of the insulator 250 and the insulator 252 be performed while switching the film formation gas for each layer using an ALD method. By forming the insulator 250 and the insulator 252 in such a film configuration, it is possible to prevent the generation of a leakage current due to the crystallization of HfO x . In addition, aluminum oxide (AlO x ) is used as the insulator 250, and hafnium oxide (HfO x ) is used as the insulator 252, and these layers are stacked sequentially with AlO x , HfO x , AlO x , HfO x from the oxide 230 side. It may be configured.

第1のゲート電極として機能する導電体260は、導電体260a、および導電体260a上の導電体260bを有する。導電体260aは、導電体205aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。 A conductor 260 functioning as a first gate electrode includes a conductor 260a and a conductor 260b over the conductor 260a. The conductor 260a, like the conductor 205a, diffuses impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2 etc.), copper atoms, etc. It is preferable to use a conductive material having a suppressing function. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (eg, oxygen atom, oxygen molecule, and the like).

導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250、および絶縁体252が有する過剰酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。   When the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, excess oxygen of the insulator 250 and the insulator 252 can prevent the conductor 260b from being oxidized and the conductivity being lowered. As a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide or the like is preferably used.

また、導電体260bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体260は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。   The conductor 260 b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. In addition, since the conductor 260 functions as a wiring, it is preferable to use a conductor with high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 260b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.

また、例えば、導電体260aとして、導電性酸化物を用いることができる。例えば、酸化物230として用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。特に、In−Ga−Zn系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体260aを設けることで、導電体260bへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体260bの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。   Alternatively, for example, a conductive oxide can be used as the conductor 260a. For example, a metal oxide that can be used as the oxide 230 is preferably used. In particular, among the In—Ga—Zn-based oxides, the atomic ratio of metals having high conductivity is [In]: [Ga]: [Zn] = 4: 2: 3 and its neighboring values It is preferable to use one of By providing such a conductor 260a, transmission of oxygen to the conductor 260b can be suppressed, and an increase in the electrical resistance value of the conductor 260b due to oxidation can be prevented.

また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体250、および絶縁体252に酸素を添加することで、酸化物230の領域234に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物230の領域234の酸素欠損を低減することができる。   Further, oxygen is supplied to the region 250 of the oxide 230 by adding oxygen to the insulator 250 and the insulator 252 by forming a film of such a conductive oxide by a sputtering method. Is possible. Thus, oxygen vacancies in the region 234 of the oxide 230 can be reduced.

上記導電性酸化物を導電体260aとして用いる場合、導電体260bには、導電体260aに窒素などの不純物を添加し、導電体260aの導電性を向上できる導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体260bは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体260bを、窒化チタンなどの金属窒化物と、その上にタングステンなどの金属を積層した構造にしてもよい。   In the case of using the conductive oxide as the conductor 260a, it is preferable to use a conductor which can improve the conductivity of the conductor 260a by adding an impurity such as nitrogen to the conductor 260a. For example, as the conductor 260b, titanium nitride or the like is preferably used. Alternatively, the conductor 260b may have a structure in which a metal nitride such as titanium nitride and a metal such as tungsten are stacked thereon.

また、図3(C)に示すように、導電体205が、酸化物230のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体260は、該領域において、絶縁体250を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物230の側面の外側において、導電体205と、絶縁体250と、導電体260とは、積層構造を形成することが好ましい。   Further, as shown in FIG. 3C, in the case where the conductor 205 extends in a region outside the end portion of the oxide 230 which intersects the channel width direction, the conductor 260 in the region, It is preferable to overlap through the insulator 250. That is, in the outside of the side surface of the oxide 230, the conductor 205, the insulator 250, and the conductor 260 preferably form a stacked structure.

上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながることで、閉回路を形成し、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。   With the above structure, when a potential is applied to the conductor 260 and the conductor 205, a closed circuit is formed by connecting the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 205, thereby forming an oxidized circuit. The channel formation region formed in the object 230 can be covered.

つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。   That is, the channel formation region of the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 having a function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 having a function as the second gate electrode. .

また、導電体260bの上に、ハードマスクとして機能する絶縁体270を配置してもよい。絶縁体270を設けることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が概略垂直、具体的には、導電体260の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下である形状とすることができる。導電体を該形状に加工することで、後工程で形成する絶縁体272の加工が容易となる。   In addition, an insulator 270 which functions as a hard mask may be provided over the conductor 260b. By providing the insulator 270, when processing the conductor 260, the side surface of the conductor 260 is substantially vertical, specifically, the angle between the side surface of the conductor 260 and the substrate surface is 75 degrees or more and 100 degrees or less, Preferably, the shape may be 80 degrees or more and 95 degrees or less. By processing the conductor into the shape, processing of the insulator 272 formed in a later step is facilitated.

バリア膜として機能する絶縁体272は、絶縁体250、絶縁体252、導電体260、および絶縁体270の側面に接して設ける。   The insulator 272 functioning as a barrier film is provided in contact with side surfaces of the insulator 250, the insulator 252, the conductor 260, and the insulator 270.

ここで、絶縁体272は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体250、および絶縁体252中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体250、および絶縁体252の端部などから酸化物230に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。従って、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。   Here, as the insulator 272, an insulating material which has a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen can be used. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. Thus, oxygen in the insulator 250 and the insulator 252 can be prevented from diffusing to the outside. Further, entry of impurities such as hydrogen and water into the oxide 230 from the insulator 250 and an end portion of the insulator 252 can be suppressed. Thus, formation of oxygen vacancies at the interface between the oxide 230 and the insulator 250 can be suppressed, and the reliability of the transistor 200 can be improved.

絶縁体272を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、導電体260の上面と側面、絶縁体250の側面、および絶縁体252の側面を覆うことができる。これにより、導電体260、絶縁体250および絶縁体252を介して、水または水素などの不純物が酸化物230に混入することを防ぐことができる。従って、絶縁体272は、ゲート電極およびゲート絶縁膜の側面を保護するサイドバリアとして機能を有する。   By providing the insulator 272, the top surface and the side surface of the conductor 260, the side surface of the insulator 250, and the side surface of the insulator 252 can be formed using an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. It can be covered. Thus, impurities such as water or hydrogen can be prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 260, the insulator 250, and the insulator 252. Thus, the insulator 272 functions as a side barrier that protects the side surfaces of the gate electrode and the gate insulating film.

特に、トランジスタが微細化され、チャネル長が10nm以上30nm以下程度に形成されている場合、トランジスタ200の周辺に設けられる構造体に含まれる不純物元素が拡散し、領域231aと、領域231bと、が電気的に導通する恐れがある。上記構造とすることで、第1のゲート電圧が0Vのときに、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。   In particular, when the transistor is miniaturized and the channel length is formed to be approximately 10 nm to 30 nm, the impurity element contained in the structure provided around the transistor 200 is diffused, and the region 231 a and the region 231 b are formed. There is a risk of electrical continuity. With the above structure, when the first gate voltage is 0 V, electrical conduction between the source region and the drain region can be prevented.

絶縁体274は、絶縁体270、絶縁体272、酸化物230および絶縁体224を覆って設ける。ここで、絶縁体274は、絶縁体270および絶縁体272の上面に接し、かつ絶縁体272の側面に接して設けられる。   The insulator 274 is provided to cover the insulator 270, the insulator 272, the oxide 230, and the insulator 224. Here, the insulator 274 is provided in contact with the top surfaces of the insulator 270 and the insulator 272 and in contact with the side surface of the insulator 272.

また、絶縁体274は、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体274として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。   In addition, as the insulator 274, an insulating material having a function of suppressing permeation of oxygen is preferably used. For example, as the insulator 274, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, aluminum nitride, aluminum nitride oxide, or the like is preferably used.

なお、絶縁体274を成膜することにより、領域231、および領域232を設ける場合、絶縁体274は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。水素、または窒素などの不純物を有する絶縁体を絶縁体274に用いることで、水素または窒素などの不純物を酸化物230に添加して、酸化物230において、領域231、および領域232を形成することができる。   Note that in the case where the regions 231 and 232 are provided by depositing the insulator 274, the insulator 274 preferably contains at least one of hydrogen and nitrogen. By using an insulator having an impurity such as hydrogen or nitrogen for the insulator 274, the impurity such as hydrogen or nitrogen is added to the oxide 230 to form the regions 231 and 232 in the oxide 230. Can.

絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体280の上に絶縁体210と同様の絶縁体を設けてもよい。   An insulator 280 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 274. The insulator 280 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, similarly to the insulator 224 and the like. Note that an insulator similar to the insulator 210 may be provided over the insulator 280.

また、絶縁体280および絶縁体274に形成された開口に、導電体240aおよび導電体240bを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。なお、導電体240aおよび導電体240bの上面の高さは、絶縁体280の上面と、同一平面上としてもよい。   In the openings formed in the insulator 280 and the insulator 274, the conductor 240a and the conductor 240b are provided. The conductor 240 a and the conductor 240 b are provided opposite to each other with the conductor 260 interposed therebetween. Note that the heights of the top surfaces of the conductor 240 a and the conductor 240 b may be flush with the top surface of the insulator 280.

導電体240aは、トランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域231aと接しており、導電体240bはトランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域231bと接している。よって、導電体240aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体240bはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。領域231aおよび領域231bは低抵抗化されているので、導電体240aと領域231aの接触抵抗、および導電体240bと領域231bの接触抵抗を低減し、トランジスタ200のオン電流を大きくすることができる。   The conductor 240a is in contact with the region 231a which functions as one of the source region and the drain region of the transistor 200, and the conductor 240b is in contact with the region 231b which functions as the other of the source region and the drain region of the transistor 200. Thus, the conductor 240a can function as one of a source electrode and a drain electrode, and the conductor 240b can function as the other of the source electrode and the drain electrode. Since the regions 231a and 231b have low resistance, the contact resistance between the conductor 240a and the region 231a and the contact resistance between the conductor 240b and the region 231b can be reduced and the on-state current of the transistor 200 can be increased.

なお、絶縁体280および絶縁体274の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。同様に、絶縁体280および絶縁体274の開口の内壁に接して導電体240bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231bが位置しており、導電体240bが領域231bと接する。   A conductor 240a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280 and the insulator 274. The region 231a of the oxide 230 is positioned at least at part of the bottom of the opening, and the conductor 240a is in contact with the region 231a. Similarly, a conductor 240 b is formed in contact with the inner wall of the insulator 280 and the opening of the insulator 274. The region 231 b of the oxide 230 is positioned at least at part of the bottom of the opening, and the conductor 240 b is in contact with the region 231 b.

ここで、導電体240a、および導電体240bは、少なくとも酸化物230の上面と接し、さらに酸化物230の側面と接することが好ましい。特に、導電体240a、および導電体240bは、酸化物230のチャネル幅方向と交わる側面において、A3側の側面、およびA4側の側面の双方または一方と接することが好ましい。また、導電体240a、および導電体240bが、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体240a、および導電体240bが酸化物230の上面に加えて、酸化物230の側面と接する構成にすることにより、導電体240a、および導電体240bと酸化物230のコンタクト部の上面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体240a、および導電体240bと酸化物230の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。   Here, the conductor 240 a and the conductor 240 b are preferably in contact with at least the top surface of the oxide 230 and further in contact with the side surface of the oxide 230. In particular, the conductor 240 a and the conductor 240 b are preferably in contact with both or one of the side surface on the A3 side and the side surface on the A4 side on the side surface of the oxide 230 intersecting with the channel width direction. The conductor 240 a and the conductor 240 b may be in contact with the side surface on the A1 side (A2 side) on the side surface of the oxide 230 which intersects the channel length direction. In this manner, the conductor 240 a and the conductor 240 b are in contact with the oxide 230 by forming the conductor 240 a and the conductor 240 b in contact with the side surface of the oxide 230 in addition to the top surface of the oxide 230. The contact area of the contact portion can be increased and the contact resistance between the conductor 240a and the conductor 240b and the oxide 230 can be reduced without increasing the upper area of the contact portion. Thus, the on current can be increased while the source electrode and the drain electrode of the transistor are miniaturized.

導電体240aおよび導電体240bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体240aおよび導電体240bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。   It is preferable to use a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum for the conductors 240a and 240b. Although not shown, the conductor 240a and the conductor 240b may have a stacked structure, for example, titanium, titanium nitride, and the above conductive material.

導電体240を積層構造とする場合、絶縁体274、および絶縁体280と接する導電体には、導電体205aなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。該導電性材料を用いることで、絶縁体280より上層から水素、水などの不純物が、導電体240aおよび導電体240bを通じて酸化物230に混入するのを抑制することができる。   In the case where the conductor 240 has a stacked structure, a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen for the insulator 274 and the conductor in contact with the insulator 280 similarly to the conductor 205a and the like It is preferable to use For example, tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium or ruthenium oxide is preferably used. In addition, a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen may be used in a single layer or a stack. By using the conductive material, impurities such as hydrogen and water from above the insulator 280 can be prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b.

また、図示しないが、導電体240aの上面、および導電体240bの上面に接して配線して機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、該導電体は、積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、該導電体は、導電体203などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。   Further, although not shown, a conductor that functions by being in contact with the top surface of the conductor 240a and the top surface of the conductor 240b may be disposed. It is preferable to use a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum as the conductor functioning as the wiring. In addition, the conductor may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material. Note that as in the case of the conductor 203 or the like, the conductor may be formed so as to be embedded in an opening provided in an insulator.

<半導体装置の構成材料>
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
<Material of semiconductor device>
Hereinafter, constituent materials which can be used for the semiconductor device will be described.

<<基板>>
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板また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、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。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。または、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または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、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。
<< board >>
As a substrate for forming the transistor 200, 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. The semiconductor substrate may be, for example, a single semiconductor substrate of silicon, germanium or the like, or a compound semiconductor substrate 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 aforementioned semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. As the conductive substrate, there are a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, a conductive resin substrate and the like. Alternatively, there is a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, or the like. Further, there are a substrate provided with a conductor or a semiconductor on an insulator substrate, a substrate provided with a conductor or an insulator on a semiconductor substrate, a substrate provided with a semiconductor or an insulator on the conductor substrate, and the like. Alternatively, those provided with elements on these substrates may be used. The elements provided on the substrate include a capacitor, a resistor, a switch, a light-emitting element, a memory element, and the like.

また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう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、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、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上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。   Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate. Note that as a method for providing a transistor on a flexible substrate, there is a method in which the transistor is peeled off after being manufactured on a non-flexible substrate and transposed to the flexible substrate. In that case, a release layer may be provided between the non-flexible substrate and the transistor. In addition, the substrate may have stretchability. In addition, the substrate may have the property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, it may have the property that it does not return to its original shape. The substrate has, for example, a region having a thickness of 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate is thinned, the weight of the semiconductor device including the transistor can be reduced. In addition, when the substrate is made thin, it may have elasticity even when using glass or the like, or may return to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact or the like applied to the semiconductor device on the substrate due to a drop or the like can be alleviated. That is, a robust semiconductor device can be provided.

可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可とう性基板である基板は、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。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。 As a substrate which is a flexible substrate, for example, a metal, an alloy, a resin or glass, or fibers thereof can be used. In addition, as the substrate, a sheet, a film, a foil or the like in which fibers are woven may be used. As the substrate which is a flexible substrate has a lower coefficient of linear expansion, deformation due to the environment is preferably suppressed. As a substrate 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 may be used. . Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic. In particular, aramid is suitable as a flexible substrate because it has a low coefficient of linear expansion.

<<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 >>
The insulator includes, for example, an insulating oxide, a nitride, an oxynitride, a nitride oxide, a metal oxide, a metal oxynitride, a metal nitride oxide, and the like.

例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high−k材料を用いることで物理膜厚を保ち、低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。従って、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。   For example, as the miniaturization and higher integration of transistors progress, the thinning of the gate insulator may cause problems such as leakage current. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulator, the physical thickness can be maintained and voltage can be reduced. On the other hand, for an insulator functioning as an interlayer film, by using a material having a low relative dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, the material may be selected according to the function of the insulator.

また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。   In addition, as insulators with high dielectric constants, oxides of gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum and hafnium, oxynitrides of aluminum and hafnium, oxides of silicon and hafnium, silicon and hafnium can be used. There is an oxynitride or a nitride having silicon and hafnium.

また、比誘電率が低い絶縁体としては、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、炭素およ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または樹脂などがある。   Further, as an insulator having a low relative dielectric constant, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, empty There are silicon oxide or resin having holes.

また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、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、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、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。   Also, in particular, silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable. Therefore, for example, by combining with a resin, it is possible to obtain a laminated structure having a low thermal conductivity and a low relative dielectric constant. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate or acrylic. Further, for example, silicon oxide and silicon oxynitride can be combined with an insulator with high relative permittivity to form a stacked structure with high thermal stability and high relative permittivity.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物およ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。   In addition, in the transistor including an oxide semiconductor, electrical characteristics of the transistor can be stabilized by being surrounded by an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen.

水素などの不純物およ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、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。   As an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, for example, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in a single layer or a stack. Specifically, aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide or as an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen. A metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.

例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体224および絶縁体250は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物230と接する構造とすることで、酸化物230が有する酸素欠損を補償することができる。   For example, insulator 224 and insulator 250, which function as part of a gate insulator, are preferably insulators having excess oxygen regions. For example, with a structure in which silicon oxide or silicon oxynitride having an excess oxygen region is in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be compensated.

また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体224および絶縁体252において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。   For example, for the insulator 224 and the insulator 252 which function as part of a gate insulator, an insulator containing one or more oxides of aluminum, hafnium, and gallium can be used. In particular, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.

ここで、絶縁体224および絶縁体252は、結晶性が低い(または、結晶が少ないともいう)膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いるとよい。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。例えば、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体224および絶縁体252に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体224および絶縁体252から、絶縁体224、および絶縁体250に過剰酸素が添加され、絶縁体224、および絶縁体250に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、絶縁体250と絶縁体252との界面、および絶縁体220と絶縁体222の界面、絶縁体222と絶縁体224との界面を良好な状態とすることができる。   Here, for the insulator 224 and the insulator 252, a film with low crystallinity (or less crystals) or a film including an amorphous structure may be used. An oxide film having low crystallinity or an amorphous structure can diffuse oxygen of the oxide film to a nearby insulator by heating. For example, by using a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure for the insulator 224 and the insulator 252, the insulator 224 and the insulator 252 can be used as the insulator 224 and the insulator 252 due to the thermal history of later steps. Excess oxygen is added to 250, and an insulator 224 and an insulator 250 can easily form an excess oxygen region. A film with low crystallinity or a film including an amorphous structure has high planarity, and the interface between the insulator 250 and the insulator 252, the interface between the insulator 220 and the insulator 222, and the insulator 222 and the insulator 224. And the interface between them can be in a good state.

例えば、平坦性が高い膜として、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.4nm以下、好ましくは0.3nm以下である絶縁体を用いるとよい。   For example, an insulating film whose root mean square surface roughness (RMS) measured using an atomic force microscope is 0.4 nm or less, preferably 0.3 nm or less in a measurement range of 1 μm × 1 μm, as a film having high flatness It is good to use the body.

例えば、結晶性が低い膜として、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、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絶縁体を用いるとよい。   For example, as a film with low crystallinity, it is preferable to use an insulator in which a region with high luminance is observed as a result of an electron beam diffraction pattern using an electron microscope draws a circle (in a ring shape).

例えば、絶縁体222には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。   For example, as the insulator 222, silicon oxide or silicon oxynitride which is stable against heat is preferably used. By using a stack that has a stable film against heat and a high dielectric constant as the gate insulator, it is possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of the gate insulator while maintaining the physical thickness. It becomes.

上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、リーク電流を抑制することができる。   With the above-described stacked structure, the on current can be improved without weakening the influence of the electric field from the gate electrode. In addition, the leakage current can be suppressed by maintaining the distance between the gate electrode and the region where the channel is formed by the physical thickness of the gate insulator.

絶縁体212、絶縁体216、絶縁体271および絶縁体280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212、絶縁体216、および絶縁体280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、炭素およ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または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280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、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまた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。酸化シリコンおよ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、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。   The insulator 212, the insulator 216, the insulator 271, and the insulator 280 preferably include an insulator with a low relative dielectric constant. For example, the insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280 are formed by adding silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, carbon, and nitrogen It is preferable to have silicon oxide, silicon oxide having pores, or a resin. Alternatively, the insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280 are formed by adding silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, carbon and nitrogen It is preferable to have a stacked structure of silicon oxide or silicon oxide having holes and a resin. Silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, and thus, when combined with a resin, a stacked structure with a thermally stable and low dielectric constant can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate or acrylic.

絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270、および絶縁体272としては、水素などの不純物およ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。絶縁体270および絶縁体272としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。   As the insulator 210, the insulator 214, the insulator 270, and the insulator 272, an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen can be used. As the insulator 270 and the insulator 272, for example, metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, silicon nitride oxide Alternatively, silicon nitride or the like may be used.

<<導電体>>
導電体としては、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 >>
The conductor is a metal selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium and the like A material containing one or more elements can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity, typically a polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.

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。   Alternatively, a plurality of conductive layers formed of the above materials may be stacked. For example, a stacked structure in which a material containing a metal element described above and a conductive material containing oxygen are combined may be used. Alternatively, a stacked structure in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing nitrogen are combined may be used. Alternatively, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element, the conductive material containing oxygen, and the conductive material containing nitrogen are combined may be used.

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において、ゲート電極として機能する導電体には、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 a channel formation region of a transistor, a stacked structure in which a material containing the above-described metal element and a conductive material containing oxygen are combined is used for a conductor functioning as a gate electrode. Is preferred. In this case, a conductive material containing oxygen may be provided on the channel formation region side. By providing the conductive material containing oxygen in the channel formation region side, oxygen released from the conductive material can be easily supplied to the channel formation region.

特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素およ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、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。   In particular, as a conductor functioning as a gate electrode, a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed is preferably used. Alternatively, a conductive material containing the above-described 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. By using such a material, it may be possible to capture hydrogen contained in a metal oxide in which a channel is formed. Alternatively, it may be possible to capture hydrogen mixed from an outer insulator or the like.

導電体260、導電体203、導電体205、および導電体240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。   As the conductor 260, the conductor 203, the conductor 205, and the conductor 240, aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium A material containing one or more metal elements selected from zirconium, beryllium, indium, ruthenium and the like can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity, typically a polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.

<<金属酸化物>>
酸化物230として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。
<< metal oxides >>
As the oxide 230, a metal oxide which functions as an oxide semiconductor (hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used. Hereinafter, metal oxides applicable to the oxide 230 according to the present invention will be described.

酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよ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、イットリウムまた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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。   The oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium or tin is preferably contained. In addition, one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be included.

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有する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、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素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, it is assumed that the oxide semiconductor is an In-M-Zn oxide containing indium, an element M, and zinc. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like. However, as the element M, a plurality of the aforementioned elements may be combined in some cases.

なお、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 the present specification and the like, metal oxides having nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides. In addition, a metal oxide having nitrogen may be referred to as metal oxynitride.

[金属酸化物の構成]
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
[Metal oxide composition]
Hereinafter, a configuration of a Cloud-Aligned Composite (CAC) -OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention will be described.

なお、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、または材料の構成の一例を表す。   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 structure of a material.

CAC−OSまたは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またはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子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またはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたは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。   The CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and functions as a semiconductor throughout the material. Note that in the case where CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the active layer of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is electrons serving as carriers. Is a function that does not A function of switching (function of turning on / off) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to be complementary to each other. By separating the functions of CAC-OS or CAC-metal oxide, both functions can be maximized.

また、CAC−OSまたは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 addition, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. In addition, 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. In addition, the conductive region may be observed as connected in a cloud shape with a blurred periphery.

また、CAC−OSまたは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 addition, in CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less There is.

また、CAC−OSまたは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または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またはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、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。   Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from the insulating region and a component having a narrow gap resulting from the conductive region. In the case of this configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having the narrow gap acts complementarily to the component having the wide gap, and the carrier also flows to the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the above-described CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the channel region of a transistor, high current driving force, that is, high on current, and high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、また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 (matrix composite) or a metal matrix composite (metal matrix composite).

[金属酸化物の構造]
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
[Structure of metal oxide]
Oxide semiconductors can be divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. As the non-single crystal oxide semiconductor, for example, c-axis aligned crystalline oxide semiconductor (CAAC-OS), polycrystalline oxide semiconductor, nanocrystalline oxide semiconductor (nc-OS), pseudo amorphous oxide semiconductor (a-like) OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。   The CAAC-OS has c-axis orientation, and a plurality of nanocrystals are connected in the a-b plane direction to form a strained crystal structure. Note that distortion refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between the region in which the lattice arrangement is aligned and the region in which another lattice arrangement is aligned in the region where the plurality of nanocrystals are connected.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。   The nanocrystals are based on hexagons, but may not be regular hexagons and may be non-hexagonal. Moreover, distortion may have a lattice arrangement such as pentagon and heptagon. In the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) can not be confirmed near the strain. That is, it is understood that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the a-b plane direction, or that the bonding distance between atoms is changed due to metal element substitution. It is thought that it is for.

また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。   In addition, a CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer containing element M, zinc and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also referred to as a layered structure). Note that indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as a (In, M, Zn) layer. In addition, when indium in the In layer is substituted with the element M, it can also be represented as an (In, M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。   The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, CAAC-OS can not confirm clear crystal grain boundaries, so that it can be said that the decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries does not easily occur. In addition, the crystallinity of the oxide semiconductor may be lowered due to the mixing of impurities, generation of defects, or the like, so that the CAAC-OS can also be said to be an oxide semiconductor with few impurities or defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the oxide semiconductor having a CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, an oxide semiconductor having a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。   The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, nc-OS has no regularity in crystal orientation among different nanocrystals. Therefore, no orientation can be seen in the entire film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from the a-like OS or the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。   The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a wrinkle or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。   Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.

[酸化物半導体を有するトランジスタ]
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
[Transistor with oxide semiconductor]
Subsequently, a case where the above oxide semiconductor is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、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。   Note that by using the above oxide semiconductor for 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酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体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または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、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。 Further, an oxide semiconductor with low carrier density is preferably used for the transistor. In the case of reducing the carrier density of the oxide semiconductor film, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be reduced to reduce the density of defect states. In the present specification and the like, the low impurity concentration and the low density of defect level states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the oxide semiconductor 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 / cm 3. It should be cm 3 or more.

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。   In addition, since the high purity intrinsic or the substantially high purity intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, the density of trap states may also be low.

また、酸化物半導体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酸化物半導体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 oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave like fixed charge. Therefore, in the transistor in which the channel region is formed in the oxide semiconductor with a high trap state density, the electrical characteristics may be unstable.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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 concentration of impurities in the oxide semiconductor. Further, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. The impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

[不純物]
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
[impurities]
Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor is described.

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体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 oxide semiconductor, when silicon or carbon which is one of the group 14 elements is contained, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor (the 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、酸化物半導体にアルカリ金属また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。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect state may be formed and a carrier may be generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor which contains an alkali metal or an alkaline earth metal is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of an alkali metal or an alkaline earth metal in an oxide semiconductor obtained by SIMS is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体において、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酸化物半導体を半導体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。従って、該酸化物半導体において、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、酸化物半導体中の窒素濃度は、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 contained in an oxide semiconductor, electrons which are carriers are generated, carrier density is increased, and n-type is easily formed. As a result, a transistor in which an oxide semiconductor containing nitrogen is used as a semiconductor is likely to be normally on. Therefore, in the oxide semiconductor, nitrogen is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 in SIMS. atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体に含まれる水素は、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。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。従って、水素が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体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、酸化物半導体において、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。 Further, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, which may form an oxygen vacancy. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons which are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. Thus, a transistor including an oxide semiconductor which contains hydrogen is likely to be normally on. Thus, hydrogen in the oxide semiconductor is preferably reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, 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. It is less than 3 and more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル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。   With the use of the oxide semiconductor in which the impurities are sufficiently reduced for the channel region of the transistor, stable electrical characteristics can be provided.

<半導体装置の作製方法>
次に、本発明に係るトランジスタ200を有する半導体装置について、作製方法を図5乃至図13を用いて説明する。また、図5乃至図13において、各図の(A)は上面図を示す。また、各図の(B)は(A)に示すA1−A2の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の(C)は、(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
<Method for manufacturing semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 200 according to the present invention will be described with reference to FIGS. Moreover, in FIG. 5 to FIG. 13, (A) of each figure shows a top view. Further, (B) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line of A1-A2 shown in (A). Further, (C) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line of A3-A4 in (A).

まず、基板(図示しない)を準備し、当該基板上に絶縁体210を成膜する。絶縁体210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)法またはALD(Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。   First, a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 210 is formed on the substrate. The film formation of the insulator 210 can be performed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), or ALD (chemical vapor deposition). This can be performed using an 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 enhanced CVD (PECVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: thermal CVD) method using heat, a photo CVD method using light, etc. . Furthermore, it can be divided into metal CVD (MCVD: Metal CVD) and metal organic CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) 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。   The plasma CVD method provides high quality films at relatively low temperatures. Further, the thermal CVD method is a film formation method capable of reducing plasma damage to an object to be processed because plasma is not used. For example, a wiring, an electrode, an element (such as a transistor or a capacitor), or the like included in a semiconductor device may be charged up by receiving charge from plasma. At this time, wirings, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device may be broken by the stored charge. On the other hand, in the case of a thermal CVD method which does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the semiconductor device can be increased. Further, in the thermal CVD method, since plasma damage does not occur during film formation, 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。   In addition, the ALD method is also a film formation method capable of reducing plasma damage to an object to be processed. Also, in the ALD method, since plasma damage does not occur during film formation, a film with few defects can be obtained.

CVD法および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 a reaction on the surface of an object to be processed unlike a film forming method in which particles released from a target or the like are deposited. Therefore, the film forming method is less susceptible to the shape of the object to be processed, and has good step coverage. In particular, since the ALD method has excellent step coverage and uniformity of thickness, it is suitable for coating the surface of an opening with a high aspect ratio. However, since the deposition rate is relatively slow, the ALD method may be preferably used in combination with another deposition method such as a CVD method having a high deposition rate.

CVD法および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法および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法および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。   The CVD method and the ALD method can control the composition of the obtained film by the flow rate ratio of the source gas. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having any composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gas. 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 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 taken for film formation can be shortened by the time taken for conveyance and pressure adjustment as compared with 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 enhanced.

本実施の形態では、絶縁体210として、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。また、絶縁体210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、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。または、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜し、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。   In this embodiment mode, aluminum oxide is deposited as the insulator 210 by a sputtering method. In addition, the insulator 210 may have a multilayer structure. For example, an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method, and an aluminum oxide film may be formed by an ALD method on the aluminum oxide film. Alternatively, aluminum oxide may be formed by an ALD method, and aluminum oxide may be formed by sputtering on the aluminum oxide.

次に絶縁体210上に絶縁体212を成膜する。絶縁体212の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法または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212として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   Next, the insulator 212 is formed over the insulator 210. The insulator 212 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 mode, silicon oxide is deposited as the insulator 212 by a CVD method.

次に、絶縁体212、および絶縁体210に開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェ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210は、絶縁体212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212に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体210は、エッチングストッパ膜として機能する絶縁膜として、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, an opening is formed in the insulator 212 and the insulator 210. The openings include, for example, grooves and slits. In addition, the region in which the opening is formed may be referred to as an opening. Although the formation of the opening may use wet etching, it is preferable to use dry etching for fine processing. Further, as the insulator 210, it is preferable to select an insulator that functions as an etching stopper film at the time of forming the groove by etching the insulator 212. For example, in the case where a silicon oxide film is used as the insulator 212 which forms a groove, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film may be used as the insulator 210 which functions as an etching stopper film.

開口の形成後に、導電体203aとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、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。たとえば、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。またはタンタル、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203aとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   After the opening is formed, a conductive film to be the conductor 203a is formed. The conductive film preferably includes 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, and a molybdenum-tungsten alloy can be used. The film formation of the conductor to be the conductor 203a can be performed 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203aとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルまたは、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。導電体203aとしてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体203bで銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体203aから外に拡散するのを防ぐことができる。   In this embodiment mode, a tantalum nitride film or a film in which titanium nitride is stacked over tantalum nitride is formed by sputtering as a conductive film to be the conductor 203a. By using such a metal nitride as the conductor 203a, even if a metal that easily diffuses such as copper is used as the conductor 203b described later, the metal can be prevented from diffusing out of the conductor 203a.

次に、導電体203aとなる導電膜上に、導電体203bとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法または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203bとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。   Next, a conductive film to be the conductor 203b is formed over the conductive film to be the conductor 203a. The conductive film 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, a low-resistance conductive material such as copper is formed as the conductive film to be the conductor 203 b.

次に、CMP処理を行うことで、導電体203aとなる導電膜、ならびに導電体203bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体212を露出する。その結果、開口部のみに、導電体203aとなる導電膜、ならびに導電体203bとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体203aおよび導電体203bを含む導電体203を形成することができる(図5参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体212の一部が除去される場合がある。   Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 203 a and the conductive film to be the conductor 203 b, thereby exposing the insulator 212. As a result, the conductive film to be the conductor 203a and the conductive film to be the conductor 203b remain only in the opening. Accordingly, the conductor 203 including the conductor 203a and the conductor 203b whose top surface is flat can be formed (see FIG. 5). Note that part of the insulator 212 may be removed by the CMP treatment.

次に、導電体203上に絶縁体214を成膜する。絶縁体214の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法または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214として、CVD法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体214として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体203bに銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを防ぐことができる。   Next, the insulator 214 is formed over the conductor 203. The insulator 214 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, silicon nitride is formed as the insulator 214 by a CVD method. In this manner, by using an insulator that is less likely to transmit copper such as silicon nitride as the insulator 214, even if a metal that easily diffuses copper such as copper is used for the conductor 203b, the metal is a layer higher than the insulator 214 Can be prevented from spreading.

次に絶縁体214上に絶縁体216を成膜する。絶縁体216の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法または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216として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   Next, the insulator 216 is formed over the insulator 214. The insulator 216 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 mode, silicon oxide is deposited as the insulator 216 by a CVD method.

次に、絶縁体214および絶縁体216に、導電体203に達する開口を形成する。開口の形成はウェ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。   Next, an opening which reaches the conductor 203 is formed in the insulator 214 and the insulator 216. Although the formation of the opening may use wet etching, it is preferable to use dry etching for fine processing.

開口の形成後に、導電体205aとなる導電膜を成膜する。導電体205aとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが望ましい。たとえば、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。またはタンタル、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205aとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   After the opening is formed, a conductive film to be the conductor 205a is formed. The conductive film to be the conductor 205a preferably contains a conductive material 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, and a molybdenum-tungsten alloy can be used. The conductive film to be the conductor 205a 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205aとなる導電膜として、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 mode, tantalum nitride is formed by a sputtering method as a conductive film to be the conductor 205a.

次に、導電体205aとなる導電膜上に、導電体205bとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   Next, a conductive film to be the conductor 205b is formed over the conductive film to be the conductor 205a. The conductive film 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205bとなる導電膜として、CVD法によって窒化チタンを成膜し、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 mode, titanium nitride is formed by a CVD method as a conductive film to be the conductor 205b, and tungsten is formed over the titanium nitride film by a CVD method.

次に、CMP処理を行うことで、導電体205aとなる導電膜、ならびに導電体205bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体216を露出する。その結果、開口部のみに、導電体205a、および導電体205bとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体205aおよび導電体205bを含む導電体205を形成することができる(図5参照。)。なお、当該CMP処理により、絶縁体212の一部が除去される場合がある。   Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 205 a and the conductive film to be the conductor 205 b, thereby exposing the insulator 216. As a result, the conductive film to be the conductor 205a and the conductor 205b remains only in the opening. Thus, the conductor 205 including the conductor 205a and the conductor 205b with a flat top surface can be formed (see FIG. 5). Note that part of the insulator 212 may be removed by the CMP treatment.

次に、絶縁体216、および導電体205上に絶縁体220を成膜する。絶縁体220の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法または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212として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   Next, the insulator 220 is formed over the insulator 216 and the conductor 205. The insulator 220 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 mode, silicon oxide is deposited as the insulator 212 by a CVD method.

次に、絶縁体220上に絶縁体222を成膜する。絶縁体222として、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体222が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ200の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水は、トランジスタ200の内側へ拡散することなく、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。   Next, the insulator 222 is formed over the insulator 220. As the insulator 222, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed. Note that aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium. An insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium has a barrier property to oxygen, hydrogen, and water. The insulator 222 has a barrier property to hydrogen and water, whereby hydrogen contained in a structure provided in the periphery of the transistor 200 and water do not diffuse inside the transistor 200, and thus, the oxide 230 can contain the hydrogen and water. The generation of oxygen deficiency can be suppressed.

絶縁体222の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   The insulator 222 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、絶縁体222は、結晶性が低い(または、結晶が少ないともいう)膜、またはアモルファス構造を含む膜とする。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体222に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体222から、絶縁体224に過剰酸素が添加され、絶縁体224に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、積層する他の膜との界面を良好な状態とすることができる。   Here, the insulator 222 is a film having low crystallinity (or referred to as having few crystals), or a film including an amorphous structure. An oxide film having low crystallinity or an amorphous structure can diffuse oxygen of the oxide film to a nearby insulator by heating. By using a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure for the insulator 222, excess oxygen is added to the insulator 224 from the insulator 222 by a thermal history in a later step, and an excess oxygen region is added to the insulator 224. Can be easily formed. In addition, a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure has high flatness, and the interface with another film to be stacked can be in a good state.

絶縁体222に用いることができる結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、成膜温度がR.T以上200℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、成膜することができる。なお、成膜温度は、好ましくは130℃以下、さらに好ましくはR.T(R.T:Room temperature。なお、本明細書においてR.Tとは、意図的に加熱しない温度とする)とするとよい。また、酸素を含む混合雰囲気としては、酸素と希ガスとの混合ガス、または酸素と窒素との混合ガスを用いることができる。   The oxide film with low crystallinity which can be used for the insulator 222 or contains an amorphous structure has a deposition temperature of R.K. A film can be formed by a sputtering method in a mixed atmosphere containing T and 200 ° C. and oxygen. The film forming temperature is preferably 130 ° C. or less, more preferably R. It is preferable that T (RT: Room temperature. In this specification, RT means a temperature at which heating is not intentionally performed). Further, as a mixed atmosphere containing oxygen, a mixed gas of oxygen and a rare gas, or a mixed gas of oxygen and nitrogen can be used.

成膜温度が200℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.4nm以下、好ましくは0.3nm以下である絶縁体222を成膜することができる。また、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、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絶縁体222を成膜することができる。   The root mean square surface roughness (RMS) measured using an atomic force microscope by a sputtering method in a mixed atmosphere containing a film forming temperature of 200 ° C. or lower and oxygen in a measurement range of 1 μm × 1 μm: 0. An insulator 222 which is 4 nm or less, preferably 0.3 nm or less can be formed. In addition, the insulator 222 in which a region with high luminance can be observed (in a ring shape) can be formed as an electron diffraction pattern using an electron microscope draws a circle (in a ring shape).

次に、絶縁体222上に絶縁体224を成膜する。絶縁体224の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる(図5参照。)。本実施の形態では、絶縁体224として、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   Next, the insulator 224 is formed over the insulator 222. The insulator 224 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 5). In this embodiment mode, silicon oxide is deposited as the insulator 224 by a CVD method.

続いて、加熱処理を行うと好ましい。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。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素また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%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。   Subsequently, heat treatment is preferably performed. The 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 heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. Further, the heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to compensate for desorbed oxygen after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere. .

本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体224成膜後に窒素雰囲気にて400℃の温度で1時間の処理を行なう。   In this embodiment, as the heat treatment, after the insulator 224 is formed, treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere.

上記加熱処理によって、絶縁体222から、絶縁体224に過剰酸素が添加され、絶縁体224に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、絶縁体224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。   By the heat treatment, excess oxygen is added to the insulator 224 from the insulator 222, so that an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 224. Further, impurities such as hydrogen and water contained in the insulator 224 can be removed.

また、加熱処理は、絶縁体220成膜後、および絶縁体222の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体220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 at each timing after the insulator 220 is formed and after the insulator 222 is formed. Although the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment, it is preferable that the heat treatment after formation of the insulator 220 be performed in an atmosphere containing nitrogen.

ここで、絶縁体224Aに過剰酸素領域を形成するために、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。または、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224内に導くことができる。または、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、該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体224に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。   Here, in order to form an excess oxygen region in the insulator 224A, plasma treatment including oxygen may be performed under reduced pressure. For plasma treatment containing oxygen, for example, a device having a power supply for generating high density plasma using microwaves is preferably used. Alternatively, the substrate side may have a power supply for applying an RF (Radio Frequency). The use of a high density plasma can generate high density oxygen radicals, and the application of RF to the substrate side can efficiently introduce oxygen radicals generated by the high density plasma into the insulator 224. Alternatively, after performing plasma treatment including an inert gas using this apparatus, plasma treatment including oxygen may be performed to compensate for the released oxygen. Note that impurities such as hydrogen and water contained in the insulator 224 can be removed by appropriately selecting the conditions of the plasma treatment. In that case, the heat treatment may not be performed.

次に、絶縁体224上に、酸化物230aとなる酸化膜230Aと、酸化物230bとなる酸化膜230Bを順に成膜する(図6参照。)。なお、上記酸化膜は、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。大気開放せずに成膜することで、酸化膜230A、および酸化膜230B上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜230Aと酸化膜230Bとの界面近傍を清浄に保つことができる。   Next, on the insulator 224, an oxide film 230A to be the oxide 230a and an oxide film 230B to be the oxide 230b are sequentially formed (see FIG. 6). Note that the oxide film is preferably formed continuously without being exposed to the air environment. By forming the film without opening to the atmosphere, impurities or moisture from the air environment can be prevented from adhering to the oxide film 230A and the oxide film 230B, and the vicinity of the interface between the oxide film 230A and the oxide film 230B can be It can be kept clean.

酸化膜230A、および酸化膜230Bの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   The oxide film 230A and the oxide film 230B 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、酸化膜230A、および酸化膜230B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、または、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。また、上記の酸化膜の成膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のIn−M−Zn酸化物ターゲットを用いることができる。   For example, in the case where the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed by sputtering, 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. In the case where the above oxide film is formed by sputtering, the above In-M-Zn oxide target can be used.

特に、酸化膜230A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224に供給される場合がある。従って、酸化膜230Aの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。   In particular, when the oxide film 230A is formed, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 224. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230A may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.

また、酸化膜230Bをスパッタリング法で形成する場合、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半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体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。   In addition, in the case where the oxide film 230B is formed by a sputtering method, an oxygen-deficient oxide semiconductor can be formed by deposition with the proportion of oxygen contained in the sputtering gas being 1% to 30%, preferably 5% to 20%. It is formed. A transistor including an oxygen-deficient oxide semiconductor can provide relatively high field-effect mobility.

本実施の形態では、酸化膜230A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する。また、酸化膜230B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。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物230に求める特性に合わせて形成するとよい。   In this embodiment mode, the oxide film 230A is formed by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic number ratio]. In addition, a film is formed as the oxide film 230B by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic number ratio]. Note that each oxide film may be formed in accordance with the characteristics to be obtained for the oxide 230 by appropriately selecting deposition conditions and an atomic ratio.

次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜230A、および酸化膜230B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時間の処理を行なった後に、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, heat treatment may be performed. For the heat treatment, the above-described heat treatment conditions can be used. By the heat treatment, impurities such as hydrogen and water in the oxide film 230A and the oxide film 230B can be removed. In this embodiment, after performing treatment for 1 hour at a temperature of 400 ° C. in a nitrogen atmosphere, treatment for 1 hour at a temperature of 400 ° C. in an oxygen atmosphere is continuously performed.

次に、酸化膜230A、および酸化膜230Bを島状に加工して、酸化物230a、および酸化物230bを形成する(図7参照。)。   Next, the oxide film 230A and the oxide film 230B are processed into an island shape to form an oxide 230a and an oxide 230b (see FIG. 7).

なお、上記工程において、絶縁体224を、島状に加工してもよい。その場合、絶縁体222をエッチングストッパ膜として用いることができる。   Note that in the above steps, the insulator 224 may be processed into an island shape. In that case, the insulator 222 can be used as an etching stopper film.

ここで、酸化物230a、および酸化物230bは、少なくとも一部が導電体205と重なるように形成する。また、酸化物230a、および酸化物230bの側面は、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物230a、および酸化物230bの側面が、絶縁体222の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ200を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物230a、および酸化物230bの側面と絶縁体222の上面のなす角は大きいほど好ましい。   Here, the oxide 230 a and the oxide 230 b are formed so that at least part thereof overlaps with the conductor 205. The side surfaces of the oxide 230 a and the oxide 230 b are preferably substantially perpendicular to the top surface of the insulator 222. When the side surfaces of the oxide 230 a and the oxide 230 b are substantially perpendicular to the top surface of the insulator 222, reduction in area and density can be achieved when the plurality of transistors 200 is provided. Note that the angle between the side surface of the oxide 230 a and the side surface of the oxide 230 b and the top surface of the insulator 222 may be acute. In that case, the larger the angle between the side surface of the oxide 230a and the side surface of the oxide 230b and the top surface of the insulator 222, the better.

また、酸化物230a、および酸化物230bの側面と、酸化物230aの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい(以下、ラウンド状ともいう)。湾曲面は、例えば、酸化物230bの端部において、曲率半径が、3nm以上10nm以下、好ましくは、5nm以上6nm以下とすることが好ましい。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。   In addition, a curved surface is provided between the side surfaces of the oxide 230 a and the oxide 230 b and the top surface of the oxide 230 a. That is, the end of the side surface and the end of the upper surface are preferably curved (hereinafter, also referred to as a round shape). The curved surface preferably has a curvature radius of 3 nm to 10 nm, preferably 5 nm to 6 nm, at an end portion of the oxide 230 b, for example. By not having a corner at the end, the coverage of the film in the subsequent film formation process is improved.

なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。   Note that the processing of the oxide film may be performed using a lithography method. Further, dry etching or wet etching can be used for the processing. Machining by dry etching is suitable for micromachining.

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また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、半導体また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、ウェ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ェットエッチング処理を行う、またはウェ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, the resist is exposed through a mask. Next, the exposed area is removed or left using a developer to form a resist mask. 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. Alternatively, a liquid immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled and exposed between the substrate and the projection lens. Further, instead of the light described above, an electron beam or an ion beam may be used. In the case of using an electron beam or an ion beam, the mask is unnecessary. Note that for the removal of the resist mask, dry etching such as ashing can be performed, wet etching can be performed, wet etching can be performed after the dry etching, or dry etching can be performed after the wet etching.

また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、酸化膜230B上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。酸化膜230A、および酸化膜230Bのエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。上記酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。   In addition, instead of the resist mask, a hard mask made of an insulator or a conductor may be used. In the case of using a hard mask, an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed over the oxide film 230B, a resist mask is formed thereon, and a hard mask having a desired shape is formed by etching the hard mask material. can do. The etching of the oxide film 230A and the oxide film 230B may be performed after removing the resist mask, or may be performed with the resist mask left. In the latter case, the resist mask may disappear during etching. The hard mask may be removed by etching after the etching of the oxide film. On the other hand, when the material of the hard mask does not affect the post-process or can be used in the post-process, it is not necessary to remove the hard mask.

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。また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。また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。また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。また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 a dry etching apparatus, a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having a parallel plate electrode can be used. The capacitive coupling type plasma etching apparatus having a parallel plate type electrode may be configured to apply a high frequency power to one of the parallel plate type electrodes. Alternatively, a plurality of different high frequency power supplies may be applied to one of the parallel plate electrodes. Alternatively, a high frequency power supply of the same frequency may be applied to each of the parallel plate electrodes. Alternatively, high-frequency power supplies having different frequencies may be applied to the parallel plate electrodes. Alternatively, a dry etching apparatus having a high density plasma source can be used. For example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus can be used as a dry etching apparatus having a high density plasma source.

また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物230a、および酸化物230bなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。   Further, by performing the process such as the above-described dry etching, an impurity due to an etching gas or the like may be attached or diffused to the surface or the inside of the oxide 230a, the oxide 230b, or the like. The impurities include, for example, fluorine or 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ェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理または、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。   Washing is performed to remove the above-mentioned impurities and the like. The cleaning method may be wet cleaning using a cleaning solution or the like, plasma treatment using plasma, or cleaning by heat treatment, and the above cleaning may be performed in combination as appropriate.

ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸またはフッ化水素酸などを炭酸水また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。または、純水また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、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。   As the wet cleaning, a cleaning process may be performed using an aqueous solution prepared by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water. Alternatively, ultrasonic cleaning may be performed using pure water or carbonated water. In this embodiment, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water is performed.

続いて、加熱処理を行っても良い。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。   Subsequently, heat treatment may be performed. As the heat treatment conditions, the above-described heat treatment conditions can be used.

次に、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの上に、酸化膜230C、絶縁膜250A、絶縁膜252A、導電膜260A、導電膜260B、絶縁膜270A、および絶縁膜271Aを順に成膜する(図8参照。)。   Next, over the insulator 224, the oxide 230a, and the oxide 230b, an oxide film 230C, an insulating film 250A, an insulating film 252A, a conductive film 260A, a conductive film 260B, an insulating film 270A, and an insulating film 271A are sequentially formed. Membrane (see FIG. 8).

酸化膜230Cの成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。酸化物230cに求める特性に合わせて、酸化膜230A、または酸化膜230Bと同様の成膜方法を用いて、酸化膜230Cを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜230C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する。   The oxide film 230C can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. The oxide film 230C may be formed by a film formation method similar to that of the oxide film 230A or the oxide film 230B in accordance with the characteristics desired for the oxide 230c. In this embodiment mode, the oxide film 230C is formed by a sputtering method using a target of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic number ratio].

次に、絶縁膜250Aを成膜する。絶縁膜250Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて成膜することができる。本実施例では、絶縁膜250Aとして、CVD法により、酸化窒化シリコンを成膜するとよい。なお、絶縁膜250Aを成膜する際の成膜温度は、350℃以上450℃未満、特に400℃前後とすることが好ましい。絶縁膜250Aを、400℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。   Next, the insulating film 250A is formed. The insulating film 250A 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, a silicon oxynitride film may be formed as the insulating film 250A by a CVD method. Note that the film formation temperature at the time of forming the insulating film 250A is preferably 350 ° C. or more and less than 450 ° C., particularly about 400 ° C. By forming the insulating film 250A at 400 ° C., an insulator with few impurities can be formed.

なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、該酸素プラズマに絶縁膜250Aを曝すことで、絶縁膜250A、酸化物230a、酸化物230b、および酸化膜230C、へ酸素を導入することができる。   Note that oxygen is excited by microwaves to generate high-density oxygen plasma, and the insulating film 250A is exposed to the oxygen plasma to form oxygen in the insulating film 250A, the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide film 230C. Can be introduced.

また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。該加熱処理によって、絶縁膜250Aの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。   Further, heat treatment may be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. By the heat treatment, the water concentration and the hydrogen concentration of the insulating film 250A can be reduced.

次に、絶縁膜250A上に絶縁膜252Aを成膜する。絶縁膜252Aとして、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体222が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ200の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水は、トランジスタ200の内側へ拡散することなく、酸化物230中の酸素欠損の生成を抑制することができる。   Next, the insulating film 252A is formed over the insulating film 250A. As the insulating film 252A, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed. Note that aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium. An insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium has a barrier property to oxygen, hydrogen, and water. The insulator 222 has a barrier property to hydrogen and water, whereby hydrogen contained in a structure provided in the periphery of the transistor 200 and water do not diffuse inside the transistor 200, and thus, the oxide 230 can contain the hydrogen and water. The generation of oxygen deficiency can be suppressed.

絶縁膜252Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて成膜することができる。   The insulating film 252A 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、絶縁膜252Aは、結晶性が低い(または、結晶が少ないともいう)膜、またはアモルファス構造を含む膜とする。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁膜252Aに用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁膜252Aから、絶縁膜250Aに過剰酸素が添加され、絶縁膜250Aに過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、積層する他の膜との界面を良好な状態とすることができる。   Here, the insulating film 252A is a film having low crystallinity (or less crystals), or a film including an amorphous structure. An oxide film having low crystallinity or an amorphous structure can diffuse oxygen of the oxide film to a nearby insulator by heating. By using a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure for the insulating film 252A, excess oxygen is added to the insulating film 250A from the insulating film 252A by a thermal history in a later step, and an excess oxygen region is added to the insulating film 250A. Can be easily formed. In addition, a film with low crystallinity or a film including an amorphous structure has high flatness, and the interface with another film to be stacked can be in a good state.

絶縁膜252Aに用いることができる結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、成膜温度がR.T以上200℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、成膜することができる。なお、成膜温度は、好ましくは130℃以下、さらに好ましくはR.T(R.Tとは、意図的に加熱しない温度とする)とするとよい。また、酸素を含む混合雰囲気としては、酸素と希ガスとの混合ガス、または酸素と窒素との混合ガスを用いることができる。   The oxide film having low crystallinity or an amorphous structure that can be used for the insulating film 252A has a film forming temperature of R.V. A film can be formed by a sputtering method in a mixed atmosphere containing T and 200 ° C. and oxygen. The film forming temperature is preferably 130 ° C. or less, more preferably R. It is preferable that T (RT be a temperature at which heating is not intentionally performed). Further, as a mixed atmosphere containing oxygen, a mixed gas of oxygen and a rare gas, or a mixed gas of oxygen and nitrogen can be used.

成膜温度が200℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ(RMS)が、1μm×1μmの測定範囲において、0.4nm以下、好ましくは0.3nm以下である絶縁体222を成膜することができる。また、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、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絶縁膜252Aを成膜することができる。   The root mean square surface roughness (RMS) measured using an atomic force microscope by a sputtering method in a mixed atmosphere containing a film forming temperature of 200 ° C. or lower and oxygen in a measurement range of 1 μm × 1 μm: 0. An insulator 222 which is 4 nm or less, preferably 0.3 nm or less can be formed. In addition, it is possible to form the insulating film 252A in which a region with high luminance is observed (in a ring shape) as a result of an electron beam diffraction pattern using an electron microscope draws a circle.

また、絶縁膜252Aとして金属酸化物を、酸素を含む雰囲気において、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁膜250Aに酸素を添加し、絶縁膜250Aに過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜250Aに添加された過剰酸素は、酸化物230に酸素を供給することで、酸素欠損を補償することができる。   Further, by forming a metal oxide film as the insulating film 252A by sputtering in an atmosphere containing oxygen, oxygen can be added to the insulating film 250A to form an excess oxygen region in the insulating film 250A. . The excess oxygen added to the insulating film 250A can compensate for oxygen vacancies by supplying oxygen to the oxide 230.

ここで、スパッタリング法による絶縁膜252Aの成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。   Here, when forming the insulating film 252A by sputtering, ions and sputtered particles exist between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power supply and given a potential E0. Further, the substrate is given a potential E1 such as a ground potential. However, the substrate may be electrically floating. In addition, there is a region of potential E2 between the target and the substrate. The magnitude relationship of each potential is E2> E1> E0.

プラズマ内のイオンが、電位差E2−E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁膜250A、および絶縁体224に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2−E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁膜250A、および絶縁体224内部まで到達する。イオンが絶縁膜250A、および絶縁体224に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁膜250A、および絶縁体224に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁膜250A、および絶縁体224に過剰酸素領域が形成される。   Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target to repel particles sputtered from the target. The sputtered particles adhere to and deposit on the film formation surface to form a film. Further, some ions are recoiled by the target, pass through the formed film through the film formed as recoil ions, and are taken into the insulating film 250A in contact with the deposition surface and the insulator 224. There is a case. Further, ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E1 and strike the film formation surface. At this time, some ions reach the inside of the insulating film 250A and the insulator 224. By the ions being taken into the insulating film 250A and the insulator 224, regions into which the ions are taken are formed in the insulating film 250A and the insulator 224. That is, in the case where the ion is an ion containing oxygen, an excess oxygen region is formed in the insulating film 250A and the insulator 224.

絶縁膜250A、および絶縁体224に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜250A、および絶縁体224の過剰な酸素は、酸化物230に供給され、酸化物230の酸素欠損が補填することができる。   By introducing excess oxygen into the insulating film 250A and the insulator 224, an excess oxygen region can be formed. Excess oxygen in the insulating film 250A and the insulator 224 can be supplied to the oxide 230 so that oxygen vacancies in the oxide 230 can be compensated.

従って、絶縁膜252Aを成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁膜252Aを成膜しながら、絶縁膜250A、および絶縁体224に酸素を導入することができる。特に、絶縁膜252Aに、バリア性を有するアルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることで、絶縁体250に導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。   Therefore, as a method for forming the insulating film 252A, oxygen is added to the insulating film 250A and the insulator 224 while forming the insulating film 252A by performing film formation under an oxygen gas atmosphere using a sputtering apparatus. It can be introduced. In particular, by using an oxide of one or both of aluminum and hafnium having a barrier property for the insulating film 252A, excess oxygen introduced into the insulator 250 can be effectively contained.

続いて、導電膜260A、および導電膜260Bを成膜する。導電膜260A、および導電膜260Bは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて成膜することができる。本実施の形態では、導電膜260Aとして、CVD法によって窒化チタンを成膜し、導電膜205Bとして、CVD法によってタングステンを成膜する。   Subsequently, the conductive film 260A and the conductive film 260B are formed. The conductive film 260A and the conductive film 260B 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 mode, titanium nitride is formed by a CVD method as the conductive film 260A, and tungsten is formed by a CVD method as the conductive film 205B.

続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、絶縁体252から、絶縁体250、および絶縁体224に過剰酸素が添加され、絶縁体250、および絶縁体224に過剰酸素領域を容易に形成することができる。   Subsequently, heat treatment can be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. Note that heat treatment may not be performed in some cases. By this heat treatment, excess oxygen is added to the insulator 250 and the insulator 224 from the insulator 252, so that an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 250 and the insulator 224.

絶縁膜270Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて成膜することができる。絶縁膜270Aは、バリア膜として機能するため、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体260の酸化を防ぐことができる。また、導電体260および絶縁体250を介して、水または水素などの不純物が酸化物230に混入することを防ぐことができる。本実施の形態では、絶縁膜270Aとして、ALD法によって酸化アルミニウムを成膜する。   The insulating film 270A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. The insulating film 270A functions as a barrier film and thus uses an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. Thereby, the oxidation of the conductor 260 can be prevented. Further, impurities such as water or hydrogen can be prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 260 and the insulator 250. In this embodiment mode, aluminum oxide is deposited as the insulating film 270A by an ALD method.

絶縁膜271Aは、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて成膜することができる。ここで、絶縁膜271Aの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜272Aの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体272を形成する際、導電体260の上に絶縁体271を、容易に残存させることができる。本実施の形態では、絶縁膜271Aとして、CVD法によって酸化シリコンを成膜する。   The insulating film 271A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Here, the thickness of the insulating film 271A is preferably larger than that of the insulating film 272A which is to be formed in a later step. Thus, when the insulator 272 is formed in a later step, the insulator 271 can be easily left over the conductor 260. In this embodiment, a silicon oxide film is formed as the insulating film 271A by a CVD method.

次に、絶縁膜271Aを、エッチングし、絶縁体271を形成する。ここで、絶縁体271は、ハードマスクとして機能する。絶縁体271を設けることで、絶縁体250の側面、導電体260aの側面、導電体260bの側面、および絶縁体270の側面を、基板に対し、概略垂直に形成することができる。   Next, the insulating film 271A is etched to form an insulator 271. Here, the insulator 271 functions as a hard mask. By providing the insulator 271, the side surface of the insulator 250, the side surface of the conductor 260a, the side surface of the conductor 260b, and the side surface of the insulator 270 can be formed substantially perpendicular to the substrate.

絶縁体271をマスクとして、絶縁膜250A、絶縁膜252A、導電膜260A、導電膜260B、絶縁膜270Aを、エッチングし、酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)絶縁体250、絶縁体252、導電体260(導電体260a、および導電体260b)、および絶縁体270を形成する(図9参照。)。絶縁体250、絶縁体252、導電体260a、導電体260b、絶縁体270、および絶縁体271は、少なくとも一部が、導電体205および酸化物230と重なるように形成する。   With the insulator 271 as a mask, the insulating film 250A, the insulating film 252A, the conductive film 260A, the conductive film 260B, and the insulating film 270A are etched to form an oxide 230 (oxide 230a, oxide 230b, and oxide 230c) insulator 250, an insulator 252, a conductor 260 (conductors 260a and 260b), and an insulator 270 are formed (see FIG. 9). The insulator 250, the insulator 252, the conductor 260a, the conductor 260b, the insulator 270, and the insulator 271 are formed so as to at least partially overlap with the conductor 205 and the oxide 230.

また、絶縁体250の側面、絶縁体252の側面、導電体260aの側面、導電体260bの側面、および絶縁体270の側面は、同一面内であることが好ましい。   The side surface of the insulator 250, the side surface of the insulator 252, the side surface of the conductor 260a, the side surface of the conductor 260b, and the side surface of the insulator 270 are preferably in the same plane.

また、絶縁体250の側面、絶縁体252の側面、導電体260aの側面、導電体260bの側面、および絶縁体270の側面が共有する同一面は、基板に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、絶縁体250、絶縁体252、導電体260a、導電体260b、および絶縁体270は、酸化物230の上面に対する角度が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、絶縁体250、絶縁体252、導電体260a、導電体260b、および絶縁体270の側面と、酸化物230の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、絶縁体250、導電体260a、導電体260b、および絶縁体270の側面と、酸化物230の上面のなす角は大きいほど好ましい。   Preferably, the side surface of the insulator 250, the side surface of the insulator 252, the side surface of the conductor 260a, the side surface of the conductor 260b, and the same surface shared by the side surface of the insulator 270 are substantially perpendicular to the substrate. . That is, in the cross-sectional shape, the insulator 250, the insulator 252, the conductor 260a, the conductor 260b, and the insulator 270 preferably have larger acute angles with respect to the top surface of the oxide 230. Note that in the cross-sectional shape, an angle between the side surface of the insulator 250, the insulator 252, the conductor 260a, the conductor 260b, and the insulator 270 and the top surface of the oxide 230 may be acute. In that case, the larger the angle between the side surfaces of the insulator 250, the conductor 260a, the conductor 260b, and the insulator 270, and the top surface of the oxide 230, the better.

なお、上記加工後も、当該ハードマスク(絶縁体271)は除去せずに後工程を進めてもよい。その場合、絶縁体271は、後工程で実施されるドーパントの添加においてもハードマスクとして機能することができる。   Note that, even after the above processing, the post-process may be advanced without removing the hard mask (insulator 271). In that case, the insulator 271 can function as a hard mask also in the addition of a dopant performed in a later step.

また、上記エッチングにより、酸化物230bの絶縁体250と重ならない領域の上部がエッチングされる場合がある。この場合、酸化物230bの絶縁体250と重なる領域の膜厚が、絶縁体250と重ならない領域の膜厚より厚くなる場合がある。   In addition, the upper portion of the region which does not overlap with the insulator 250 in the oxide 230 b may be etched by the above etching. In this case, the thickness of a region of the oxide 230 b overlapping with the insulator 250 may be larger than the thickness of a region not overlapping with the insulator 250.

次に、酸化物230c、絶縁体250、絶縁体252、導電体260、絶縁体270、および絶縁体271を覆って、絶縁膜272Aを成膜する(図10参照。)。絶縁膜272Aとして、被覆性に優れたALD法により成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、導電体260などにより形成された段差部においても、絶縁体250、導電体260、および絶縁体270の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜272Aを形成することができる。   Next, an insulating film 272A is formed to cover the oxide 230c, the insulator 250, the insulator 252, the conductor 260, the insulator 270, and the insulator 271 (see FIG. 10). It is preferable that the insulating film 272A be formed by an ALD method excellent in coverage. By using the ALD method, the insulating film 272A having a uniform thickness is formed on the side surfaces of the insulator 250, the conductor 260, and the insulator 270 also in the stepped portion formed by the conductor 260 or the like. be able to.

次に、絶縁膜272Aに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体250、導電体260、および絶縁体270の側面に接して、絶縁体272を形成する(図11参照。)。異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された該絶縁膜を除去して、絶縁体272を自己整合的に形成することができる。   Next, the insulating film 272A is anisotropically etched to form the insulator 272 in contact with the insulator 250, the conductor 260, and the side surface of the insulator 270 (see FIG. 11). As the anisotropic etching treatment, dry etching treatment is preferably performed. Thus, the insulator 272 can be formed in a self-aligned manner by removing the insulating film formed on a surface substantially parallel to the substrate surface.

ここで、絶縁体270上に絶縁体271を形成しておくことで、絶縁体270上部の絶縁膜272Aが除去されても、絶縁体270を残存させることができる。また、絶縁体250、導電体260、絶縁体270、および絶縁体271からなる構造体の高さを、酸化物230a、酸化物230b、および酸化膜230Cの高さよりも、高くすることで、酸化膜230Cを介した酸化物230a、酸化物230bの側面の絶縁膜272Aを、除去することができる。さらに、酸化物230a、酸化物230bの端部をラウンド形状にしておくと、酸化物230a、酸化物230bの側面に、酸化膜230Cを介して成膜された絶縁膜272Aを除去するための時間が短縮され、より容易に絶縁体272を形成することができる。   Here, by forming the insulator 271 on the insulator 270, the insulator 270 can be left even if the insulating film 272A on the top of the insulator 270 is removed. Further, oxidation is performed by setting the height of the structure including the insulator 250, the conductor 260, the insulator 270, and the insulator 271 higher than the height of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide film 230C. The insulating film 272A on the side surface of the oxide 230a and the oxide 230b through the film 230C can be removed. Further, when the end portions of the oxide 230a and the oxide 230b are rounded, it is possible to remove the insulating film 272A formed on the side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b via the oxide film 230C. Can be shortened and the insulator 272 can be formed more easily.

また、図示しないが、酸化物230の側面にも絶縁膜272Aが残存していてもよい。その場合、後の工程で成膜する層間膜などの被膜性を高めることができる。また、酸化物230の側面に絶縁体が残存することで、酸化物230に混入する水または水素などの不純物を低減し、酸化物230から酸素が外方拡散するのを防ぐことができる場合がある。   Although not shown, the insulating film 272A may remain on the side surface of the oxide 230. In that case, the film formability of an interlayer film or the like to be formed in a later step can be enhanced. In addition, by the insulator remaining on the side surface of the oxide 230, impurities such as water or hydrogen mixed in the oxide 230 can be reduced, and the outward diffusion of oxygen from the oxide 230 can be prevented. is there.

また、酸化物230の側面に接して絶縁膜272Aの残存した構造体が形成されていることで、後の工程で、不純物となる元素を含む絶縁体274を成膜し、酸化物230に領域231a、および領域231bを形成する場合、絶縁体224と酸化物230との界面領域は、低抵抗化されないため、リーク電流の発生を抑制することができる。または、酸化物230にインジウムを添加する際に、酸化物230aに濃度のピークを持つように、ドーパントを添加したとしても、酸化物230aを介したリーク電流の発生を抑制することができる。   Further, a structure in which the insulating film 272A is left is formed in contact with the side surface of the oxide 230, so that an insulator 274 containing an element to be an impurity is formed in a later step. In the case where the region 231 a and the region 231 b are formed, the interface region between the insulator 224 and the oxide 230 is not reduced in resistance; therefore, generation of a leakage current can be suppressed. Alternatively, when indium is added to the oxide 230, even when a dopant is added to have a concentration peak in the oxide 230a, the generation of leakage current through the oxide 230a can be suppressed.

なお、当該異方性エッチングは、後述するドーパントの添加後に行っても良い。この場合、ドーパントは、絶縁膜272Aを介して酸化物230に添加される。   The anisotropic etching may be performed after the addition of a dopant described later. In this case, the dopant is added to the oxide 230 through the insulating film 272A.

続いて、酸化物230において、領域231、領域232、および領域234を形成する。領域231、および領域232は、酸化物230として設けられた金属酸化物に、インジウム、ガリウムなどの金属原子、または不純物を添加した領域である。なお、領域231は、少なくとも、領域234における酸化物230bよりも、導電性が高い。   Subsequently, in the oxide 230, a region 231, a region 232, and a region 234 are formed. The regions 231 and 232 are regions in which metal atoms such as indium and gallium or impurities are added to a metal oxide provided as the oxide 230. Note that the region 231 is higher in conductivity than at least the oxide 230 b in the region 234.

領域231、および領域232に、不純物を添加するために、例えば、インジウム、またはガリウムなどの金属元素、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。なお、ドーパントとしては、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。   In order to add an impurity to the regions 231 and 232, for example, a metal element such as indium or gallium and a dopant which is at least one of the impurities may be added. Note that as the dopant, an element that forms the above-described oxygen vacancy, an element that is captured by the oxygen vacancy, or the like may be used. For example, as the element, hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, a rare gas and the like can be mentioned. Further, helium, neon, argon, krypton, xenon and the like can be given as typical examples of the rare gas element.

例えば、領域231、および領域232に、不純物を添加するために、ドーパントを含む膜を絶縁体274として、領域231に接して成膜するとよい。絶縁体274は、上記元素の一種、または複数種を含む絶縁膜を用いることが好ましい(図12参照。)。   For example, in order to add an impurity to the region 231 and the region 232, a film containing a dopant may be formed as the insulator 274 in contact with the region 231. As the insulator 274, an insulating film containing one or more of the above elements is preferably used (see FIG. 12).

具体的には、酸化物230に接して、窒素などの不純物となる元素を含む絶縁体274を成膜するとよい。窒素などの不純物となる元素を含む絶縁体は、酸化物230に含まれる酸素を引き抜き、吸収する場合がある。酸化物230から、酸素が引き抜かれると、領域231、および領域232には酸素欠損が生じる。該酸素欠損に、絶縁体274の成膜や成膜後の熱処理により、絶縁体274の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素などの不純物元素が捕獲され、領域231、および領域232は低抵抗化する。つまり、酸化物230は、絶縁体274と接する領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。その際、絶縁体274と接しない領域232にも不純物が拡散することで、低抵抗化すると考えられる。   Specifically, an insulator 274 containing an element serving as an impurity such as nitrogen may be formed in contact with the oxide 230. An insulator including an element which is an impurity such as nitrogen may extract and absorb oxygen contained in the oxide 230. When oxygen is extracted from the oxide 230, oxygen vacancies in the regions 231 and 232 are generated. In the oxygen vacancies, an impurity element such as hydrogen or nitrogen contained in a deposition atmosphere of the insulator 274 is captured by deposition of the insulator 274 or heat treatment after deposition, and the regions 231 and 232 have low resistance. Turn That is, in the oxide 230, an oxygen vacancy is formed by the added impurity element mainly in a region in contact with the insulator 274, and the impurity element further enters the oxygen vacancy, so that the carrier density becomes high and resistance is reduced. Be done. At that time, it is considered that the resistance is reduced by the diffusion of the impurity also into the region 232 which is not in contact with the insulator 274.

従って、絶縁体274の成膜により、ソース領域およびドレイン領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。   Therefore, by formation of the insulator 274, the source and drain regions can be formed in a self-aligned manner. Therefore, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can also be manufactured with high yield.

ここで、導電体260、絶縁体252および絶縁体250の上面および側面を、絶縁体270および絶縁体272で覆っておくことで、窒素または水素などの不純物元素が、導電体260、絶縁体252および絶縁体250に混入することを防ぐことができる。これにより、窒素または水素などの不純物元素が、導電体260、絶縁体252および絶縁体250を通って、トランジスタ200のチャネル形成領域として機能する領域234に混入することを防ぐことができる。従って、良好な電気特性を有するトランジスタ200を提供することができる。   Here, by covering the top surfaces and the side surfaces of the conductor 260, the insulator 252, and the insulator 250 with the insulator 270 and the insulator 272, an impurity element such as nitrogen or hydrogen can be contained in the conductor 260 and the insulator 252. And the insulator 250 can be prevented. Accordingly, impurity elements such as nitrogen or hydrogen can be prevented from entering the region 234 which functions as a channel formation region of the transistor 200 through the conductor 260, the insulator 252, and the insulator 250. Thus, the transistor 200 having favorable electrical characteristics can be provided.

例えば、絶縁体274として、CVD法を用いて成膜した、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコンを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体274として、窒化酸化シリコンを用いる。   For example, as the insulator 274, silicon nitride, silicon nitride oxide, or silicon oxynitride which is formed by a CVD method can be used. In this embodiment, silicon nitride oxide is used as the insulator 274.

絶縁体274として、窒化酸化シリコンを用いた場合、領域231a、および領域231bは、領域234より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)などを用いて測定すればよい。ここで、領域234の水素または窒素の濃度としては、酸化物230bの絶縁体250と重なる領域の中央近傍(例えば、酸化物230bの絶縁体250のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分)の水素または窒素の濃度を測定すればよい。   In the case where silicon nitride oxide is used as the insulator 274, the concentration of at least one of hydrogen and nitrogen is preferably higher in the regions 231a and 231b than in the region 234. The concentration of hydrogen or nitrogen may be measured using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like. Here, as the concentration of hydrogen or nitrogen in the region 234, the vicinity of the center of the region of the oxide 230b overlapping with the insulator 250 (for example, the distances from both sides in the channel length direction of the insulator 250 of the oxide 230b are approximately equal The concentration of hydrogen or nitrogen in part) may be measured.

なお、上記において、絶縁体274の成膜による酸化物230の低抵抗化、を用いて、領域231、領域232、および領域234を形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。   Note that although the region 231, the region 232, and the region 234 are formed by using the reduction in resistance of the oxide 230 by film formation of the insulator 274 in the above description, this embodiment is not limited to this. .

他のドーパントの添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。   Other dopant addition methods include an ion implantation method in which the ionized source gas is separated by mass separation, an ion doping method in which the ionized source gas is added without mass separation, and a plasma immersion ion implantation method. It can be used. When mass separation is performed, the added ion species and its concentration can be strictly controlled. On the other hand, when mass separation is not performed, high concentration ions can be added in a short time. Alternatively, an ion doping method may be used which generates and ionizes clusters of atoms or molecules. Note that the dopant may be rephrased as an ion, a donor, an acceptor, an impurity, an element, or the like.

また、ドーパントは、プラズマ処理にて添加されてもよい。この場合、プラズマCVD装置、ドライエッチング装置、アッシング装置を用いてプラズマ処理を行い、の領域231、および領域232にドーパントを添加することができる。なお、上述した処理を複数組み合わせて、各領域などを形成してもよい。   The dopant may also be added by plasma treatment. In this case, the plasma treatment can be performed using a plasma CVD apparatus, a dry etching apparatus, and an ashing apparatus, and a dopant can be added to the region 231 and the region 232. Note that each region or the like may be formed by combining a plurality of the above-described processes.

例えば、領域231は、上述の酸素欠損を形成する元素、酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。または、例えば、領域231において、インジウムなどの金属元を添加し、酸化物230のインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。なお、インジウムを添加する場合、少なくとも領域231における元素Mに対するインジウムの原子数比が、領域234の元素Mに対するインジウムの原子数比よりも大きくなる。   For example, in the region 231, the carrier density can be increased and resistance can be reduced by increasing the content of the element forming the above-described oxygen vacancy and the element trapped in the oxygen vacancy. Alternatively, for example, by adding a metal source such as indium in the region 231 and increasing the content of metal atoms such as indium in the oxide 230, electron mobility can be increased and resistance can be reduced. . Note that in the case where indium is added, the atomic ratio of indium to the element M in at least the region 231 is larger than the atomic ratio of indium to the element M in the region 234.

また、例えば、領域232は、ガリウムの含有率を高くすることで、領域231に添加された水素などの不純物の拡散を抑制することで、意図しない実行チャネル長の縮小を抑制することができる。   Further, for example, by increasing the gallium content in the region 232, the reduction of the unintended execution channel length can be suppressed by suppressing the diffusion of the impurity such as hydrogen added to the region 231.

また、例えば、絶縁体250、絶縁体252、導電体260、絶縁体272、絶縁体270、および絶縁体271をマスクとして、酸化物230にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理は、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素を含む雰囲気などで行えばよい。例えば、アルゴンガスと窒素ガスを用いてプラズマ処理を行えばよい。   Alternatively, for example, the oxide 230 may be subjected to plasma treatment using the insulator 250, the insulator 252, the conductor 260, the insulator 272, the insulator 270, and the insulator 271 as masks. The plasma treatment may be performed in an atmosphere containing the above-described element that forms oxygen vacancies, or an element captured by oxygen vacancies. For example, plasma treatment may be performed using argon gas and nitrogen gas.

また、例えば、絶縁膜272Aを成膜した後、絶縁膜272Aを介して、イオンドーピング法により、ドーパントを添加してもよい。絶縁膜272Aは、酸化物230、絶縁体250、導電体260、絶縁体270を覆って設けられている。従って、酸化物230の上面に対する垂直方向において、絶縁膜272Aの膜厚は、絶縁体250、導電体260、絶縁体270の側周辺と、その他の領域において異なる。つまり、絶縁膜272Aの膜厚は、絶縁体250、導電体260、絶縁体270の側周辺では、その他の領域よりも大きい。つまり、絶縁膜272Aを介して、ドーパントを添加することで、チャネル長が10nmから30nm程度に微細化されたトランジスタでも、自己整合的に、領域231、領域232を設けることができる。また、領域232は、後工程で行う熱処理などの工程において、領域231のドーパントが拡散することにより、形成されてもよい。   Alternatively, for example, after the insulating film 272A is formed, a dopant may be added by an ion doping method through the insulating film 272A. The insulating film 272A is provided to cover the oxide 230, the insulator 250, the conductor 260, and the insulator 270. Therefore, in the direction perpendicular to the top surface of the oxide 230, the film thickness of the insulating film 272A is different in the insulator 250, the conductor 260, the periphery of the insulator 270, and the other regions. That is, the film thickness of the insulating film 272A is larger in the periphery of the insulator 250, the conductor 260, and the insulator 270 than in the other regions. That is, by adding a dopant through the insulating film 272A, the regions 231 and 232 can be provided in a self-aligned manner even in a transistor whose channel length is miniaturized to about 10 nm to 30 nm. Further, the region 232 may be formed by diffusion of the dopant in the region 231 in a step such as heat treatment performed in a later step.

トランジスタ200において、および領域232を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域231と、チャネルが形成される領域234との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域232を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。また、領域232を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。   In the transistor 200 and the provision of the region 232, a high resistance region is not formed between the region 231 functioning as a source region and a drain region and the region 234 where a channel is formed; You can increase the degree. Further, with the region 232, since the source region and the drain region do not overlap with the gate in the channel length direction, formation of unnecessary capacitance can be suppressed. Further, by including the region 232, leakage current in non-conduction can be reduced.

従って、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。   Therefore, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics meeting the requirements according to the circuit design.

続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、添加されたドーパントが、酸化物230の領域232へと拡散し、オン電流を大きくすることができる。   Subsequently, heat treatment can be performed. The heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment. By heat treatment, the added dopant can be diffused into the region 232 of the oxide 230 and the on-state current can be increased.

次に、絶縁体274の上に、絶縁体280を成膜する。絶縁体280の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。または、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、ロールコーター法またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、該絶縁膜として、酸化窒化シリコンを用いる。   Next, the insulator 280 is formed over the insulator 274. The insulator 280 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 inkjet method), a printing method (such as screen printing or offset printing), a doctor knife method, a roll coater method, a curtain coater method, or the like can be used. In this embodiment mode, silicon oxynitride is used as the insulating film.

次に、絶縁体280の一部を除去する。絶縁体280は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体280は、絶縁体280となる絶縁膜として成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体280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。本実施の形態では、平坦化処理として、CMP処理を用いる。ただし、絶縁体280の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。   Next, part of the insulator 280 is removed. The insulator 280 is preferably formed to have a flat top surface. For example, the top surface of the insulator 280 may have flatness immediately after being deposited as an insulating film to be the insulator 280. Alternatively, for example, the insulator 280 may have flatness by removing the insulator or the like from the top surface so as to be parallel to a reference surface such as the back surface of the substrate after film formation. Such processing is called planarization processing. The planarization process includes a CMP process, a dry etching process, and the like. In this embodiment, a CMP process is used as the planarization process. However, the upper surface of the insulator 280 may not necessarily have flatness.

次に、絶縁体280および絶縁体274に、酸化物230の領域231aに達する開口と、酸化物230の領域231bに達する開口と、を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体240a、および導電体240bが酸化物230の側面に接して設けられるように、酸化物230に達する開口において、酸化物230の側面が露出するように、当該開口を形成する。   Next, in the insulator 280 and the insulator 274, an opening reaching the region 231a of the oxide 230 and an opening reaching the region 231b of the oxide 230 are formed. The formation of the opening may be performed using a lithography method. Note that the opening is formed so as to expose the side surface of the oxide 230 in the opening reaching the oxide 230 so that the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided in contact with the side surface of the oxide 230.

次に、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。   Next, a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed. The conductive film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、CMP処理を行うことで、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体280を露出する。その結果、上記開口のみに、該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体240a、および導電体240bを形成することができる(図13参照。)。   Next, CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b, thereby exposing the insulator 280. As a result, since the conductive film remains only in the opening, the conductor 240a and the conductor 240b whose top surface is flat can be formed (see FIG. 13).

以上により、トランジスタ200を有する半導体装置を作製することができる。図5乃至図13に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ200を作成することができる。   Through the above steps, a semiconductor device including the transistor 200 can be manufactured. As illustrated in FIGS. 5 to 13, the transistor 200 can be formed by using the method for manufacturing a semiconductor device described in this embodiment.

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を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a transistor with large on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high productivity can be provided.

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.

<半導体装置の変形例>
以下では、図14、図15、および図16を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
<Modification Example of Semiconductor Device>
Hereinafter, an example of a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14, 15, and 16.

図14(A)、図15(A)、および図16(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図14(B)、図14(C)、図15(B)、図15(C)、図16(B)、および図16(C)は該半導体装置の断面図である。ここで、図14(B)、図15(B)、または図16(B)は、図14(A)、図15(A)、または図16(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200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図14(C)、図15(C)、または図16(C)は、図14(A)、図15(A)、または図16(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200のチャネル幅方向の断面図でもある。図14(A)、図15(A)、および図16(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。   14A, 15A, and 16A are top views of a semiconductor device including the transistor 200. FIG. 14B, 14C, 15B, 15C, 16B, and 16C are cross-sectional views of the semiconductor device. Here, FIG. 14 (B), FIG. 15 (B), or FIG. 16 (B) is indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 14 (A), FIG. 15 (A), or FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view of a portion, and also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction. Further, FIG. 14C, FIG. 15C, or FIG. 16C is a portion shown by an alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG. 14A, FIG. 15A, or FIG. And a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. In the top views of FIG. 14A, FIG. 15A, and FIG. 16A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

なお、図14、図15(A)、および図16(A)に示す半導体装置において、<半導体装置の構成例>に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。   In the semiconductor devices shown in FIGS. 14, 15A and 16A, the same reference numerals are applied to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor device shown in <Configuration Example of Semiconductor Device>. Note.

以下、トランジスタ200の構成についてそれぞれ図14、図15(A)、および図16(A)を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ200の構成材料については<半導体装置の構成例>で詳細に説明した材料を用いることができる。   Hereinafter, the structure of the transistor 200 is described with reference to FIGS. 14, 15A, and 16A. Note that also in this item, as a constituent material of the transistor 200, any of the materials described in detail in <Configuration Example of Semiconductor Device> can be used.

[半導体装置の変形例1]
図14に示すように、トランジスタ200は、<半導体装置の構成例1>に示した半導体装置とは、少なくとも絶縁体273を有することが異なる。
[Modification 1 of Semiconductor Device]
As illustrated in FIG. 14, the transistor 200 is different from the semiconductor device described in <Structural Example 1 of Semiconductor Device> in that at least the insulator 273 is included.

具体的には、図14に示すように、絶縁体224、酸化物230、絶縁体272、および絶縁体271と、絶縁体274との間に、絶縁体273を有する。   Specifically, as illustrated in FIG. 14, the insulator 273 is provided between the insulator 224, the oxide 230, the insulator 272, and the insulator 271, and the insulator 274.

図14に示すように、絶縁体274と、酸化物230との間に絶縁体273を設けることで、絶縁体274を成膜した際に拡散するドーパントの量を調整することができる。従って、絶縁体273の膜厚、および材料は、求めるトランジスタの性能により、適宜設計すればよい。   By providing the insulator 273 between the insulator 274 and the oxide 230 as shown in FIG. 14, the amount of dopant diffused when the insulator 274 is formed can be adjusted. Therefore, the thickness and material of the insulator 273 may be designed as appropriate depending on the desired performance of the transistor.

例えば、絶縁体273として、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体273の膜厚を薄くすることができる。具体的には、絶縁体273の膜厚は、0.5nm以上、1.2nm以下であることが好ましい。   For example, as the insulator 273, an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen can be used. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. Thus, the thickness of the insulator 273 can be reduced. Specifically, the thickness of the insulator 273 is preferably 0.5 nm or more and 1.2 nm or less.

なお、絶縁体273は、ALD法により成膜するとよい。ALD法を用いることで、被膜性が高い絶縁体273を成膜することができる。   Note that the insulator 273 may be formed by an ALD method. By using the ALD method, the insulator 273 with high filmability can be formed.

また、絶縁体273を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、絶縁体272の側面を覆うことで、絶縁体272のバリア性を強化することができる。これにより、導電体260、絶縁体250および絶縁体252を介して、水または水素などの不純物が酸化物230に混入することを防ぐことができる。従って、絶縁体273は、ゲート電極およびゲート絶縁膜の側面を保護するサイドバリアとして機能を有する。   In addition, by providing the insulator 273, the barrier property of the insulator 272 is enhanced by covering the side surface of the insulator 272 with an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. be able to. Thus, impurities such as water or hydrogen can be prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 260, the insulator 250, and the insulator 252. Therefore, the insulator 273 functions as a side barrier that protects the side surfaces of the gate electrode and the gate insulating film.

[半導体装置の変形例2]
図15に示すように、トランジスタ200は、<半導体装置の構成例1>に示した半導体装置とは、少なくとも酸化物230cの形状が異なる。
[Modification 2 of Semiconductor Device]
As illustrated in FIG. 15, the transistor 200 is different from the semiconductor device described in <Structural Example 1 of Semiconductor Device> in at least the shape of the oxide 230c.

具体的には、図15に示すように、酸化物230cは、酸化物230a、および酸化物230bを覆って設ける。つまり、酸化物230bは、酸化物230a、および酸化物230cにより包囲される。当該構造とすることで、領域234において、チャネルが形成される酸化物230bに不純物が混入することを抑制することができる。   Specifically, as shown in FIG. 15, the oxide 230c is provided to cover the oxide 230a and the oxide 230b. That is, the oxide 230b is surrounded by the oxide 230a and the oxide 230c. With this structure, in the region 234, entry of impurities into the oxide 230b in which a channel is formed can be suppressed.

また、酸化物230aの側面と酸化物230bの側面は同一面上となるように、設けられていることが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aおよび酸化物230bを覆って形成されることが好ましい。例えば、酸化物230cは、酸化物230aの側面、酸化物230bの上面および側面、ならびに絶縁体224の上面の一部に接して形成される。ここで、酸化物230cを上面から見ると、酸化物230cの側面は、酸化物230aおよび酸化物230bの側面の外側に位置する。当該構造とすることで、トランジスタ200が、導電体240と電気的に接続する場合、絶縁体224上においても、酸化物230cを介して導通するため、オーミック接触が良好となる。   The side surfaces of the oxide 230 a and the side surfaces of the oxide 230 b are preferably provided so as to be on the same plane. In addition, the oxide 230c is preferably formed to cover the oxide 230a and the oxide 230b. For example, the oxide 230c is formed in contact with the side surface of the oxide 230a, the top and side surfaces of the oxide 230b, and part of the top surface of the insulator 224. Here, when the oxide 230c is viewed from the top, the side surfaces of the oxide 230c are located outside the side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b. With this structure, in the case where the transistor 200 is electrically connected to the conductor 240, electrical conduction is also performed over the insulator 224 through the oxide 230c; thus, ohmic contact is favorable.

[半導体装置の変形例3]
図16に示すように、トランジスタ200は、<半導体装置の変形例1>に示した半導体装置と、絶縁体275が設けられている点、絶縁体273の膜厚の一部が薄くなっている点、絶縁体272が設けられていない点、領域236が設けられている点などにおいて異なる。
[Modification 3 of Semiconductor Device]
As shown in FIG. 16, in the transistor 200, the semiconductor device shown in <Modified Example 1 of Semiconductor Device>, the insulator 275 is provided, and a part of the film thickness of the insulator 273 is thin. The point differs in that the insulator 272 is not provided and the region 236 is provided.

具体的には、図16に示すように、絶縁体275は、絶縁体273を介して導電体260の側面に配置される。絶縁体275は、絶縁体271に用いることができる絶縁材料を用いればよい。絶縁体275を介して、水素、または窒素などを含む膜として、絶縁体274を設けることで、絶縁体275と重畳する領域(領域234)は、水素、および窒素の添加が抑制される。また、領域232は、絶縁体275の形状、膜厚、および幅などにより、決定する。したがって、絶縁体275を適宜設計することで、水素、および窒素が拡散する領域232を制御し、トランジスタ200に求める特性を得ることができる。   Specifically, as shown in FIG. 16, the insulator 275 is disposed on the side surface of the conductor 260 via the insulator 273. As the insulator 275, an insulating material which can be used for the insulator 271 may be used. By providing the insulator 274 as a film containing hydrogen, nitrogen, or the like through the insulator 275, addition of hydrogen and nitrogen is suppressed in a region (the region 234) overlapping with the insulator 275. In addition, the region 232 is determined by the shape, the film thickness, the width, and the like of the insulator 275. Therefore, by appropriately designing the insulator 275, the region 232 in which hydrogen and nitrogen are diffused can be controlled, and the characteristics of the transistor 200 can be obtained.

また、絶縁体273が、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとして機能を兼ねていてもよい。サイドバリアとして不純物の拡散を防止するための膜厚と、バッファ層として少なくとも領域231を低抵抗化する量の不純物を拡散するための膜厚が異なる場合がある。つまり、絶縁体273は、サイドバリアとして機能する領域と、バッファ層として機能する領域とでは、求める膜厚が異なる場合がある。したがって、絶縁体273は、絶縁体273と接する領域における膜厚は、導電体260の側面、絶縁体250の側面、および絶縁体252の側面と接する膜厚よりも大きいことが好ましい。   The insulator 273 may also function as a side barrier that protects the side surfaces of the gate electrode and the gate insulator. The film thickness for preventing the diffusion of impurities as a side barrier may differ from the film thickness for diffusing an impurity in an amount to reduce resistance of at least the region 231 as a buffer layer. That is, the insulator 273 may have different thicknesses in the region functioning as a side barrier and the region functioning as a buffer layer. Therefore, the thickness of the insulator 273 in the region in contact with the insulator 273 is preferably larger than the thicknesses of the side surfaces of the conductor 260, the side surfaces of the insulator 250, and the side surfaces of the insulator 252.

また、このように絶縁体273と絶縁体275を設ける場合、絶縁体272を設けない構成にしてもよい。   In the case where the insulator 273 and the insulator 275 are provided as described above, the insulator 272 may not be provided.

また、図15に示すように、絶縁体224を島状に形成し、絶縁体273が、絶縁体224と重ならない領域で、絶縁体222と接するようにしてもよい。絶縁体222、および絶縁体273が接することで、酸化物230は、水素、または窒素の拡散を抑制する膜で封止される構造となる。したがって、酸化物230へ、絶縁体274以外の構造体から、過剰な不純物が混入することを防止することができる。   Alternatively, as shown in FIG. 15, the insulator 224 may be formed into an island shape, and the insulator 273 may be in contact with the insulator 222 in a region which does not overlap with the insulator 224. When the insulator 222 and the insulator 273 are in contact with each other, the oxide 230 has a structure sealed with a film which suppresses diffusion of hydrogen or nitrogen. Thus, excessive impurities can be prevented from entering the oxide 230 from structures other than the insulator 274.

また、酸化物230bは、導電体240と重畳する領域236(領域236a、および領域236b)を有していてもよい。領域236は、ソース領域ドレイン領域として機能する231よりも、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。トランジスタの微細化に伴い、酸化物230と導電体240との接触面積も小さくなる。領域236を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240との十分なオーミック接触を確保することができる。   The oxide 230 b may also have a region 236 (a region 236 a and a region 236 b) overlapping with the conductor 240. The region 236 is a low-resistance region in which the carrier density is higher than that of the source region 231 which functions as a drain region. As the transistor is miniaturized, the contact area between the oxide 230 and the conductor 240 also decreases. By reducing the resistance of the region 236, sufficient ohmic contact between the oxide 230 and the conductor 240 can be secured.

領域236は、上述の酸素欠損を形成する元素、酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。また、インジウムなどの金属元を添加し、領域236において、インジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。なお、インジウムを添加する場合、少なくとも領域236における元素Mに対するインジウムの原子数比が、領域234の元素Mに対するインジウムの原子数比よりも大きくなる。   In the region 236, the carrier density can be increased and resistance can be reduced by increasing the content of the element that forms the above-described oxygen vacancy and the element trapped in the oxygen vacancy. Further, by adding a metal element such as indium and increasing the content of metal atoms such as indium in the region 236, electron mobility can be increased and resistance can be reduced. Note that in the case where indium is added, the atomic ratio of indium to the element M in at least the region 236 is larger than the atomic ratio of indium to the element M in the region 234.

領域236を低抵抗化するには、酸化物230が露出する開口を、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に設け、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273をマスクとして、不純物、または金属元素を添加するとよい。   In order to reduce the resistance of the region 236, an opening through which the oxide 230 is exposed is provided in the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 273, and the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 273 are used as masks. An impurity or a metal element may be added.

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

(実施の形態3)
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ200を有する半導体装置の一例について説明する。
Third Embodiment
Hereinafter, an example of a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described.

<半導体装置の構成例>
図17(A)、図17(B)、および図17(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタ200、容量素子100、およびトランジスタ200周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、1つの容量素子、および少なくとも1つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。
<Configuration Example of Semiconductor Device>
17A, 17B, and 17C are top views and cross-sectional views of the transistor 200, the capacitor 100, and the periphery of the transistor 200 according to one embodiment of the present invention. Note that in this specification, a memory device including one capacitor and at least one transistor is referred to as a cell.

図17(A)は、トランジスタ200、および容量素子100を有するセル600の上面図である。また、図17(B)、および図17(C)はセル600の断面図である。ここで、図17(B)は、図17(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200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図17(C)は、図17(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200のチャネル幅方向の断面図でもある。図17(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. 17A is a top view of a cell 600 including the transistor 200 and the capacitor 100. FIG. 17B and 17C are cross-sectional views of the cell 600. Here, FIG. 17B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 17A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction. 17C is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 17A, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200. In the top view of FIG. 17A, some elements are omitted for clarity of the drawing.

[セル600]
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ200と、容量素子100、および層間膜として機能する絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240(導電体240a、導電体240b、導電体240c、および導電体240d)とを有する。
[Cell 600]
The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the transistor 200, the capacitor 100, and the insulator 280 which functions as an interlayer film. In addition, the transistor 200 includes the conductor 240 (the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 240c, and the conductor 240d) which is electrically connected to the transistor 200 and functions as a plug.

図17に示すセル600は、トランジスタ200と、容量素子100とを、同層に設けることで、トランジスタ200を構成する構造の一部を、容量素子100が構成する構造の一部と、併用することができる。つまり、トランジスタ200の構造の一部は、容量素子100の構造の一部として、機能する場合がある。   In the cell 600 illustrated in FIG. 17, part of the structure included in the transistor 200 is used in combination with part of the structure included in the capacitor 100 by providing the transistor 200 and the capacitor 100 in the same layer. be able to. That is, part of the structure of the transistor 200 may function as part of the structure of the capacitor 100.

また、トランジスタ200に、容量素子100の一部、または全体が、重畳することで、トランジスタ200の投影面積、および容量素子100の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。   In addition, by overlapping part or whole of the capacitor 100 with the transistor 200, the total area of the projection area of the transistor 200 and the projection area of the capacitor 100 can be reduced.

また、トランジスタ200と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する導電体240b、および導電体207(導電体207a、および導電体207b)を、容量素子100、およびトランジスタ200が重畳する領域の下部に設けることで、セル600の微細化、または高集積化が容易となる。また、導電体207は、トランジスタ200の構成である導電体205と同工程で形成できるため、工程短縮が可能となる。   The lower portion of the region where the capacitor 100 and the transistor 200 overlap with each other is a plug electrically connected to the transistor 200 or a conductor 240 b functioning as a wiring and the conductor 207 (the conductor 207 a and the conductor 207 b). By providing them, the miniaturization or high integration of the cell 600 is facilitated. In addition, since the conductor 207 can be formed in the same step as the conductor 205 which is a structure of the transistor 200, the process can be shortened.

なお、容量素子100において、必要な容量値に応じて、トランジスタ200、および容量素子100のレイアウトを適宜設計することができる。   Note that in the capacitor 100, the layout of the transistor 200 and the capacitor 100 can be designed as appropriate depending on the required capacitance value.

例えば、容量素子100の面積は、酸化物230の領域231bと、導電体120が、絶縁体130を介して重畳する面積により決定される。従って、セル600に必要な容量値が図17(A)、および図17(B)に示す容量素子100では得られない場合、酸化物230aおよび酸化物230bの領域231bにおけるA3−A4方向の幅を、酸化物230aおよび酸化物230bの領域234におけるA3−A4方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。   For example, the area of the capacitor 100 is determined by the area where the region 231 b of the oxide 230 and the conductor 120 overlap with the insulator 130 interposed therebetween. Therefore, when the capacitance value required for the cell 600 can not be obtained with the capacitor 100 shown in FIGS. 17A and 17B, the width in the direction A3-A4 in the region 231b of the oxide 230a and the oxide 230b Can be made larger than the width in the direction A3-A4 in the region 234 of the oxide 230a and the oxide 230b, the capacitance value can be increased.

また、例えば、酸化物230の領域231bにおけるA1−A2方向の長さを、導電体120におけるA1−A2方向の長さのよりも長くしてもよい。その場合、導電体240bを、絶縁体280に埋め込むことができる。つまり、酸化物230の領域231bと、導電体240bとが、酸化物230の領域231bと導電体120とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。従って、導電体240a、導電体240b、および導電体240cを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。   Further, for example, the length in the A1-A2 direction in the region 231b of the oxide 230 may be longer than the length in the A1-A2 direction of the conductor 120. In that case, the conductor 240 b can be embedded in the insulator 280. That is, the region 231 b of the oxide 230 and the conductor 240 b may be provided in contact with each other in a region where the region 231 b of the oxide 230 and the conductor 120 do not overlap. Therefore, the steps can be shortened by forming the conductor 240a, the conductor 240b, and the conductor 240c in the same step.

上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ200は、容量素子100と、同一の工程で形成する。従って、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。   With the above structure, miniaturization or high integration is possible. Also, the degree of freedom in design can be increased. Further, the transistor 200 and the capacitor 100 are formed in the same step. Therefore, since the process can be shortened, the productivity can be improved.

[トランジスタ200]
トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図17に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
[Transistor 200]
The structure of the transistor 200 may be a transistor included in the semiconductor device described in the above embodiment. The transistor 200 illustrated in FIG. 17 is an example, and is not limited to the structure. An appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.

[容量素子100]
図17に示すように、容量素子100は、トランジスタ200と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ200の酸化物230に設けられた領域231bを、容量素子100の電極の一方として機能する容量素子100の例について示す。
[Capacitance element 100]
As illustrated in FIG. 17, the capacitor 100 has a structure common to that of the transistor 200. In this embodiment, the region 231 b provided in the oxide 230 of the transistor 200 is described as an example of the capacitor 100 functioning as one of the electrodes of the capacitor 100.

容量素子100は、酸化物230の領域231b、領域231上に絶縁体130、絶縁体130上に導電体120を有する。さらに、絶縁体130の上に、少なくとも一部が酸化物230の領域231bと重なるように、導電体120が配置されることが好ましい。   The capacitor 100 includes the insulator 130 over the region 231 b of the oxide 230 and the region 231, and the conductor 120 over the insulator 130. Furthermore, the conductor 120 is preferably disposed over the insulator 130 so that at least a portion of the conductor 130 overlaps with the region 231 b of the oxide 230.

酸化物230の領域231bは、容量素子100の電極の一方として機能し、導電体120は容量素子100の電極の他方として機能する。絶縁体130は容量素子100の誘電体として機能する。酸化物230の領域231bは低抵抗化されており、導電性酸化物である。従って、容量素子100の電極の一方として機能することができる。   The region 231 b of the oxide 230 functions as one of the electrodes of the capacitor 100, and the conductor 120 functions as the other of the electrodes of the capacitor 100. The insulator 130 functions as a dielectric of the capacitor 100. The region 231 b of the oxide 230 is low in resistance and is a conductive oxide. Therefore, it can function as one of the electrodes of the capacitor 100.

なお、絶縁体274を加工することで、絶縁体130を設けてもよい。また、絶縁体130(絶縁体274)は、トランジスタ200、および絶縁体224と接して残存していてもよい。   Note that the insulator 130 may be provided by processing the insulator 274. The insulator 130 (insulator 274) may be left in contact with the transistor 200 and the insulator 224.

また、イオンドーピング法、またはプラズマ処理などにより、酸化物230の領域231にドーパントを添加することで、絶縁体274を設けず、誘電体として別途、絶縁体130を設けてもよい。絶縁体130は、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化窒化シリコンを単層または積層で用いればよい。   Alternatively, a dopant may be added to the region 231 of the oxide 230 by an ion doping method, plasma treatment, or the like to separately provide the insulator 130 as a dielectric without providing the insulator 274. For the insulator 130, for example, aluminum oxide or silicon oxynitride may be used in a single layer or stacked layers.

導電体120は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体120は積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。   The conductor 120 is preferably made of a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Although not shown, the conductor 120 may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.

<セルアレイの構造>
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図18、および図19に示す。例えば、図17に示すトランジスタ200、および容量素子100を有するセル600を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
<Structure of Cell Array>
Here, an example of a cell array according to the present embodiment is shown in FIGS. 18 and 19. For example, a cell array can be formed by arranging the transistor 200 illustrated in FIG. 17 and the cell 600 including the capacitor 100 in a matrix or matrix.

図18(A)は、図17に示すセル600を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図18(A)においては、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のBL(BL01、BL02、BL03)と電気的に接続する。また、当該BLは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル600が有するトランジスタの第1のゲートは、異なるWL(WL01乃至WL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。   FIG. 18A is a circuit diagram showing one form in which the cells 600 shown in FIG. 17 are arranged in a matrix. In FIG. 18A, one of the source and the drain of the transistor included in the cell 600 adjacent in the row direction is electrically connected to a common BL (BL01, BL02, BL03). In addition, the BL is also electrically connected to one of the source and the drain of a transistor included in a cell in the column direction. On the other hand, first gates of the transistors included in the cells 600 adjacent in the row direction are electrically connected to different WLs (WL01 to WL06). In addition, the second gate BG may be provided in a transistor included in each cell 600. The potential applied to BG can control the threshold of the transistor. In addition, a first electrode of a capacitor included in the cell 600 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor. At this time, the first electrode of the capacitor may be part of a structure that constitutes a transistor. In addition, the second electrode of the capacitor included in the cell 600 is electrically connected to PL.

図18(B)は、図18(A)における、行の一部としてWL04とBL02に電気的に接続されたセル600a、およびWL03とBL02に電気的に接続されたセル600bを含む回路620を抜き出した断面図である。図18(B)は、セル600a、およびセル600bの断面図を示す。   18B shows a circuit 620 including the cell 600a electrically connected to WL04 and BL02 as part of a row, and the cell 600b electrically connected to WL03 and BL02 in FIG. 18A. FIG. FIG. 18B shows a cross-sectional view of the cell 600a and the cell 600b.

セル600aは、トランジスタ200aおよび容量素子100aを有している。セル600bは、トランジスタ200bおよび容量素子100bを有している。   The cell 600a includes a transistor 200a and a capacitor 100a. The cell 600 b includes the transistor 200 b and the capacitor 100 b.

トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方は、いずれもBL02と電気的に接続している。   One of the source and the drain of the transistor 200a and one of the source and the drain of the transistor 200b are both electrically connected to BL02.

上記構成より、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することで、セルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。   From the above configuration, by sharing the wiring electrically connected to one of the source and the drain, the occupied area of the cell array can be further reduced.

図19(A)は、図17に示すセル600を、マトリクス状に配置した回路において、図18(A)と異なる形態を示す回路図である。図19(A)においては、行方向に配置されたセル600が有するトランジスタの第1のゲートが共通のWL(WL01、WL02、WL03)と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のBL(BL01乃至BL06)と電気的に接続する。また、各セル600が有するトランジスタには第2のゲートBGが設けられていてもよい。BGに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル600が有する容量の第1の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第1の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル600が有する容量の第2の電極は、PLと電気的に接続する。   FIG. 19A is a circuit diagram showing a mode different from FIG. 18A in a circuit in which the cells 600 shown in FIG. 17 are arranged in a matrix. In FIG. 19A, the first gates of the transistors included in the cells 600 arranged in the row direction are electrically connected to the common WL (WL01, WL02, and WL03). In addition, one of the source and the drain of a transistor included in a cell in the column direction is electrically connected to a common BL (BL01 to BL06). In addition, the second gate BG may be provided in a transistor included in each cell 600. The potential applied to BG can control the threshold of the transistor. In addition, a first electrode of a capacitor included in the cell 600 is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor. At this time, the first electrode of the capacitor may be part of a structure that constitutes a transistor. In addition, the second electrode of the capacitor included in the cell 600 is electrically connected to PL.

図19(B)は、図19(A)における、行の一部としてWL02とBL03に電気的に接続されたセル600a、およびWL02とBL04に電気的に接続されたセル600bを含む回路610を抜き出した断面図である。図19(B)は、セル600a、およびセル600bの断面図を示す。   FIG. 19B shows a circuit 610 including the cell 600 a electrically connected to WL 02 and BL 03 as part of a row, and the cell 600 b electrically connected to WL 02 and BL 04 in FIG. 19A. FIG. FIG. 19B is a cross-sectional view of the cell 600a and the cell 600b.

セル600aは、トランジスタ200aおよび容量素子100aを有している。セル600bは、トランジスタ200bおよび容量素子100bを有している。   The cell 600a includes a transistor 200a and a capacitor 100a. The cell 600 b includes the transistor 200 b and the capacitor 100 b.

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図20乃至図25を用いて説明する。
Embodiment 4
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device is described with reference to FIGS.

<記憶装置1>
図20、図21および図22に示す記憶装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有している。図20および図22は、トランジスタ200およびトランジスタ300のチャネル長方向の断面図である。図21には、トランジスタ300近傍のトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図を示す。
<Storage device 1>
The memory device illustrated in FIGS. 20, 21, and 22 includes the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100. 20 and 22 are cross-sectional views in the channel length direction of the transistor 200 and the transistor 300. FIG. 21 shows a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction in the vicinity of the transistor 300. FIG.

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に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、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。   The transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor for the memory device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, power consumption of the memory device can be sufficiently reduced.

図20、および図22に示す記憶装置において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。   In the memory device illustrated in FIGS. 20 and 22, the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the top gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the bottom gate of the transistor 200. There is. The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .

図20、および図22に示す記憶装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。   The memory device illustrated in FIGS. 20 and 22 has a characteristic that the potential of the gate of the transistor 300 can be held, whereby information can be written, held, and read as described below.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線1004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、配線1003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100の電極の一方と電気的に接続するノードSNに与えられる。即ち、トランジスタ300のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。)のどちらかが与えられるものとする。その後、配線1004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200を非導通状態とすることにより、ノードSNに電荷が保持される(保持)。   The writing and holding of information will be described. First, the potential of the wiring 1004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, whereby the transistor 200 is turned on. Thus, the potential of the wiring 1003 is applied to the node SN electrically connected to the gate of the transistor 300 and one of the electrodes of the capacitor 100. That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing). Here, it is assumed that one of charges (hereinafter referred to as low level charge and high level charge) giving two different potential levels is given. After that, the potential of the wiring 1004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned off, whereby the transistor 200 is turned off, whereby charge is held at the node SN (holding).

トランジスタ200のオフ電流が小さい場合、ノードSNの電荷は長期間にわたって保持される。   When the off-state current of the transistor 200 is small, the charge of the node SN is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。配線1001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線1005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、配線1002は、ノードSNに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な配線1005の電位をいうものとする。したがって、配線1005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、ノードSNに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードSNにHighレベル電荷が与えられていた場合には、配線1005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードSNにLowレベル電荷が与えられていた場合には、配線1005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、配線1002の電位を判別することで、ノードSNに保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the wiring 1005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is supplied to the wiring 1001, the wiring 1002 takes a potential corresponding to the amount of charge held at the node SN. This is because, if the transistor 300 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th — H when the high level charge is given to the gate of the transistor 300 is given the low level charge to the gate of the transistor 300. This is because the threshold voltage V th_L is lower than the apparent threshold voltage V th_L . Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the wiring 1005 which is required to turn on the transistor 300. Therefore, by setting the potential of the wiring 1005 to the potential V 0 between V th — H and V th — L , the charge given to the node SN can be determined. For example, in the case where a high level charge is given to the node SN in writing, the transistor 300 is turned “on” when the potential of the wiring 1005 is V 0 (> V th — H ). On the other hand, in the case where low level charge is applied to the node SN, the transistor 300 remains in the “non-conductive state” even if the potential of the wiring 1005 becomes V 0 (<V th — L ). Therefore, the information held in the node SN can be read by determining the potential of the wiring 1002.

<記憶装置1の構造>
本発明の一態様の記憶装置は、図20に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
<Structure of Storage Device 1>
The memory device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100 as illustrated in FIG. The transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。   The transistor 300 is provided over a substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 formed of part of the substrate 311, a low resistance region 314a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b. Have.

トランジスタ300は、図21に示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。   As shown in FIG. 21, in the transistor 300, the top surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction are covered with the conductor 316 with the insulator 315 interposed therebetween. As described above, by setting the transistor 300 to a Fin type, the on-characteristic of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. In addition, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristics of the transistor 300 can be improved.

トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。   The transistor 300 may be either p-channel or n-channel.

半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。   A semiconductor such as a silicon-based semiconductor is preferably included in a region where the channel of the semiconductor region 313 is to be formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a to be a source or drain region, a low resistance region 314b, and the like. Preferably, crystalline silicon is included. Alternatively, it may be formed using a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide) or the like. It is also possible to use silicon whose effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and GaAlAs or the like.

低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。   The low-resistance region 314a and the low-resistance region 314b impart p-type conductivity such as an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or p-type conductivity such as boron in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313 Containing elements.

ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。   The conductor 316 functioning as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron, a metal material, an alloy Materials or conductive materials such as metal oxide materials can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。   Note that the threshold voltage can be adjusted by defining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Furthermore, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten from the viewpoint of heat resistance.

なお、図20に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。   Note that the transistor 300 illustrated in FIG. 20 is an example, and is not limited to the structure. An appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。   An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked over the transistor 300.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。   For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used as the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326. Just do it.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。   The insulator 322 may have a function as a planarization film which planarizes a step difference generated by the transistor 300 and the like provided below the insulator. For example, the top surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to enhance the planarity.

また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。   Further, as the insulator 324, a film having a barrier property to prevent diffusion of hydrogen or an impurity from the substrate 311, the transistor 300, or the like to the region where the transistor 200 is provided is preferably used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。   As an example of a film having a barrier property to hydrogen, for example, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, the characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, it is preferable to use a film which suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of desorption of hydrogen.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atom/cm以下、好ましくは5×1015atom/cm以下であればよい。 The desorption amount of hydrogen can be analyzed, for example, using a thermal desorption gas analysis method (TDS) or the like. For example, in the TDS analysis, the desorption amount of hydrogen in the insulator 324 is 10 × 10 5 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. when the desorption amount in terms of hydrogen atoms is converted per area of the insulator 324. 15 atom / cm 2 or less, and may be preferably 5 × 10 15 atom / cm 2 or less.

なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体324の比誘電率は、絶縁体326の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。   Note that the insulator 326 preferably has a dielectric constant lower than that of the insulator 324. For example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3. For example, the dielectric constant of the insulator 324 is preferably 0.7 times or less of the dielectric constant of the insulator 326, and more preferably 0.6 times or less. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子100、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330はプラグ、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。   In the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, the conductor 328 electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200, the conductor 330, and the like are embedded. Note that the conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or a wiring. Moreover, the conductor which has a function as a plug or wiring may put several structure together, and may provide the same code | symbol. In the present specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be an integral body. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.

各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。   As a material of each plug and a wiring (conductor 328 and conductor 330 and the like), a single layer or a stack of a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material It can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low resistance conductive material.

絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図20において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。   A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 20, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked and provided. A conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。   Note that, for example, for the insulator 350, similarly to the insulator 324, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used. The conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 350 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。   As a conductor having a barrier property to hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten with high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, the tantalum nitride layer having a barrier property to hydrogen preferably has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property to hydrogen.

絶縁体350、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図20において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。   A wiring layer may be provided over the insulator 350 and the conductor 356. For example, in FIG. 20, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are sequentially stacked and provided. In the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364, a conductor 366 is formed. The conductor 366 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 366 can be provided using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。   Note that, for example, for the insulator 360, similarly to the insulator 324, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used. The conductor 366 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 360 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図20において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。   A wiring layer may be provided over the insulator 364 and the conductor 366. For example, in FIG. 20, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are sequentially stacked. In the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374, a conductor 376 is formed. The conductor 376 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 376 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。   Note that, for example, for the insulator 370, similarly to the insulator 324, an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used. The conductor 376 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 370 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図20において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。   A wiring layer may be provided over the insulator 374 and the conductor 376. For example, in FIG. 20, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are sequentially stacked. A conductor 386 is formed in the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 386 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。   Note that for example, for the insulator 380, as in the case of the insulator 324, it is preferable to use an insulator having a barrier property to hydrogen. The conductor 386 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen. In particular, a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 380 having a barrier to hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.

上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、および導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。   Although the wiring layer including the conductor 356, the wiring layer including the conductor 366, the wiring layer including the conductor 376, and the wiring layer including the conductor 386 are described above, the memory device according to this embodiment It is not limited to this. The number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be three or less, and the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be five or more.

絶縁体384上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。   An insulator 210, an insulator 212, an insulator 214, and an insulator 216 are sequentially stacked over the insulator 384. For any of the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, a material having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used.

例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ200を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。   For example, for the insulator 210 and the insulator 214, for example, a film having a barrier property to prevent diffusion of hydrogen and impurities from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to the region where the transistor 200 is provided Is preferred. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。   As an example of a film having a barrier property to hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, the characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, it is preferable to use a film which suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of desorption of hydrogen.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。   Further, as the film having a barrier property to hydrogen, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used for the insulator 210 and the insulator 214.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。   In particular, aluminum oxide has a high blocking effect of preventing permeation of the film against both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause fluctuation of the electrical characteristics of the transistor. Thus, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed in the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from the oxide of the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable to be used as a protective film for the transistor 200.

また、例えば、絶縁体212、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、および絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。   For example, for the insulator 212 and the insulator 216, the same material as the insulator 320 can be used. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film for the insulating film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced. For example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 212 and the insulator 216.

また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。   In the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, the conductor 218, a conductor (conductor 205) included in the transistor 200, and the like are embedded. Note that the conductor 218 has a function as a plug electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300, or a wiring. The conductor 218 can be provided using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体218は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ200への水素の拡散を抑制することができる。   In particular, the conductor 218 in a region in contact with the insulator 210 and the insulator 214 is preferably a conductor having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water. According to this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be completely separated in a layer having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water, and can suppress diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200. .

絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。なお、トランジスタ200の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図20に示すトランジスタ200は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。   The transistor 200 is provided above the insulator 216. Note that the structure of the transistor 200 may be a transistor included in the semiconductor device described in the above embodiment. The transistor 200 illustrated in FIG. 20 is an example, and is not limited to the structure. An appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.

トランジスタ200の上方には、絶縁体280を設ける。   An insulator 280 is provided above the transistor 200.

絶縁体280上には、絶縁体282が設けられている。絶縁体282は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体282には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。   An insulator 282 is provided on the insulator 280. For the insulator 282, a substance having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used. Therefore, for the insulator 282, the same material as the insulator 214 can be used. For example, for the insulator 282, metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。   In particular, aluminum oxide has a high blocking effect of preventing permeation of the film against both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause fluctuation of the electrical characteristics of the transistor. Thus, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed in the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from the oxide of the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable to be used as a protective film for the transistor 200.

また、絶縁体282上には、絶縁体286が設けられている。絶縁体286は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体286として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。   In addition, an insulator 286 is provided over the insulator 282. The insulator 286 can be made of the same material as the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film for the insulating film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced. For example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 286.

また、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体286には、導電体246、および導電体248等が埋め込まれている。   In the insulator 220, the insulator 222, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 286, the conductor 246, the conductor 248, and the like are embedded.

導電体246、および導電体248は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体246、および導電体248は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。   The conductor 246 and the conductor 248 each function as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 246 and the conductor 248 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

続いて、トランジスタ200の上方には、容量素子100が設けられている。容量素子100は、導電体110と、導電体120、および絶縁体130とを有する。   Subsequently, a capacitor 100 is provided above the transistor 200. The capacitive element 100 includes a conductor 110, a conductor 120, and an insulator 130.

また、導電体246、および導電体248上に、導電体112を設けてもよい。導電体112は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体110は、容量素子100の電極として機能を有する。なお、導電体112、および導電体110は、同時に形成することができる。   The conductor 112 may be provided over the conductor 246 and the conductor 248. The conductor 112 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 110 functions as an electrode of the capacitor 100. Note that the conductor 112 and the conductor 110 can be formed at the same time.

導電体112、および導電体110には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。又は、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。   For the conductor 112 and the conductor 110, a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, scandium, or a metal nitride film containing the above-described element as a component (Tantalum nitride, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Or indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide Conductive materials such as indium tin oxide can also be applied.

図20では、導電体112、および導電体110は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。   Although the conductor 112 and the conductor 110 each have a single-layer structure in FIG. 20, the present invention is not limited to this structure, and may have a stacked structure of two or more layers. For example, between a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity, a conductor having high adhesion to a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity may be formed.

また、導電体112、および導電体110上に、容量素子100の誘電体のとして、絶縁体130を設ける。絶縁体130は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。   In addition, the insulator 130 is provided over the conductor 112 and the conductor 110 as a dielectric of the capacitor 100. The insulator 130 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, hafnium oxynitride, hafnium oxide, etc. It may be used, and it can be provided in a stack or a single layer.

例えば、絶縁体130には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子100は、絶縁体130を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。   For example, for the insulator 130, a material such as silicon oxynitride with high dielectric strength may be used. With this configuration, the capacitor 100 can improve the dielectric strength and can suppress electrostatic breakdown of the capacitor 100 by including the insulator 130.

絶縁体130上に、導電体110と重畳するように、導電体120を設ける。なお、導電体120は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。   The conductor 120 is provided over the insulator 130 so as to overlap with the conductor 110. Note that as the conductor 120, a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper) or Al (aluminum) or the like which is a low resistance metal material may be used.

導電体120、および絶縁体130上には、絶縁体150が設けられている。絶縁体150は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。   An insulator 150 is provided over the conductor 120 and the insulator 130. The insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. Moreover, the insulator 150 may function as a planarizing film which covers the uneven shape below it.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。   With this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

<記憶装置1の変形例>
以下では、図22を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
<Modification of Storage Device 1>
Hereinafter, an example of a memory device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図22は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ300を有する記憶装置の断面図である。なお、図22に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。   FIG. 22 is a cross-sectional view of a memory device including the capacitor 100, the transistor 200, and the transistor 300. Note that in the memory device shown in FIG. 22, the same reference numerals are attached to the structure having the same function as the semiconductor device shown in the above embodiment and <structure of memory device 1> and the structure of the memory device. Do.

図22に示すように、トランジスタ200は、<記憶装置1の構成例>に示した半導体装置に、先の実施の形態で説明したセル600を設けたことが異なる。なお、図22に示すトランジスタ200の構成は、[半導体装置の変形例3]に示す構成にした。   As shown in FIG. 22, the transistor 200 is different from the semiconductor device shown in <Configuration Example of Memory Device 1> in that the cell 600 described in the above embodiment is provided. Note that the configuration of the transistor 200 illustrated in FIG. 22 is a configuration illustrated in [Modification 3 of semiconductor device].

具体的には、図22に示すように、容量素子100と、トランジスタ200の代わりに、容量素子100の構成の一部と、トランジスタ200の構成の一部とを共有するセル600を有する。   Specifically, as shown in FIG. 22, instead of the capacitor 100 and the transistor 200, a cell 600 sharing a part of the configuration of the capacitor 100 and a part of the configuration of the transistor 200 is included.

上記構造により、セル600と、トランジスタ300との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。従って、セル600の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。   With the above structure, the total of the projected area of the memory device can be reduced by overlapping part or all of the cell 600 and the transistor 300. Therefore, miniaturization or high integration of the cell 600 is facilitated. In addition, the process can be shortened.

<記憶装置2>
図23に示す半導体装置は、トランジスタ400と、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図23を用いて説明する。
<Storage device 2>
The semiconductor device illustrated in FIG. 23 is a memory device including the transistor 400, the transistor 200, and the capacitor 100. One mode of the storage device will be described below with reference to FIG.

本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ200、トランジスタ400、および容量素子100の接続関係の一例を示した回路図を図23(A)に示す。また、図23(A)に示す配線1004から配線1010などを対応させた半導体装置の断面図を図23(B)に示す。   FIG. 23A is a circuit diagram illustrating an example of a connection relation of the transistor 200, the transistor 400, and the capacitor 100 in the semiconductor device described in this embodiment. A cross-sectional view of a semiconductor device in which the wirings 1004 to the wirings 1010 and the like illustrated in FIG. 23A correspond to each other is illustrated in FIG.

基板(図示せず)の上に形成されたトランジスタ200およびトランジスタ400は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ400は、トランジスタ200と比較して、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が0Vのときのドレイン電流Icutが小さい構成とすればよい。トランジスタ400をスイッチング素子として、トランジスタ200のボトムゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ200のボトムゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ400をオフ状態にすることで、トランジスタ200のボトムゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制することができる。   The transistors 200 and 400 formed on a substrate (not shown) have different configurations. For example, the transistor 400 may have a smaller drain current Icut when the bottom gate voltage and the top gate voltage are 0 V as compared to the transistor 200. The potential of the bottom gate of the transistor 200 can be controlled by using the transistor 400 as a switching element. Thus, after the node connected to the bottom gate of the transistor 200 is set to a desired potential, the transistor 400 is turned off to suppress dissipation of the charge of the node connected to the bottom gate of the transistor 200. it can.

図23に示すように、トランジスタ200は、ゲートが配線1004と、ソースおよびドレインの一方が配線1003と、ソース及びドレインの他方が容量素子100の電極の一方と電気的に接続される。また、容量素子100の電極の他方が配線1005と電気的に接続される。また、トランジスタ400のドレインが配線1010と電気的に接続される。また、図23(B)に示すように、トランジスタ200のボトムゲートと、トランジスタ400のソース、トップゲート、およびボトムゲートが、配線1006、配線1007、配線1008、および配線1009を介して電気的に接続される。   As illustrated in FIG. 23, in the transistor 200, the gate is electrically connected to the wiring 1004, one of the source and the drain is connected to the wiring 1003, and the other of the source and the drain is electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100. The other of the electrodes of the capacitor 100 is electrically connected to the wiring 1005. In addition, the drain of the transistor 400 is electrically connected to the wiring 1010. In addition, as illustrated in FIG. 23B, the bottom gate of the transistor 200 and the source, top gate, and bottom gate of the transistor 400 are electrically connected to each other through the wiring 1006, the wiring 1007, the wiring 1008, and the wiring 1009. Connected

ここで、配線1004に電位を印加することで、トランジスタ200のオン状態、オフ状態を制御することができる。トランジスタ200をオン状態として、配線1003に電位を印加することで、トランジスタ200を介して、容量素子100に電荷を供給することができる。このとき、トランジスタ200をオフ状態にすることで、容量素子100に供給された電荷を保持することができる。また、配線1005は、任意の電位を与えることで、容量結合によって、トランジスタ200と容量素子100の接続部分の電位を制御することができる。例えば、配線1005に接地電位を与えると、上記電荷を保持しやすくなる。また、配線1010に負の電位を印加することで、トランジスタ400を介して、トランジスタ200のボトムゲートに負の電位を与え、トランジスタ200のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減し、Icutを非常に小さくすることができる。   Here, by application of a potential to the wiring 1004, the on / off state of the transistor 200 can be controlled. When the transistor 200 is turned on and a potential is applied to the wiring 1003, charge can be supplied to the capacitor 100 through the transistor 200. At this time, by turning off the transistor 200, the charge supplied to the capacitor 100 can be held. The wiring 1005 can control the potential of the connection portion of the transistor 200 and the capacitor 100 by capacitive coupling by applying an arbitrary potential. For example, when a ground potential is applied to the wiring 1005, the charge can be easily held. In addition, by applying a negative potential to the wiring 1010, a negative potential is applied to the bottom gate of the transistor 200 through the transistor 400, the threshold voltage of the transistor 200 is larger than 0 V, and off current is reduced. , Icut can be very small.

先の実施の形態に示すように、トランジスタ200は、絶対値が小さい電圧VBGで、電圧Vthを大きくし、Icutを十分小さくすることができる。このため、配線1010に印加する負の電圧の絶対値を小さくすることができる。よって、過剰な降圧回路などを設けなくても、配線1010に負の電圧を印加することができる。 As described in the above embodiment, the transistor 200 can increase the voltage V th and reduce Icut sufficiently with the voltage V BG having a small absolute value. Therefore, the absolute value of the negative voltage applied to the wiring 1010 can be reduced. Thus, a negative voltage can be applied to the wiring 1010 without providing an excessive step-down circuit or the like.

なお、後述する実施例において、配線1003に対応する電圧として3.3Vを選択しているが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。当該電圧を、3.3V未満にしてもよいし、3.3Vより大きくしてもよい。例えば、本実施の形態に係る記憶装置で、多値データを記憶する構成にする場合、配線1003に印加できる電圧を大きくすることにより、多値データの読み出しのマージンを大きくすることができる。   Note that although 3.3 V is selected as a voltage corresponding to the wiring 1003 in an example described later, the storage device according to the present embodiment is not limited to this. The voltage may be less than 3.3V or greater than 3.3V. For example, in the storage device according to this embodiment, in the case of storing multilevel data, the margin for reading multilevel data can be increased by increasing the voltage that can be applied to the wiring 1003.

トランジスタ400のトップゲート及びボトムゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ400のソースとトランジスタ200のボトムゲートを接続する構成にすることで、配線1010によって、トランジスタ200のボトムゲート電圧を制御することができる。トランジスタ200のボトムゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ400のトップゲートとソース間の電圧、およびボトムゲートとソース間の電圧は、0Vになる。トランジスタ400のIcutが非常に小さく、しきい値電圧がトランジスタ200より大きいので、この構成とすることにより、トランジスタ400に電源供給をしなくてもトランジスタ200のボトムゲートの負電位を長時間維持することができる。   The bottom gate voltage of the transistor 200 can be controlled by the wiring 1010 by connecting the top gate and the bottom gate of the transistor 400 with the source and connecting the source of the transistor 400 and the bottom gate of the transistor 200. . When the negative potential of the bottom gate of the transistor 200 is held, the voltage between the top gate and the source of the transistor 400 and the voltage between the bottom gate and the source are 0 V. Since Icut of the transistor 400 is very small and the threshold voltage is larger than that of the transistor 200, this structure maintains negative potential of the bottom gate of the transistor 200 for a long time without supplying power to the transistor 400. be able to.

さらに、トランジスタ200のボトムゲートの負電位を保持することで、トランジスタ200に電源供給をしなくてもトランジスタ200のIcutを非常に小さくすることができる。つまり、トランジスタ200およびトランジスタ400に電源供給をしなくても、容量素子100に電荷を長時間保持することができる。例えば、このような半導体装置を記憶素子として用いることにより、電源供給無しで長時間の記憶保持を行うことができる。よって、リフレッシュ動作の頻度が少ない、またはリフレッシュ動作を必要としない記憶装置を提供することができる。   Further, by holding the negative potential of the bottom gate of the transistor 200, Icut of the transistor 200 can be extremely reduced without supplying power to the transistor 200. That is, charge can be held in the capacitor 100 for a long time without supplying power to the transistors 200 and 400. For example, by using such a semiconductor device as a memory element, memory can be held for a long time without power supply. Thus, a memory device in which the frequency of the refresh operation is low or which does not require the refresh operation can be provided.

また、先の実施の形態に示すように、トランジスタ200は、絶対値が小さい電圧VBGで、電圧Vthを大きくし、Icutを十分小さくすることができる。このため、トランジスタ400に要求される耐圧性が比較的低いので、トランジスタ400の設計の自由度を高くすることができる。 Further, as described in the above embodiment, the transistor 200 can increase the voltage V th and reduce Icut sufficiently at the voltage V BG with a small absolute value. Therefore, the withstand voltage required of the transistor 400 is relatively low, so that the degree of freedom in design of the transistor 400 can be increased.

なお、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100の接続関係は、図23(A)(B)に示すものに限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更することができる。   Note that the connection relationship between the transistor 200, the transistor 400, and the capacitor 100 is not limited to those illustrated in FIGS. The connection relationship can be appropriately changed according to the required circuit configuration.

<記憶装置2の構造>
図23(B)は、容量素子100、トランジスタ200、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図23に示す記憶装置において、先の実施の形態、および<記憶装置1の構造>に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
<Structure of Storage Device 2>
FIG. 23B is a cross-sectional view of the memory device including the capacitor 100, the transistor 200, and the transistor 400. Note that in the memory device shown in FIG. 23, the same reference numerals are appended to the structure having the same function as the semiconductor device shown in the above embodiment and <structure of memory device 1> and the structure of the memory device. Do.

本発明の一態様の記憶装置は、図23に示すようにトランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400は同一層に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。   The memory device of one embodiment of the present invention includes a transistor 200, a transistor 400, and a capacitor 100 as illustrated in FIG. The transistor 200 and the transistor 400 are provided in the same layer, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

なお、容量素子100、およびトランジスタ200としては、先の実施の形態、および図20、および図22で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図23に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。   Note that for the capacitor 100 and the transistor 200, the capacitor and the transistor included in any of the semiconductor devices and memory devices described in the above embodiments and FIGS. 20 and 22 may be used. Note that the capacitor 100, the transistor 300, the transistor 200, and the transistor 400 illustrated in FIG. 23 are merely examples, and the present invention is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration and a driving method.

トランジスタ400は、トランジスタ200と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ400は、トップゲート電極として機能する導電体460(導電体460a、および導電体460b)と、ボトムゲート電極として機能する導電体405(導電体405a、および導電体405b)と、導電体460と接する絶縁体470、および絶縁体472と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体450と、チャネルが形成される領域を有する酸化物430cと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物431a、および酸化物431bと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物432a、および酸化物432bと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体405は、配線として機能する導電体403(導電体403a、および導電体403b)と、電気的に接続されている。   The transistor 400 is formed in the same layer as the transistor 200 and can be manufactured in parallel. The transistor 400 includes a conductor 460 (conductor 460a and a conductor 460b) functioning as a top gate electrode, a conductor 405 (conductor 405a and a conductor 405b) functioning as a bottom gate electrode, and a conductor 460. An insulator 470 and an insulator 472 which are in contact with each other, an insulator 220 which functions as a gate insulating layer, an insulator 222, an insulator 224, and an insulator 450, an oxide 430c having a region where a channel is formed, a source or An oxide 431 a and an oxide 431 b which function as one of drains and an oxide 432 a and an oxide 432 b which function as the other of the source and the drain are included. Further, the conductor 405 functioning as a bottom gate electrode is electrically connected to the conductor 403 (conductor 403a and conductor 403b) functioning as a wiring.

トランジスタ400において、導電体405は、導電体205と、同じ層である。酸化物431a、および酸化物432aと、酸化物230aと、同じ層であり、酸化物431b、および酸化物432bと、酸化物230bと、同じ層である。酸化物430cは、酸化物230cは同じ層である。絶縁体450は、絶縁体250と、同じ層である。絶縁体452は、絶縁体252と、同じ層である。導電体460は、導電体260と、同じ層である。また、絶縁体470は、絶縁体270と、同じ層である。また、絶縁体472は、絶縁体272と、同じ層である。   In the transistor 400, the conductor 405 is in the same layer as the conductor 205. The oxide 431a and the oxide 432a are the same layer as the oxide 230a, and the oxide 431b and the oxide 432b are the same layer as the oxide 230b. The oxide 430c is the same layer as the oxide 230c. The insulator 450 is the same layer as the insulator 250. The insulator 452 is the same layer as the insulator 252. The conductor 460 is the same layer as the conductor 260. In addition, the insulator 470 is the same layer as the insulator 270. The insulator 472 is the same layer as the insulator 272.

トランジスタ400の活性層として機能する酸化物430cは、酸化物230などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ400のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減し、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が0Vのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。   In the oxide 430 c which functions as an active layer of the transistor 400, oxygen vacancies are reduced and impurities such as hydrogen or water are reduced as in the case of the oxide 230 and the like. Accordingly, the threshold voltage of the transistor 400 can be greater than 0 V, the off-state current can be reduced, and the drain current when the bottom gate voltage and the top gate voltage are 0 V can be extremely small.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。   With this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.

<記憶装置3>
図24に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図24を用いて説明する。
<Storage device 3>
The semiconductor device illustrated in FIG. 24 is a memory device including the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100. One mode of the storage device is described below with reference to FIG.

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ200の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に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、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。   The transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor, and any of the transistors described in the above embodiments can be used. The transistor described in the above embodiment can be formed with high yield even when miniaturized; therefore, the transistor 200 can be miniaturized. When such a transistor is used for a memory device, the memory device can be miniaturized or highly integrated. The off-state current of the transistor described in the above embodiment is small; thus, when used for a memory device, stored data can be held for a long time. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, power consumption of the memory device can be sufficiently reduced.

図24において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200のトップゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。   In FIG. 24, the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the top gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the bottom gate of the transistor 200. There is. The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .

図24において、配線1001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線1002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線1003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線1004はトランジスタ200のゲートと電気的に接続され、配線1006はトランジスタ200のバックゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線1005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。配線1007はトランジスタ400のソースと電気的に接続され、配線1008はトランジスタ400のゲートと電気的に接続され、配線1009はトランジスタ400のバックゲートと電気的に接続され、配線1010はトランジスタ400のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線1006、配線1007、配線1008、及び配線1009が電気的に接続されている。   In FIG. 24, the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the back gate of the transistor 200. . The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. . The wiring 1007 is electrically connected to the source of the transistor 400, the wiring 1008 is electrically connected to the gate of the transistor 400, the wiring 1009 is electrically connected to the back gate of the transistor 400, and the wiring 1010 is a drain of the transistor 400 And are electrically connected. Here, the wiring 1006, the wiring 1007, the wiring 1008, and the wiring 1009 are electrically connected.

図24に示す半導体装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。   The semiconductor device illustrated in FIG. 24 has a characteristic that the potential of the gate of the transistor 300 can be held, whereby information can be written, held, and read as described below.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線1004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、第3の配線1003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100の電極の一方と電気的に接続するノードSNに与えられる。即ち、トランジスタ300のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。)のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線1004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200を非導通状態とすることにより、ノードSNに電荷が保持される(保持)。   The writing and holding of information will be described. First, the potential of the fourth wiring 1004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, whereby the transistor 200 is turned on. Thus, the potential of the third wiring 1003 is applied to the node SN electrically connected to the gate of the transistor 300 and one of the electrodes of the capacitor 100. That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing). Here, it is assumed that one of charges (hereinafter referred to as low level charge and high level charge) giving two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 1004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned off, and the transistor 200 is turned off, whereby charge is held at the node SN (holding).

トランジスタ200のオフ電流が小さい場合、ノードSNの電荷は長期間にわたって保持される。   When the off-state current of the transistor 200 is small, the charge of the node SN is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線1001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線1005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線1002は、ノードSNに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な第5の配線1005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線1005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、ノードSNに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードSNにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線1005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードSNにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線1005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、第2の配線1002の電位を判別することで、ノードSNに保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (readout potential) is applied to the fifth wiring 1005 in a state where the first wiring 1001 is applied with a predetermined potential (constant potential), the second wiring 1002 generates the charge held at the node SN. Take the potential according to the amount. This is because, if the transistor 300 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th — H when the high level charge is given to the gate of the transistor 300 is given the low level charge to the gate of the transistor 300. This is because the threshold voltage V th_L is lower than the apparent threshold voltage V th_L . Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 1005 which is necessary to turn on the transistor 300. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 1005 to the potential V 0 between V th — H and V th — L , the charge given to the node SN can be determined. For example, in the case where a high level charge is given to the node SN in writing, the transistor 300 is turned “on” if the potential of the fifth wiring 1005 is V 0 (> V th — H ). On the other hand, when low level charge is applied to the node SN, the transistor 300 remains in the “non-conductive state” even if the potential of the fifth wiring 1005 becomes V 0 (<V th — L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 1002, the information held in the node SN can be read.

<記憶装置3の構造> <Structure of Storage Device 3>

図24は、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400を有する記憶装置の断面図である。なお、図24に示す記憶装置において、先の実施の形態、<記憶装置1の構造>、および<記憶装置2の構造>、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。   FIG. 24 is a cross-sectional view of a memory device including the capacitor 100, the transistor 200, the transistor 300, and the transistor 400. In the memory device shown in FIG. 24, the semiconductor device shown in the above embodiment, <structure of memory device 1>, and <structure of memory device 2>, and the structure having the same function as that of the memory device are included. The same symbols are attached to the structures that are possessed.

本発明の一態様の記憶装置は、図24に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、トランジスタ400および容量素子100を有する。トランジスタ200およびトランジスタ400はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400の上方に設けられている。   The memory device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, a transistor 400, and a capacitor 100 as illustrated in FIG. The transistor 200 and the transistor 400 are provided above the transistor 300, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300, the transistor 200, and the transistor 400.

なお、容量素子100、トランジスタ200、トランジスタ300、およびトランジスタ400としては、先の実施の形態、および図20乃至図23で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図24に示す容量素子100、トランジスタ300、トランジスタ200およびトランジスタ400は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。   Note that for the capacitor 100, the transistor 200, the transistor 300, and the transistor 400, the capacitor and the transistor included in the semiconductor device described in the above embodiment and FIGS. 20 to 23, and the memory device may be used. Note that the capacitor 100, the transistor 300, the transistor 200, and the transistor 400 illustrated in FIG. 24 are merely examples, and the present invention is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration and a driving method.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。   With this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.

<メモリセルアレイの構造> <Structure of Memory Cell Array>

本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図25に示す。トランジスタ200をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。   An example of the memory cell array of the present embodiment is shown in FIG. A memory cell array can be formed by arranging the transistors 200 as memory cells in a matrix.

なお、図25に示す記憶装置は、図20、および図24に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、1個のトランジスタ400は、複数のトランジスタ200のバックゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ400は、トランジスタ200よりも、少ない個数を設けるとよい。   The memory device shown in FIG. 25 is a semiconductor device forming a memory cell array by arranging the memory devices shown in FIGS. 20 and 24 in a matrix. Note that one transistor 400 can control the back gate voltage of the plurality of transistors 200. Therefore, the number of transistors 400 may be smaller than that of the transistors 200.

従って、図25には、図24に示すトランジスタ400は省略する。図25は、図20、および図24に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。   Therefore, the transistor 400 shown in FIG. 24 is omitted in FIG. FIG. 25 is a cross-sectional view of a part of a row in the case where the memory devices shown in FIGS. 20 and 24 are arranged in a matrix.

また、図24と、トランジスタ300の構成が異なる。図25に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域313(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域313の側面および上面を、絶縁体315を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFin型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。   Further, the configuration of the transistor 300 is different from that in FIG. In the transistor 300 illustrated in FIG. 25, a semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) in which a channel is formed has a convex shape. In addition, the conductor 316 is provided to cover the side surface and the top surface of the semiconductor region 313 with the insulator 315 interposed therebetween. Note that the conductor 316 may use a material for adjusting a work function. Such a transistor 300 is also referred to as a Fin-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulator which functions as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Further, here, the case where the convex portion is formed by processing a part of the semiconductor substrate is described; however, a semiconductor film having a convex shape may be formed by processing the SOI substrate.

図25に示す記憶装置では、メモリセル650aとメモリセル650bが隣接して配置されている。メモリセル650aおよびメモリセル650bは、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有し、配線1001、配線1002、配線1003、配線1004、配線1005、および配線1006と電気的に接続される。また、メモリセル650aおよびメモリセル650bにおいても、同様にトランジスタ300のゲートと、容量素子100の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードSNとする。なお、配線1002は隣接するメモリセル650aとメモリセル650bで共通の配線である。   In the memory device shown in FIG. 25, memory cell 650a and memory cell 650b are arranged adjacent to each other. The memory cell 650a and the memory cell 650b each include the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100, and are electrically connected to the wiring 1001, the wiring 1002, the wiring 1003, the wiring 1004, the wiring 1005, and the wiring 1006. Similarly, in each of the memory cells 650 a and 650 b, a node at which the gate of the transistor 300 and one of the electrodes of the capacitor 100 are electrically connected is referred to as a node SN. Note that the wiring 1002 is a wiring common to the memory cell 650a and the memory cell 650b which are adjacent to each other.

メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがNOR型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードSNに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線1005に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがNAND型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ300を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードSNに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線1005に与えればよい。 In the case of arranging memory cells in an array, it is necessary to read information of a desired memory cell at the time of reading. For example, in the case where the memory cell array has a NOR configuration, only information of a desired memory cell can be read by turning off the transistor 300 of the memory cell from which information is not read. In this case, a potential at which the transistor 300 is in the “non-conductive state” regardless of the charge applied to the node SN, that is, a potential lower than V th — H is applied to the wiring 1005 connected to the memory cell which does not read data. Just do it. Alternatively, for example, in the case where the memory cell array has a NAND configuration, only information of a desired memory cell can be read by turning on the transistor 300 of the memory cell from which information is not read. In this case, a potential at which the transistor 300 is turned “on” regardless of the charge applied to the node SN, that is, a potential higher than V th — L is applied to the wiring 1005 connected to the memory cell which does not read data. Good.

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。   With this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, power consumption can be reduced in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved. Alternatively, a miniaturized or highly integrated semiconductor device can be provided with high productivity.

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

(実施の形態5)
本実施の形態では、図26乃至図29を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ。)、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、NOSRAMについて説明する。NOSRAM(登録商標)とは「Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、ゲインセル型(2T型、3T型)のメモリセルを有するRAMを指す。なお、以下において、NOSRAMのようにOSトランジスタを用いたメモリ装置を、OSメモリと呼ぶ場合がある。
Fifth Embodiment
In this embodiment, a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter, referred to as an OS transistor) and a memory element to which a capacitor is applied according to one embodiment of the present invention with reference to FIGS. 26 to 29. A NOSRAM will be described as an example of the device. NOSRAM (registered trademark) is an abbreviation of "nonvolatile oxide semiconductor RAM" and refers to a RAM having memory cells of gain cell type (2T type, 3T type). In the following, a memory device using an OS transistor such as a NOSRAM may be referred to as an OS memory.

NOSRAMでは、メモリセルにOSトランジスタが用いられるメモリ装置(以下、「OSメモリ」と呼ぶ。)が適用されている。OSメモリは、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するOSトランジスタを有するメモリである。OSトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、OSメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。   In the NOSRAM, a memory device (hereinafter referred to as “OS memory”) in which an OS transistor is used for a memory cell is applied. The OS memory is a memory that has at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the OS transistor is a transistor with extremely small off current, the OS memory has excellent retention characteristics and can function as a non-volatile memory.

<<NOSRAM>>
図26にNOSRAMの構成例を示す。図26に示すNOSRAM1600は、メモリセルアレイ1610、コントローラ1640、行ドライバ1650、列ドライバ1660、出力ドライバ1670を有する。なお、NOSRAM1600は、1のメモリセルで多値データを記憶する多値NOSRAMである。
<< NOSRAM >>
FIG. 26 shows a configuration example of the NOSRAM. The NOSRAM 1600 shown in FIG. 26 includes a memory cell array 1610, a controller 1640, a row driver 1650, a column driver 1660, and an output driver 1670. The NOSRAM 1600 is a multivalued NOSRAM that stores multivalued data in one memory cell.

メモリセルアレイ1610は複数のメモリセル1611、複数のワード線WWL、RWL、ビット線BL、ソース線SLを有する。ワード線WWLは書き込みワード線であり、ワード線RWLは読み出しワード線である。NOSRAM1600では、1のメモリセル1611で3ビット(8値)のデータを記憶する。   The memory cell array 1610 has a plurality of memory cells 1611, a plurality of word lines WWL and RWL, a bit line BL, and a source line SL. The word line WWL is a write word line, and the word line RWL is a read word line. In the NOSRAM 1600, 3-bit (eight-valued) data is stored in one memory cell 1611.

コントローラ1640は、NOSRAM1600全体を統括的に制御し、データWDA[31:0]の書き込み、データRDA[31:0]の読み出しを行う。コントローラ1640は、外部からのコマンド信号(例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など)を処理して、行ドライバ1650、列ドライバ1660および出力ドライバ1670の制御信号を生成する。   The controller 1640 controls the entire NOSRAM 1600 in a centralized manner, writes the data WDA [31: 0], and reads the data RDA [31: 0]. The controller 1640 processes external command signals (for example, a chip enable signal, a write enable signal, etc.) to generate control signals for the row driver 1650, the column driver 1660 and the output driver 1670.

行ドライバ1650は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ1650は、行デコーダ1651、およびワード線ドライバ1652を有する。   The row driver 1650 has a function of selecting a row to access. The row driver 1650 includes a row decoder 1651 and a word line driver 1652.

列ドライバ1660は、ソース線SLおよびビット線BLを駆動する。列ドライバ1660は、列デコーダ1661、書き込みドライバ1662、DAC(デジタル‐アナログ変換回路)1663を有する。   Column driver 1660 drives source line SL and bit line BL. The column driver 1660 includes a column decoder 1661, a write driver 1662, and a DAC (digital-to-analog conversion circuit) 1663.

DAC1663は3ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。DAC1663は32ビットのデータWDA[31:0]を3ビットごとに、アナログ電圧に変換する。   The DAC 1663 converts 3-bit digital data into an analog voltage. The DAC 1663 converts 32-bit data WDA [31: 0] into analog voltages every three bits.

書き込みドライバ1662は、ソース線SLをプリチャージする機能、ソース線SLを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線SLを選択する機能、選択されたソース線SLにDAC1663で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線BLをプリチャージする機能、ビット線BLを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。   The write driver 1662 has a function of precharging the source line SL, a function of electrically floating the source line SL, a function of selecting the source line SL, and an input of the write voltage generated by the DAC 1663 to the selected source line SL. Have a function of precharging the bit line BL, a function of electrically floating the bit line BL, and the like.

出力ドライバ1670は、セレクタ1671、ADC(アナログ‐デジタル変換回路)1672、出力バッファ1673を有する。セレクタ1671は、アクセスするソース線SLを選択し、選択されたソース線SLの電圧をADC1672に送信する。ADC1672は、アナログ電圧を3ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線SLの電圧はADC1672において、3ビットのデータに変換され、出力バッファ1673はADC1672から出力されるデータを保持する。   The output driver 1670 includes a selector 1671, an ADC (analog-digital conversion circuit) 1672, and an output buffer 1673. The selector 1671 selects the source line SL to be accessed, and transmits the voltage of the selected source line SL to the ADC 1672. The ADC 1672 has a function of converting an analog voltage into 3-bit digital data. The voltage of the source line SL is converted into 3-bit data in the ADC 1672, and the output buffer 1673 holds the data output from the ADC 1672.

なお、本実施の形態に示す、行ドライバ1650、列ドライバ1660、および出力ドライバ1670の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ1610の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線SLが有する機能の一部を、ビット線BLに有せしめる構成にしてもよい。   The configurations of the row driver 1650, the column driver 1660, and the output driver 1670 described in this embodiment are not limited to the above. Arrangements of these drivers and wirings connected to the drivers may be changed according to the configuration or driving method of the memory cell array 1610 or the like, or functions of the drivers and wirings connected to the drivers are changed Or you may add. For example, part of the functions of the source line SL may be provided to the bit line BL.

なお、上記においては、各メモリセル1611に保持させる情報量を3ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル1611に保持させる情報量を2ビット以下にしてもよいし、4ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル1611に保持させる情報量を1ビットにする場合、DAC1663およびADC1672を設けない構成にしてもよい。   Although the amount of information held in each memory cell 1611 is 3 bits in the above description, the configuration of the storage device described in this embodiment is not limited to this. The amount of information held by each memory cell 1611 may be 2 bits or less, or 4 bits or more. For example, when the amount of information held in each memory cell 1611 is 1 bit, the DAC 1663 and the ADC 1672 may not be provided.

<メモリセル>
図27(A)はメモリセル1611の構成例を示す回路図である。メモリセル1611は2T型のゲインセルであり、メモリセル1611はワード線WWL、RWL、ビット線BL、ソース線SL、配線BGLに電気的に接続されている。メモリセル1611は、ノードSN、OSトランジスタMO61、トランジスタMP61、容量素子C61を有する。OSトランジスタMO61は書き込みトランジスタである。トランジスタMP61は読み出しトランジスタであり、例えばpチャネル型Siトランジスタで構成される。容量素子C61はノードSNの電圧を保持するための保持容量である。ノードSNはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタMP61のゲートに相当する。
<Memory cell>
FIG. 27A is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell 1611. The memory cell 1611 is a 2T-type gain cell, and the memory cell 1611 is electrically connected to the word lines WWL and RWL, the bit line BL, the source line SL, and the wiring BGL. The memory cell 1611 includes a node SN, an OS transistor MO61, a transistor MP61, and a capacitive element C61. The OS transistor MO61 is a write transistor. The transistor MP61 is a read transistor, and is formed of, for example, a p-channel Si transistor. The capacitive element C61 is a holding capacitance for holding the voltage of the node SN. The node SN is a data holding node and corresponds to the gate of the transistor MP61 here.

メモリセル1611の書き込みトランジスタがOSトランジスタMO61で構成されているため、NOSRAM1600は長時間データを保持することが可能である。   Since the write transistor of the memory cell 1611 is configured by the OS transistor MO61, the NOSRAM 1600 can hold data for a long time.

図27(A)の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図27(B)に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線WBLと、読み出しビット線として機能する、ビット線RBLとを設けてもよい。   In the example of FIG. 27A, the bit line is a common bit line for writing and reading, but as shown in FIG. 27B, the bit line WBL functioning as a writing bit line and the reading bit line And the bit line RBL may be provided.

図27(C)−図27(E)にメモリセルの他の構成例を示す。図27(C)−図27(E)には、書き込み用のビット線WBLと読み出し用のビット線RBLを設けた例を示しているが、図27(A)のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。   FIGS. 27C-27E show other configuration examples of the memory cell. FIGS. 27C-27E show an example in which the write bit line WBL and the read bit line RBL are provided. However, as shown in FIG. Bit lines may be provided.

図27(C)に示すメモリセル1612は、メモリセル1611の変形例であり、読み出しトランジスタをnチャネル型トランジスタ(MN61)に変更したものである。トランジスタMN61はOSトランジスタであってもよいし、Siトランジスタであってもよい。   A memory cell 1612 shown in FIG. 27C is a modified example of the memory cell 1611, and the read transistor is changed to an n-channel transistor (MN 61). The transistor MN61 may be an OS transistor or a Si transistor.

メモリセル1611、1612において、OSトランジスタMO61はバックゲートの無いOSトランジスタであってもよい。   In the memory cells 1611 and 1612, the OS transistor MO61 may be an OS transistor without a back gate.

図27(D)に示すメモリセル1613は、3T型ゲインセルであり、ワード線WWL、RWL、ビット線WBL、RBL、ソース線SL、配線BGL、PCLに電気的に接続されている。メモリセル1613は、ノードSN、OSトランジスタMO62、トランジスタMP62、トランジスタMP63、容量素子C62を有する。OSトランジスタMO62は書き込みトランジスタである。トランジスタMP62は読み出しトランジスタであり、トランジスタMP63は選択トランジスタである。   The memory cell 1613 shown in FIG. 27D is a 3T-type gain cell, and is electrically connected to the word lines WWL and RWL, the bit lines WBL and RBL, the source line SL, and the wirings BGL and PCL. The memory cell 1613 includes a node SN, an OS transistor MO62, a transistor MP62, a transistor MP63, and a capacitor C62. The OS transistor MO62 is a write transistor. The transistor MP62 is a read transistor, and the transistor MP63 is a selection transistor.

図27(E)に示すメモリセル1614は、メモリセル1613の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをnチャネル型トランジスタ(MN62、MN63)に変更したものである。トランジスタMN62、MN63はOSトランジスタであってもよいし、Siトランジスタであってもよい。   A memory cell 1614 shown in FIG. 27E is a modification of the memory cell 1613, in which the read transistor and the select transistor are changed to n-channel transistors (MN62 and MN63). The transistors MN62 and MN63 may be OS transistors or Si transistors.

メモリセル1611−1614に設けられるOSトランジスタは、バックゲートの無いトランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。   The OS transistors provided in the memory cells 1611-1614 may be transistors without back gates or may be transistors with back gates.

上記においては、メモリセル1611などが並列に接続された、いわゆるNOR型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル1615が直列に接続された、いわゆるNAND型の記憶装置にしてもよい。   In the above, a so-called NOR type memory device in which memory cells 1611 and the like are connected in parallel is described, but the memory device described in this embodiment is not limited to this. For example, a so-called NAND memory device in which memory cells 1615 as shown below are connected in series may be used.

図28はNAND型のメモリセルアレイ1610の構成例を示す回路図である。図28に示すメモリセルアレイ1610は、ソース線SL、ビット線RBL、ビット線WBL、ワード線WWL、ワード線RWL、配線BGL、およびメモリセル1615を有する。メモリセル1615は、ノードSN、OSトランジスタMO63、トランジスタMN64、容量素子C63を有する。ここで、トランジスタMN64は、例えばnチャネル型Siトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタMN64は、pチャネル型Siトランジスタ、であってもよいし、OSトランジスタであってもよい。   FIG. 28 is a circuit diagram showing a configuration example of a NAND type memory cell array 1610. Referring to FIG. The memory cell array 1610 illustrated in FIG. 28 includes a source line SL, a bit line RBL, a bit line WBL, a word line WWL, a word line RWL, a wiring BGL, and a memory cell 1615. The memory cell 1615 includes a node SN, an OS transistor MO63, a transistor MN64, and a capacitive element C63. Here, the transistor MN64 is formed of, for example, an n-channel Si transistor. The transistor MN 64 may be a p-channel Si transistor or an OS transistor.

以下では、図28に示すメモリセル1615aおよびメモリセル1615bを例として説明する。ここで、メモリセル1615aまたはメモリセル1615bのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、aまたはbの符号を付して表す。   Hereinafter, the memory cell 1615a and the memory cell 1615b illustrated in FIG. 28 will be described as an example. Here, reference numerals of a wiring or a circuit element connected to either the memory cell 1615 a or the memory cell 1615 b are denoted by a or b.

メモリセル1615aにおいて、トランジスタMN64aのゲートと、OSトランジスタMO63aのソースおよびドレインの一方と、容量素子C63aの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線WBLとOSトランジスタMO63aのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線WWLaと、OSトランジスタMO63aのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線BGLaと、OSトランジスタMO63aのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線RWLaと、容量素子C63aの電極の他方は電気的に接続されている。   In the memory cell 1615a, the gate of the transistor MN64a, one of the source and the drain of the OS transistor MO63a, and one of the electrodes of the capacitive element C63a are electrically connected. Further, the bit line WBL and the other of the source and the drain of the OS transistor MO63a are electrically connected. In addition, the word line WWLa and the gate of the OS transistor MO63a are electrically connected. Further, the wiring BGLa and the back gate of the OS transistor MO63a are electrically connected. The word line RWLa and the other of the electrodes of the capacitive element C 63 a are electrically connected.

メモリセル1615bは、ビット線WBLとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル1615aと対称的に設けることができる。よって、メモリセル1615bに含まれる回路素子も、上記メモリセル1615aと同じように配線と接続される。   The memory cell 1615 b can be provided symmetrically with the memory cell 1615 a with the contact portion with the bit line WBL as an axis of symmetry. Accordingly, the circuit element included in the memory cell 1615 b is also connected to the wiring in the same manner as the memory cell 1615 a.

さらに、メモリセル1615aが有するトランジスタMN64aのソースは、メモリセル1615bのトランジスタMN64bのドレインと電気的に接続される。メモリセル1615aが有するトランジスタMN64aのドレインは、ビット線RBLと電気的に接続される。メモリセル1615bが有するトランジスタMN64bのソースは、複数のメモリセル1615が有するトランジスタMN64を介してソース線SLと電気的に接続される。このように、NAND型のメモリセルアレイ1610では、ビット線RBLとソース線SLの間に、複数のトランジスタMN64が直列に接続される。   Further, the source of the transistor MN64a included in the memory cell 1615a is electrically connected to the drain of the transistor MN64b in the memory cell 1615b. The drain of the transistor MN64a included in the memory cell 1615a is electrically connected to the bit line RBL. The source of the transistor MN64b included in the memory cell 1615b is electrically connected to the source line SL through the transistor MN64 included in the plurality of memory cells 1615. As described above, in the NAND-type memory cell array 1610, the plurality of transistors MN64 are connected in series between the bit line RBL and the source line SL.

ここで、図29に、メモリセル1615aおよびメモリセル1615bに対応する断面図を示す。メモリセル1615aおよびメモリセル1615bは、図22に示す記憶装置と同様の構造を有する。すなわち、容量素子C63aおよび容量素子C63bは容量素子100と同様の構造を有し、OSトランジスタMO63aおよびOSトランジスタMO63bはトランジスタ200と同様の構造を有し、トランジスタMN64aおよびトランジスタMN64bはトランジスタ300と同様の構造を有する。ただし、本実施の形態に示すメモリセル1615aおよびメモリセル1615bでは、絶縁体280および導電体240aの上に導電体256を配置した。また、図22において絶縁体273の膜厚が薄くなっている部分を除去した構成にした。なお、図29に示す構成で、図22に示す構成と同じ符号が付されたものは、その記載を参酌することができる。   Here, FIG. 29 shows a cross-sectional view corresponding to the memory cell 1615a and the memory cell 1615b. Memory cell 1615a and memory cell 1615b have the same structure as the memory device shown in FIG. That is, capacitive element C63a and capacitive element C63b have the same structure as capacitive element 100, OS transistor MO63a and OS transistor MO63b have the same structure as transistor 200, and transistor MN64a and transistor MN64b are similar to transistor 300. It has a structure. However, in the memory cell 1615a and the memory cell 1615b described in this embodiment, the conductor 256 is provided over the insulator 280 and the conductor 240a. Further, in FIG. 22, the portion where the film thickness of the insulator 273 is thin is removed. The description can be referred to for the configuration shown in FIG. 29 that is given the same reference numeral as the configuration shown in FIG.

メモリセル1615aにおいて、導電体120は伸長して設けられてワード線RWLaとして機能し、導電体260は伸長して設けられてワード線WWLaとして機能し、導電体205は伸長して設けられて配線BGLaとして機能する。メモリセル1615bでも同様に、ワード線RWLb、ワード線WWLb、および配線BGLbが設けられる。   In memory cell 1615a, conductor 120 is extended to function as word line RWLa, conductor 260 is extended to function as word line WWLa, and conductor 205 is extended to be wiring It functions as BGLa. Similarly, the word line RWLb, the word line WWLb, and the wiring BGLb are provided in the memory cell 1615b.

図29に示す低抵抗領域314bは、トランジスタMN64aのソース、およびトランジスタMN64bのドレインとして機能する。また、トランジスタMN64aのドレインとして機能する低抵抗領域314aは、導電体328および導電体330を介してビット線RBLと電気的に接続される。また、トランジスタMN64bのソースは、複数のメモリセル1615が有するトランジスタMN64、導電体328、および導電体330を介してソース線SLと電気的に接続される。   The low resistance region 314b illustrated in FIG. 29 functions as a source of the transistor MN64a and a drain of the transistor MN64b. In addition, the low resistance region 314a functioning as the drain of the transistor MN64a is electrically connected to the bit line RBL through the conductor 328 and the conductor 330. The source of the transistor MN64b is electrically connected to the source line SL through the transistor MN64, the conductor 328, and the conductor 330 included in the plurality of memory cells 1615.

また、導電体256は伸長して設けられてビット線WBLとして機能する。ここで、導電体240aはワード線WBLのコンタクト部として機能し、OSトランジスタMO63aとOSトランジスタMO63bで共通して用いられる。このように、メモリセル1615aとメモリセル1615bで、ビット線WBLのコンタクト部を共有することにより、ビット線WBLのコンタクト部の数を削減し、メモリセル1615の上面視における占有面積を低減することができる。これにより、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができ、単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。   In addition, the conductor 256 is extended and provided to function as a bit line WBL. Here, the conductor 240a functions as a contact portion of the word line WBL, and is used in common by the OS transistor MO63a and the OS transistor MO63b. Thus, the memory cell 1615a and the memory cell 1615b share the contact portion of the bit line WBL, thereby reducing the number of contact portions of the bit line WBL and reducing the occupied area of the memory cell 1615 in a top view. Can. Accordingly, the storage device according to the present embodiment can be further highly integrated, and the storage capacity per unit area can be increased.

図28に示すメモリセルアレイ1610を有する記憶装置では、同じワード線WWL(またはワード線RWL)に接続された複数のメモリセル(以下、メモリセル列と呼ぶ。)ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線WWLにOSトランジスタMO63がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のOSトランジスタMO63をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタMN64のゲートおよび容量素子C63の電極の一方にビット線WBLの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のOSトランジスタMO63をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル1615にデータを書き込むことができる。   In the memory device having the memory cell array 1610 shown in FIG. 28, write operation and read operation are performed for each of a plurality of memory cells (hereinafter referred to as a memory cell column) connected to the same word line WWL (or word line RWL). Do. For example, the write operation can be performed as follows. A potential at which the OS transistor MO63 is turned on is applied to the word line WWL connected to the memory cell column to be written, and the OS transistor MO63 of the memory cell column to be written is turned on. Thereby, the potential of the bit line WBL is applied to one of the gate of the transistor MN64 of the designated memory cell column and the electrode of the capacitive element C63, and a predetermined charge is applied to the gate. Then, when the OS transistor MO63 of the memory cell column is turned off, the predetermined charge given to the gate can be held. Thus, data can be written to the memory cell 1615 of the specified memory cell column.

また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線RWLに、トランジスタMN64のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタMN64がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタMN64をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線RWLに、トランジスタMN64のゲートが有する電荷によって、トランジスタMN64のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位(読み出し電位)を与える。そして、ソース線SLに定電位を与え、ビット線RBLに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線SL−ビット線RBL間の複数のトランジスタMN64は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線SL−ビット線RBL間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタMN64の状態(オン状態またはオフ状態)によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタMN64のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線RBLの電位は異なる値をとることになる。ビット線RBLの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル1615から情報を読み出すことができる。   Also, for example, the read operation can be performed as follows. First, to a word line RWL not connected to a memory cell column to be read, a potential that turns on the transistor MN64 regardless of the charge applied to the gate of the transistor MN64 is applied to read a memory cell column The other transistors MN64 are turned on. Then, a potential (read potential) is applied to the word line RWL connected to the memory cell column to be read by the charge of the gate of the transistor MN64 so that the on state or the off state of the transistor MN64 is selected. Then, a constant potential is applied to the source line SL, and the reading circuit connected to the bit line RBL is brought into an operating state. Here, since the plurality of transistors MN64 between the source line SL and the bit line RBL are in the on state except for the memory cell column to be read, the conductance between the source line SL and the bit line RBL is for reading It is determined by the state (on state or off state) of the transistor MN64 of the memory cell column. The conductance of the transistor differs depending on the charge of the gate of the transistor MN64 in the memory cell column to be read, and accordingly, the potential of the bit line RBL takes a different value. Information can be read out from the memory cell 1615 of the specified memory cell column by reading out the potential of the bit line RBL by the reading circuit.

図28に示すメモリセルアレイ1610においては、複数のOSトランジスタMO63がビット線WBLに並列に接続される構成について示したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、図30に示すように、複数のOSトランジスタMO63がビット線WBLに直列に接続される構成にしてもよい。なお、図30に示す回路素子、配線などについては、図28に係る記載を参酌すればよい。   In the memory cell array 1610 shown in FIG. 28, the configuration in which the plurality of OS transistors MO63 are connected in parallel to the bit line WBL is shown, but the storage device shown in this embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 30, a plurality of OS transistors MO63 may be connected in series to bit line WBL. Note that the description related to FIG. 28 may be referred to for circuit elements, wirings, and the like illustrated in FIG.

図30に示すメモリセル1615において、OSトランジスタMO63のソースおよびドレインの一方は、隣接するメモリセルのOSトランジスタMO63のソースおよびドレインの他方に接続される。つまり、ノードSNは、同じメモリセルのOSトランジスタMO63のソースおよびドレインの一方として機能し、且つ隣接するメモリセルのOSトランジスタMO63のソースおよびドレインの他方として機能する。直列に接続された複数のメモリセル1615の端のメモリセル1615において、OSトランジスタMO63のソースおよびドレインの他方は、ビット線WBLと電気的に接続される。   In the memory cell 1615 shown in FIG. 30, one of the source and the drain of the OS transistor MO63 is connected to the other of the source and the drain of the OS transistor MO63 of the adjacent memory cell. That is, the node SN functions as one of the source and drain of the OS transistor MO63 of the same memory cell, and also functions as the other of the source and drain of the OS transistor MO63 of the adjacent memory cell. In the memory cell 1615 at the end of the plurality of memory cells 1615 connected in series, the other of the source and the drain of the OS transistor MO63 is electrically connected to the bit line WBL.

ここで、図31に、ビット線WBLに接続されたメモリセル1615、およびそれに隣接するメモリセル1615に対応する断面図を示す。図31に示すように、図30に示すメモリセルアレイ1610では、直列に接続される複数のOSトランジスタMO63が一つの島状の酸化物230に形成される。直列に接続される複数のOSトランジスタMO63の端の、OSトランジスタMO63のソースおよびドレインの他方に、導電体240aを介して、ビット線WBLとして機能する導電体256が接続される。なお、図29に示す構成で、図22に示す構成と同じ符号が付されたものは、その記載を参酌することができる。   Here, FIG. 31 shows a cross-sectional view corresponding to the memory cell 1615 connected to the bit line WBL and the memory cell 1615 adjacent thereto. As shown in FIG. 31, in the memory cell array 1610 shown in FIG. 30, a plurality of OS transistors MO 63 connected in series are formed in one island-shaped oxide 230. A conductor 256 functioning as a bit line WBL is connected to the other of the source and the drain of the OS transistor MO63 at the end of the plurality of OS transistors MO63 connected in series via the conductor 240a. The description can be referred to for the configuration shown in FIG. 29 that is given the same reference numeral as the configuration shown in FIG.

また、図30に示すメモリセルアレイ1610の書き込み動作および読み出し動作は、基本的に図28に示すメモリセルアレイ1610の書き込み動作および読み出し動作を参酌することができる。ただし、図30に示すメモリセルアレイ1610において、各メモリセル1615のノードSNは、同じメモリセルのOSトランジスタMO63と、隣接するメモリセルのOSトランジスタMO63に接続されている。このため、どちらかのOSトランジスタMO63がオン状態になると、ノードSNに保持された電荷が抜けて、書き込んだデータが消えてしまう。   The write operation and the read operation of the memory cell array 1610 shown in FIG. 30 can basically refer to the write operation and the read operation of the memory cell array 1610 shown in FIG. However, in the memory cell array 1610 shown in FIG. 30, the node SN of each memory cell 1615 is connected to the OS transistor MO63 of the same memory cell and the OS transistor MO63 of the adjacent memory cell. Therefore, when one of the OS transistors MO63 is turned on, the charge held at the node SN is released, and the written data is erased.

よって、図30に示すメモリセルアレイ1610の書き込み動作においては、まず、ビット線WBLから最も離れたメモリセル列で書き込み動作を行う。次に、データを書き込んだメモリセル列に隣接するメモリセル列で書き込み動作を行う。以下、ビット線WBLに接続されたメモリセル列まで順番に書き込み動作を行う。このように、ビット線WBLから最も離れたメモリセル列から、ビット線WBLに接続されたメモリセル列まで順番に書き込み動作を行うことで、書き込み済みのノードSNに接続されたOSトランジスタMO63を、オン状態にせずに、書き込み動作を行うことができる。これにより、図30に示すメモリセルアレイ1610の書き込み動作中にデータが消えることを防ぐことができる。   Therefore, in the write operation of memory cell array 1610 shown in FIG. 30, first, the write operation is performed with the memory cell column farthest from bit line WBL. Next, the write operation is performed on the memory cell column adjacent to the memory cell column in which the data is written. Thereafter, the write operation is performed in order up to the memory cell column connected to the bit line WBL. Thus, the OS transistor MO63 connected to the written node SN is obtained by sequentially performing the write operation from the memory cell column farthest from the bit line WBL to the memory cell column connected to the bit line WBL. The write operation can be performed without being turned on. Thus, it is possible to prevent data from being erased during the write operation of memory cell array 1610 shown in FIG.

容量素子C61、容量素子C62、または容量素子C63の充放電によってデータを書き換えるため、NOSRAM1600は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。   Since data is rewritten by charging / discharging of the capacitive element C61, the capacitive element C62, or the capacitive element C63, the number of times of rewriting is in principle not limited, and data can be written and read with low energy. In addition, since it is possible to hold data for a long time, the refresh frequency can be reduced.

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1611、1612、1613、1614、1615に用いる場合、OSトランジスタMO61、MO62、MO63としてトランジスタ200を用い、容量素子C61、C62、C63として容量素子100を用い、トランジスタMP61、MP62、MP63、MN61、MN62、MN63、MN64としてトランジスタ300を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。   When the semiconductor device described in the above embodiment is used for the memory cells 1611, 1612, 1613, 1614, and 1615, the transistor 200 is used as the OS transistors MO61, MO62, and MO63, and the capacitor 100 is used as the capacitors C61, C62, and C63. The transistor 300 can be used as the transistors MP61, MP62, MP63, MN61, MN62, MN63, and MN64. Thus, the area occupied by the pair of the transistor and the capacitor in top view can be reduced, so that the memory device according to this embodiment can be further highly integrated. Therefore, the storage capacity per unit area of the storage device according to the present embodiment can be increased.

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

(実施の形態6)
本実施の形態では、図32および図33を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、DOSRAMについて説明する。DOSRAM(登録商標)とは、「Dynamic Oxide Semiconductor RAM」の略称であり、1T(トランジスタ)1C(容量)型のメモリセルを有するRAMを指す。DOSRAMも、NOSRAMと同様に、OSメモリが適用されている。
Sixth Embodiment
In this embodiment, a DOSRAM will be described as an example of a memory device to which an OS transistor and a capacitor are applied according to one embodiment of the present invention with reference to FIGS. 32 and 33. DOSRAM (registered trademark) is an abbreviation of "Dynamic Oxide Semiconductor RAM", and refers to a RAM having memory cells of 1T (transistor) 1C (capacitance) type. OS memory is applied to the DOSRAM as well as the NOSRAM.

<<DOSRAM1400>>
図32にDOSRAMの構成例を示す。図32に示すように、DOSRAM1400は、コントローラ1405、行回路1410、列回路1415、メモリセルおよびセンスアンプアレイ1420(以下、「MC−SAアレイ1420」と呼ぶ。)を有する。
<< DOSRAM1400 >>
FIG. 32 shows a configuration example of the DOSRAM. As shown in FIG. 32, the DOSRAM 1400 has a controller 1405, a row circuit 1410, a column circuit 1415, a memory cell and a sense amplifier array 1420 (hereinafter referred to as "MC-SA array 1420").

行回路1410はデコーダ1411、ワード線ドライバ回路1412、列セレクタ1413、センスアンプドライバ回路1414を有する。列回路1415はグローバルセンスアンプアレイ1416、入出力回路1417を有する。グローバルセンスアンプアレイ1416は複数のグローバルセンスアンプ1447を有する。MC−SAアレイ1420はメモリセルアレイ1422、センスアンプアレイ1423、グローバルビット線GBLL、GBLRを有する。   The row circuit 1410 includes a decoder 1411, a word line driver circuit 1412, a column selector 1413, and a sense amplifier driver circuit 1414. The column circuit 1415 has a global sense amplifier array 1416 and an input / output circuit 1417. The global sense amplifier array 1416 has a plurality of global sense amplifiers 1447. The MC-SA array 1420 has a memory cell array 1422, a sense amplifier array 1423, and global bit lines GBLL and GBLR.

(MC−SAアレイ1420)
MC−SAアレイ1420は、メモリセルアレイ1422をセンスアンプアレイ1423上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線GBLL、GBLRはメモリセルアレイ1422上に積層されている。DOSRAM1400では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
(MC-SA array 1420)
The MC-SA array 1420 has a stacked structure in which the memory cell array 1422 is stacked on the sense amplifier array 1423. Global bit lines GBLL and GBLR are stacked on memory cell array 1422. In the DOSRAM 1400, a hierarchical bit line structure hierarchized by local bit lines and global bit lines is adopted as the structure of bit lines.

メモリセルアレイ1422は、N個(Nは2以上の整数)のローカルメモリセルアレイ1425<0>―1425<N−1>を有する。図33(A)にローカルメモリセルアレイ1425の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ1425は、複数のメモリセル1445、複数のワード線WL、複数のビット線BLL、BLRを有する。図33(A)の例では、ローカルメモリセルアレイ1425の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。   Memory cell array 1422 includes N (N is an integer of 2 or more) local memory cell arrays 1425 <0> to 1425 <N−1>. A configuration example of the local memory cell array 1425 is shown in FIG. The local memory cell array 1425 has a plurality of memory cells 1445, a plurality of word lines WL, and a plurality of bit lines BLL and BLR. In the example of FIG. 33A, the structure of the local memory cell array 1425 is an open bit line type, but may be a folded bit line type.

図33(B)にメモリセル1445の回路構成例を示す。メモリセル1445はトランジスタMW1、容量素子CS1、端子B1、B2を有する。トランジスタMW1は容量素子CS1の充放電を制御する機能をもつ。トランジスタMW1のゲートはワード線に電気的に接続され、第1端子はビット線に電気的に接続され、第2端子は容量素子の第1端子に電気的に接続されている。容量素子CS1の第2端子は端子B2に電気的に接続されている。端子B2には、定電圧(例えば、低電源電圧)が入力される。   An example of a circuit configuration of the memory cell 1445 is shown in FIG. The memory cell 1445 includes a transistor MW1, a capacitor CS1, and terminals B1 and B2. The transistor MW1 has a function of controlling charging and discharging of the capacitive element CS1. The gate of the transistor MW1 is electrically connected to the word line, the first terminal is electrically connected to the bit line, and the second terminal is electrically connected to the first terminal of the capacitive element. The second terminal of the capacitive element CS1 is electrically connected to the terminal B2. A constant voltage (for example, low power supply voltage) is input to the terminal B2.

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル1445に用いる場合、トランジスタMW1としてトランジスタ200を用い、容量素子CS1として容量素子100を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。   In the case of using the semiconductor device described in the above embodiment for the memory cell 1445, the transistor 200 can be used as the transistor MW1 and the capacitor 100 can be used as the capacitor CS1. Thus, the area occupied by the pair of the transistor and the capacitor in top view can be reduced, so that the memory device according to this embodiment can be highly integrated. Therefore, the storage capacity per unit area of the storage device according to the present embodiment can be increased.

トランジスタMW1はバックゲートを備えており、バックゲートは端子B1に電気的に接続されている。そのため、端子B1の電圧によって、トランジスタMW1の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子B1の電圧は固定電圧(例えば、負の定電圧)であってもよいし、DOSRAM1400の動作に応じて、端子B1の電圧を変化させてもよい。   The transistor MW1 has a back gate, and the back gate is electrically connected to the terminal B1. Therefore, the threshold voltage of the transistor MW1 can be changed by the voltage of the terminal B1. For example, the voltage of the terminal B1 may be a fixed voltage (for example, a negative constant voltage), or the voltage of the terminal B1 may be changed according to the operation of the DOS RAM 1400.

トランジスタMW1のバックゲートをトランジスタMW1のゲート、ソース、またはドレインに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタMW1にバックゲートを設けなくてもよい。   The back gate of the transistor MW1 may be electrically connected to the gate, the source, or the drain of the transistor MW1. Alternatively, the transistor MW1 may not be provided with a back gate.

センスアンプアレイ1423は、N個のローカルセンスアンプアレイ1426<0>―1426<N−1>を有する。ローカルセンスアンプアレイ1426は、1のスイッチアレイ1444、複数のセンスアンプ1446を有する。センスアンプ1446には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ1446は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。スイッチアレイ1444は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対と間を導通状態にする機能を有する。   Sense amplifier array 1423 includes N local sense amplifier arrays 1426 <0> -1426 <N-1>. The local sense amplifier array 1426 includes one switch array 1444 and a plurality of sense amplifiers 1446. A bit line pair is electrically connected to sense amplifier 1446. The sense amplifier 1446 has a function of precharging the bit line pair, a function of amplifying a voltage difference between the bit line pair, and a function of holding the voltage difference. Switch array 1444 has a function of selecting a bit line pair and electrically connecting the selected bit line pair and the global bit line pair.

ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される2本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される2本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線BLLとビット線BLRが1組のビット線対を成す。グローバルビット線GBLLとグローバルビット線GBLRとが1組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対(BLL,BLR)、グローバルビット線対(BLL,BLR)とも表す。   Here, the bit line pair means two bit lines which are simultaneously compared by the sense amplifier. The global bit line pair refers to two global bit lines which are simultaneously compared by the global sense amplifier. A bit line pair can be called a pair of bit lines, and a global bit line pair can be called a pair of global bit lines. Here, the bit line BLL and the bit line BLR form a pair of bit lines. Global bit line GBLL and global bit line GBLR form a pair of global bit lines. Hereinafter, the term “bit line pair (BLL, BLR)” and “global bit line pair (BLL, BLR)” are also used.

(コントローラ1405)
コントローラ1405は、DOSRAM1400の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ1405は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路1410、列回路1415の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
(Controller 1405)
The controller 1405 has a function of controlling the overall operation of the DOS RAM 1400. The controller 1405 performs a logical operation on an externally input command signal to determine an operation mode, and generates a control signal for the row circuit 1410 and the column circuit 1415 so that the determined operation mode is executed. And a function of holding an address signal input from the outside, and a function of generating an internal address signal.

(行回路1410)
行回路1410は、MC−SAアレイ1420を駆動する機能を有する。デコーダ1411はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路1412は、アクセス対象行のワード線WLを選択する選択信号を生成する。
(Row circuit 1410)
The row circuit 1410 has a function of driving the MC-SA array 1420. The decoder 1411 has a function of decoding an address signal. The word line driver circuit 1412 generates a selection signal for selecting the word line WL in the access target row.

列セレクタ1413、センスアンプドライバ回路1414はセンスアンプアレイ1423を駆動するための回路である。列セレクタ1413は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ1413の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ1426のスイッチアレイ1444が制御される。センスアンプドライバ回路1414の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ1426は独立して駆動される。   The column selector 1413 and the sense amplifier driver circuit 1414 are circuits for driving the sense amplifier array 1423. The column selector 1413 has a function of generating a selection signal for selecting a bit line of the access target column. The selection signal of column selector 1413 controls switch array 1444 of each local sense amplifier array 1426. The control signals of the sense amplifier driver circuit 1414 drive the plurality of local sense amplifier arrays 1426 independently.

(列回路1415)
列回路1415は、データ信号WDA[31:0]の入力を制御する機能、データ信号RDA[31:0]の出力を制御する機能を有する。データ信号WDA[31:0]は書き込みデータ信号であり、データ信号RDA[31:0]は読み出しデータ信号である。
(Column circuit 1415)
Column circuit 1415 has a function of controlling an input of data signal WDA [31: 0] and a function of controlling an output of data signal RDA [31: 0]. The data signal WDA [31: 0] is a write data signal, and the data signal RDA [31: 0] is a read data signal.

グローバルセンスアンプ1447はグローバルビット線対(GBLL,GBLR)に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ1447はグローバルビット線対(GBLL,GBLR)間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グローバルビット線対(GBLL,GBLR)へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路1417によって行われる。   Global sense amplifier 1447 is electrically connected to global bit line pair (GBLL, GBLR). The global sense amplifier 1447 has a function of amplifying a voltage difference between the global bit line pair (GBLL, GBLR) and a function of holding this voltage difference. Writing and reading of data to the global bit line pair (GBLL, GBLR) are performed by the input / output circuit 1417.

DOSRAM1400の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路1417によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ1416によって保持される。アドレスが指定するローカルセンスアンプアレイ1426のスイッチアレイ1444によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ1426は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ1425において、行回路1410によって、対象行のワード線WLが選択され、選択行のメモリセル1445にローカルセンスアンプアレイ1426の保持データが書き込まれる。   An outline of the write operation of the DOSRAM 1400 will be described. Data is written to the global bit line pair by input / output circuit 1417. Data of the global bit line pair is held by the global sense amplifier array 1416. The data of the global bit line pair is written to the bit line pair of the target column by the switch array 1444 of the local sense amplifier array 1426 designated by the address. The local sense amplifier array 1426 amplifies and holds the written data. In the designated local memory cell array 1425, the row circuit 1410 selects the word line WL of the target row, and the data held by the local sense amplifier array 1426 is written to the memory cell 1445 of the selected row.

DOSRAM1400の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ1425の1行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ1425において、対象行のワード線WLが選択状態となり、メモリセル1445のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ1426によって、各列のビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ1444によって、ローカルセンスアンプアレイ1426の保持データの内、アドレスが指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ1416は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ1416の保持データは入出力回路1417に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。   An outline of the read operation of the DOSRAM 1400 will be described. One row of the local memory cell array 1425 is designated by the address signal. In the designated local memory cell array 1425, the word line WL in the target row is selected, and the data of the memory cell 1445 is written to the bit line. The local sense amplifier array 1426 detects and holds the voltage difference of the bit line pair of each column as data. Among the data held in local sense amplifier array 1426, data in the column designated by the address is written to the global bit line pair by switch array 1444. Global sense amplifier array 1416 detects and holds data of global bit line pairs. The held data of the global sense amplifier array 1416 is output to the input / output circuit 1417. Thus, the read operation is completed.

容量素子CS1の充放電によってデータを書き換えるため、DOSRAM1400には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル1445の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。   Since the data is rewritten by the charge and discharge of the capacitive element CS1, the number of times of rewriting is not limited in principle in the DOSRAM 1400, and data can be written and read with low energy. In addition, since the circuit configuration of the memory cell 1445 is simple, the capacity can be easily increased.

トランジスタMW1はOSトランジスタである。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子CS1から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、DOSRAM1400の保持時間はDRAMに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、DOSRAM1400は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。   The transistor MW1 is an OS transistor. Since the off-state current of the OS transistor is extremely small, charge leakage from the capacitive element CS1 can be suppressed. Therefore, the retention time of the DOS RAM 1400 is very long compared to the DRAM. Therefore, since the frequency of refresh can be reduced, the power required for the refresh operation can be reduced. Therefore, the DOSRAM 1400 is suitable for a memory device that rewrites a large amount of data with high frequency, for example, a frame memory used for image processing.

MC−SAアレイ1420が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ1426の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル1445の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ1426にスイッチアレイ1444を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、DOSRAM1400のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。   Since MC-SA array 1420 has a stacked structure, bit lines can be shortened to a length approximately equal to the length of local sense amplifier array 1426. By shortening the bit line, the bit line capacitance can be reduced and the storage capacitance of the memory cell 1445 can be reduced. Further, by providing the switch array 1444 in the local sense amplifier array 1426, the number of long bit lines can be reduced. From the above reasons, the load driven at the time of access to the DOS RAM 1400 is reduced, and power consumption can be reduced.

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

(実施の形態7)
本実施の形態では、図34から図37を用いて、本発明の一態様に係る、OSトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、FPGA(フィールドブログラマブルブゲートアレイ)について説明する。本実施の形態のFPGAは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにOSメモリが適用されている。ここでは、このようなFPGAを「OS−FPGA」と呼ぶ。
Seventh Embodiment
In this embodiment, as an example of a semiconductor device to which an OS transistor and a capacitor are applied according to one embodiment of the present invention, referring to FIGS. 34 to 37, an FPGA (field programmable gate array) is used. explain. In the FPGA of this embodiment, an OS memory is applied to a configuration memory and a register. Here, such an FPGA is called "OS-FPGA".

<<OS−FPGA>>
図34(A)にOS−FPGAの構成例を示す。図34(A)に示すOS−FPGA3110は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替え、細粒度パワーゲーティング、NOFF(ノーマリオフ)コンピューティングが可能である。OS−FPGA3110は、コントローラ3111、ワードドライバ3112、データドライバ3113、プログラマブルエリア3115を有する。
<< OS-FPGA >>
FIG. 34A shows a configuration example of the OS-FPGA. The OS-FPGA 3110 shown in FIG. 34A is capable of context switching with a multi-context structure, fine-grained power gating, and NOFF (normally off) computing. The OS-FPGA 3110 includes a controller 3111, a word driver 3112, a data driver 3113, and a programmable area 3115.

プログラマブルエリア3115は、2個の入出力ブロック(IOB)3117、コア3119を有する。IOB3117は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア3119は、複数のロジックアレイブロック(LAB)3120、複数のスイッチアレイブロック(SAB)3130を有する。LAB3120は複数のPLE3121を有する。図34(B)には、LAB3120を5個のPLE3121で構成する例を示す。図34(C)に示すようにSAB3130はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック(SB)3131を有する。LAB3120は自身の入力端子と、SAB3130を介して4(上下左右)方向のLAB3120に接続される。   The programmable area 3115 has two input / output blocks (IOBs) 3117 and a core 3119. The IOB 3117 has a plurality of programmable input / output circuits. The core 3119 includes a plurality of logic array blocks (LABs) 3120 and a plurality of switch array blocks (SABs) 3130. The LAB 3120 has a plurality of PLEs 3121. FIG. 34B shows an example in which LAB 3120 is configured of five PLEs 3121. As shown in FIG. 34C, the SAB 3130 has a plurality of switch blocks (SB) 3131 arranged in an array. The LAB 3120 is connected to its own input terminal and the LAB 3120 in four (upper, lower, left, and right) directions via the SAB 3130.

図35(A)乃至図35(C)を参照して、SB3131について説明する。図35(A)に示すSB3131には、data、datab、信号context[1:0]、word[1:0]が入力される。data、databはコンフィギュレーションデータであり、dataとdatabは論理が相補的な関係にある。OS−FPGA3110のコンテキスト数は2であり、信号context[1:0]はコンテキスト選択信号である。信号word[1:0]はワード線選択信号であり、信号word[1:0]が入力される配線がそれぞれワード線である。   The SB 3131 will be described with reference to FIGS. 35 (A) to 35 (C). Data and datab, and signals context [1: 0] and word [1: 0] are input to the SB 3131 shown in FIG. data and datab are configuration data, and data and datab are in a complementary relationship with each other. The number of contexts of the OS-FPGA 3110 is 2, and the signals context [1: 0] are context selection signals. The signal word [1: 0] is a word line selection signal, and the wiring to which the signal word [1: 0] is input is a word line.

SB3131は、PRS(プログラマブルルーティングスイッチ)3133[0]、3133[1]を有する。PRS3133[0]、3133[1]は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ(CM)を有する。なお、PRS3133[0]とPRS3133[1]とを区別しない場合、PRS3133と呼ぶ。他の要素についても同様である。   The SB 3131 includes PRS (programmable routing switches) 3133 [0] and 3133 [1]. The PRS 3133 [0] and 3133 [1] have a configuration memory (CM) that can store complementary data. When the PRS 3133 [0] and the PRS 3133 [1] are not distinguished, they are referred to as the PRS 3133. The same applies to the other elements.

図35(B)にPRS3133[0]の回路構成例を示す。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは同じ回路構成を有する。PRS3133[0]とPRS3133[1]とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号context[0]、word[0]はPRS3133[0]に入力され、信号context[1]、word[1]はPRS3133[1]に入力される。例えば、SB3131において、信号context[0]が“H”になることで、PRS3133[0]がアクティブになる。   FIG. 35B shows a circuit configuration example of PRS3133 [0]. The PRS3133 [0] and the PRS3133 [1] have the same circuit configuration. The PRS 3133 [0] and the PRS 3133 [1] are different in the context selection signal and the word line selection signal that are input. Signals context [0] and word [0] are input to PRS 3133 [0], and signals context [1] and word [1] are input to PRS 3133 [1]. For example, in SB 3131, PRS 3133 [0] becomes active when the signal context [0] becomes “H”.

PRS3133[0]は、CM3135、SiトランジスタM31を有する。SiトランジスタM31は、CM3135により制御されるパストランジスタである。CM3135は、メモリ回路3137、3137Bを有する。メモリ回路3137、3137Bは同じ回路構成である。メモリ回路3137は、容量素子C31、OSトランジスタMO31、MO32を有する。メモリ回路3137Bは、容量素子CB31、OSトランジスタMOB31、MOB32を有する。   The PRS 3133 [0] has a CM 3135 and a Si transistor M31. The Si transistor M31 is a pass transistor controlled by the CM 3135. The CM 3135 has memory circuits 3137 and 3137B. The memory circuits 3137 and 3137B have the same circuit configuration. The memory circuit 3137 includes a capacitor C31 and OS transistors MO31 and MO32. The memory circuit 3137B includes a capacitive element CB31, an OS transistor MOB31, and an MOB32.

上記実施の形態に示す半導体装置をSAB3130に用いる場合、OSトランジスタMO31、MOB31としてトランジスタ200を用い、容量素子C31、CB31として容量素子100を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。   In the case of using the semiconductor device described in the above embodiment for the SAB 3130, the transistor 200 can be used as the OS transistors MO31 and MOB31, and the capacitor 100 can be used as the capacitors C31 and CB31. Thus, the area occupied by the pair of transistor and capacitive element in top view can be reduced, so that the semiconductor device according to this embodiment can be highly integrated.

OSトランジスタMO31、MO32、MOB31、MOB32はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。   The OS transistors MO31, MO32, MOB31, and MOB32 have back gates, and these back gates are electrically connected to power supply lines supplying fixed voltages.

SiトランジスタM31のゲートがノードN31であり、OSトランジスタMO32のゲートがノードN32であり、OSトランジスタMOB32のゲートがノードNB32である。ノードN32、NB32はCM3135の電荷保持ノードである。OSトランジスタMO32はノードN31と信号context[0]用の信号線との間の導通状態を制御する。OSトランジスタMOB32はノードN31と低電位電源線VSSとの間の導通状態を制御する。   The gate of the Si transistor M31 is a node N31, the gate of the OS transistor MO32 is a node N32, and the gate of the OS transistor MOB32 is a node NB32. The nodes N32 and NB32 are charge holding nodes of the CM 3135. The OS transistor MO32 controls conduction between the node N31 and the signal line for the signal context [0]. The OS transistor MOB32 controls the conduction between the node N31 and the low potential power supply line VSS.

メモリ回路3137、3137Bが保持するデータは相補的な関係にある。したがって、OSトランジスタMO32またはMOB32の何れか一方が導通する。   The data held by the memory circuits 3137 and 3137B are in a complementary relationship. Therefore, either one of the OS transistor MO32 or MOB 32 conducts.

図35(C)を参照して、PRS3133[0]の動作例を説明する。PRS3133[0]にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、PRS3133[0]のノードN32は“H”であり、ノードNB32は“L”である。   An operation example of the PRS 3133 [0] will be described with reference to FIG. Configuration data has already been written to the PRS 3133 [0], the node N 32 of the PRS 3133 [0] is “H”, and the node NB 32 is “L”.

信号contex[0]が“L”である間はPRS3133[0]は非アクティブである。この期間に、PRS3133[0]の入力端子が“H”に遷移しても、SiトランジスタM31のゲートは“L”が維持され、PRS3133[0]の出力端子も“L”が維持される。   While the signal contex [0] is "L", the PRS 3133 [0] is inactive. During this period, even if the input terminal of the PRS 3133 [0] changes to “H”, the gate of the Si transistor M31 is maintained at “L”, and the output terminal of the PRS 3133 [0] is also maintained “L”.

信号contex[0]が“H”である間はPRS3133[0]はアクティブである。信号contex[0]が“H”に遷移すると、CM3135が記憶するコンフィギュレーションデータによって、SiトランジスタM31のゲートは“H”に遷移する。   While the signal contex [0] is "H", the PRS 3133 [0] is active. When the signal contex [0] transitions to “H”, the gate of the Si transistor M31 transitions to “H” according to the configuration data stored in the CM 3135.

PRS3133[0]がアクティブである期間に、入力端子が“H”に遷移すると、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32がソースフォロアであるために、ブースティングによってSiトランジスタM31のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路3137のOSトランジスタMO32は駆動能力を失い、SiトランジスタM31のゲートは浮遊状態となる。   When the input terminal changes to "H" while PRS 3133 [0] is active, the gate voltage of the Si transistor M31 is increased by boosting because the OS transistor MO32 of the memory circuit 3137 is a source follower. As a result, the OS transistor MO32 of the memory circuit 3137 loses the driving capability, and the gate of the Si transistor M31 is in a floating state.

マルチコンテキスト機能を備えるPRS3133において、CM3135はマルチプレサの機能を併せ持つ。   In the PRS 3133 with multi-context capability, the CM 3135 combines the functionality of a multiplexer.

図36にPLE3121の構成例を示す。PLE3121はLUT(ルックアップテーブル)ブロック3123、レジスタブロック3124、セレクタ3125、CM3126を有する。LUTブロック3123は、入力inA−inDに従って内部の16ビットCM対の出力をマルチプレクスする構成である。セレクタ3125は、CM3126が格納するコンフィギュレーションに従って、LUTブロック3123の出力またはレジスタブロック3124の出力を選択する。   FIG. 36 shows a configuration example of PLE 3121. The PLE 3121 has a LUT (look-up table) block 3123, a register block 3124, a selector 3125, and a CM 3126. The LUT block 3123 is configured to multiplex the output of the internal 16-bit CM pair according to the input inA-inD. The selector 3125 selects the output of the LUT block 3123 or the output of the register block 3124 according to the configuration stored in the CM 3126.

PLE3121は、パワースイッチ3127を介して電圧VDD用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ3127のオンオフは、CM3128が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各PLE3121にパワースイッチ3127を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないPLE3121をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。   The PLE 3121 is electrically connected to the power supply line for the voltage VDD through the power switch 3127. The on / off of the power switch 3127 is set by configuration data stored in the CM 3128. By providing the power switch 3127 in each PLE 3121, fine grained power gating is possible. The fine-grained power gating function allows power gating of PLE 3121 which is not used after context switching, so standby power can be effectively reduced.

NOFFコンピューティングを実現するため、レジスタブロック3124は、不揮発性レジスタで構成される。PLE3121内の不揮発性レジスタはOSメモリを備えるフリップフロップ(以下[OS−FF]と呼ぶ)である。   In order to implement NOFF computing, the register block 3124 is configured with non-volatile registers. The non-volatile register in PLE 3121 is a flip flop (hereinafter referred to as [OS-FF]) including an OS memory.

レジスタブロック3124は、OS−FF3140[1]3140[2]を有する。信号user_res、load、storeがOS−FF3140[1]、3140[2]に入力される。クロック信号CLK1はOS−FF3140[1]に入力され、クロック信号CLK2はOS−FF3140[2]に入力される。図37(A)にOS−FF3140の構成例を示す。   The register block 3124 has an OS-FF 3140 [1] 3140 [2]. The signals user_res, load, and store are input to the OS-FFs 3140 [1] and 3140 [2]. The clock signal CLK1 is input to the OS-FF 3140 [1], and the clock signal CLK2 is input to the OS-FF 3140 [2]. FIG. 37A shows a configuration example of the OS-FF 3140.

OS−FF3140は、FF3141、シャドウレジスタ3142を有する。FF3141は、ノードCK、R、D、Q、QBを有する。ノードCKにはクロック信号が入力される。ノードRには信号user_resが入力される。信号user_resはリセット信号である。ノードDはデータ入力ノードであり、ノードQはデータ出力ノードである。ノードQとノードQBとは論理が相補関係にある。   The OS-FF 3140 has an FF 3141 and a shadow register 3142. The FF 3141 has nodes CK, R, D, Q, and QB. The clock signal is input to the node CK. The signal user_res is input to the node R. The signal user_res is a reset signal. Node D is a data input node, and node Q is a data output node. The logic of the node Q and the node QB are complementary to each other.

シャドウレジスタ3142は、FF3141のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ3142は、信号storeに従いノードQ、QBのデータをそれぞれバックアップし、また、信号loadに従い、バックアップしたデータをノードQ、QBに書き戻す。   The shadow register 3142 functions as a backup circuit of the FF 3141. The shadow register 3142 backs up the data of the nodes Q and QB according to the signal store, and writes the backed up data back to the nodes Q and QB according to the signal load.

シャドウレジスタ3142は、インバータ回路3188、3189、SiトランジスタM37、MB37、メモリ回路3143、3143Bを有する。メモリ回路3143、3143Bは、PRS3133のメモリ回路3137と同じ回路構成である。メモリ回路3143は容量素子C36、OSトランジスタMO35、MO36を有する。メモリ回路3143Bは容量素子CB36、OSトランジスタMOB35、OSトランジスタMOB36を有する。ノードN36、NB36はOSトランジスタMO36、OSトランジスタMOB36のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードN37、NB37は、SiトランジスタM37、MB37のゲートである。   The shadow register 3142 includes inverter circuits 3188 and 3189, Si transistors M37 and MB37, and memory circuits 3143 and 3143B. The memory circuits 3143 and 3143 B have the same circuit configuration as the memory circuit 3137 of the PRS 3133. The memory circuit 3143 includes a capacitive element C36 and OS transistors MO35 and MO36. The memory circuit 3143B includes a capacitive element CB36, an OS transistor MOB35, and an OS transistor MOB36. Nodes N36 and NB36 are gates of the OS transistor MO36 and the OS transistor MOB36, respectively, and are charge holding nodes, respectively. Nodes N37 and NB37 are gates of the Si transistors M37 and MB37.

上記実施の形態に示す半導体装置をLAB3120に用いる場合、OSトランジスタMO35、MOB35としてトランジスタ200を用い、容量素子C36、CB36として容量素子100を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。   In the case of using the semiconductor device described in the above embodiment for the LAB 3120, the transistor 200 can be used as the OS transistors MO35 and MOB 35, and the capacitor 100 can be used as the capacitors C36 and CB36. Thus, the area occupied by the pair of transistor and capacitive element in top view can be reduced, so that the semiconductor device according to this embodiment can be highly integrated.

OSトランジスタMO35、MO36、MOB35、MOB36はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。   The OS transistors MO35, MO36, MOB35, and MOB36 each have a back gate, which is electrically connected to a power supply line supplying a fixed voltage.

図37(B)を参照して、OS−FF3140の動作方法例を説明する。   An operation method example of the OS-FF 3140 will be described with reference to FIG.

(バックアップ)
“H”の信号storeがOS−FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はFF3141のデータをバックアップする。ノードN36は、ノードQのデータが書き込まれることで、“L”となり、ノードNB36は、ノードQBのデータが書き込まれることで、“H”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ3127をオフにする。FF3141のノードQ、QBのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ3142はバックアップしたデータを保持する。
(backup)
When the signal store of “H” is input to the OS-FF 3140, the shadow register 3142 backs up the data of the FF 3141. The node N36 becomes "L" by writing the data of the node Q, and the node NB36 becomes "H" by writing the data of the node QB. After that, power gating is performed to turn off the power switch 3127. Although the data of the nodes Q and QB of the FF 3141 disappears, the shadow register 3142 holds the backed up data even if the power is off.

(リカバリ)
パワースイッチ3127をオンにし、PLE3121に電源を供給する。しかる後、“H”の信号loadがOS−FF3140に入力されると、シャドウレジスタ3142はバックアップしているデータをFF3141に書き戻す。ノードN36は“L”であるので、ノードN37は“L”が維持され、ノードNB36は“H”であるので、ノードNB37は“H”となる。よって、ノードQは“H”になり、ノードQBは“L”になる。つまり、OS−FF3140はバックアップ動作時の状態に復帰する。
(recovery)
The power switch 3127 is turned on to supply power to the PLE 3121. Thereafter, when the signal “load” of “H” is input to the OS-FF 3140, the shadow register 3142 writes back the data being backed up to the FF 3141. Since the node N36 is at "L", the node N37 is maintained at "L" and the node NB36 is at "H", so the node NB37 becomes "H". Therefore, the node Q becomes "H" and the node QB becomes "L". That is, the OS-FF 3140 returns to the state at the time of backup operation.

細粒度パワーゲーティングと、OS−FF3140のバックアップ/リカバリ動作とを組み合わせることで、OS−FPGA3110の消費電力を効果的に低減できる。   The power consumption of the OS-FPGA 3110 can be effectively reduced by combining the fine-grained power gating and the backup / recovery operation of the OS-FF 3140.

メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。OSトランジスタを用いたOSメモリはソフトエラー耐性が高い。そのたため、OSメモリを搭載することで、信頼性の高いOS−FPGA3110を提供することができる。   Errors that may occur in memory circuits include soft errors due to the incidence of radiation. A soft error is a secondary space generated by nuclear reaction between alpha rays emitted from materials that make up memories and packages, etc., and primary cosmic rays that enter the atmosphere from space with atomic nuclei of atoms present in the atmosphere. This is a phenomenon in which erroneous operation such as inversion of data held in the memory occurs when electron neutron and the like are irradiated to the transistor and electron-hole pairs are generated. An OS memory using an OS transistor is highly resistant to soft errors. Therefore, by mounting the OS memory, a highly reliable OS-FPGA 3110 can be provided.

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

(実施の形態8)
本実施の形態では、図38を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、AIシステムについて説明を行う。
Eighth Embodiment
In this embodiment mode, an AI system to which the semiconductor device described in the above embodiment mode is applied will be described with reference to FIG.

図38はAIシステム4041の構成例を示すブロック図である。AIシステム4041は、演算部4010と、制御部4020と、入出力部4030を有する。   FIG. 38 is a block diagram showing a configuration example of an AI system 4041. As shown in FIG. The AI system 4041 includes an operation unit 4010, a control unit 4020, and an input / output unit 4030.

演算部4010は、アナログ演算回路4011と、DOSRAM4012と、NOSRAM4013と、FPGA4014と、を有する。DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014として、上記実施の形態に示す、DOSRAM1400、NOSRAM1600、およびOS−FPGA3110を用いることができる。   The operation unit 4010 includes an analog operation circuit 4011, a DOSRAM 4012, a NOSRAM 4013, and an FPGA 4014. As the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014, the DOSRAM 1400, the NOSRAM 1600, and the OS-FPGA 3110 described in the above embodiment can be used.

制御部4020は、CPU(Central Processing Unit)4021と、GPU(Graphics Processing Unit)4022と、PLL(Phase Locked Loop)4023と、SRAM(Static Random Access Memory)4024と、PROM(Programmable Read Only Memory)4025と、メモリコントローラ4026と、電源回路4027と、PMU(Power Management Unit)4028と、を有する。   The control unit 4020 includes a central processing unit (CPU) 4021, a graphics processing unit (GPU) 4022, a phase locked loop (PLL) 4023, a static random access memory (SRAM) 4024, and a programmable read only memory (PROM) 4025. , A memory controller 4026, a power supply circuit 4027, and a PMU (Power Management Unit) 4028.

入出力部4030は、外部記憶制御回路4031と、音声コーデック4032と、映像コーデック4033と、汎用入出力モジュール4034と、通信モジュール4035と、を有する。   The input / output unit 4030 includes an external storage control circuit 4031, an audio codec 4032, a video codec 4033, a general purpose input / output module 4034, and a communication module 4035.

演算部4010は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。   The operation unit 4010 can execute learning or inference by a neural network.

アナログ演算回路4011はA/D(アナログ/デジタル)変換回路、D/A(デジタル/アナログ)変換回路、および積和演算回路を有する。   The analog operation circuit 4011 includes an A / D (analog / digital) conversion circuit, a D / A (digital / analog) conversion circuit, and a product-sum operation circuit.

アナログ演算回路4011はOSトランジスタを用いて形成することが好ましい。OSトランジスタを用いたアナログ演算回路4011は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。   The analog arithmetic circuit 4011 is preferably formed using an OS transistor. The analog operation circuit 4011 using the OS transistor has an analog memory, and can perform the product-sum operation necessary for learning or inference with low power consumption.

DOSRAM4012は、OSトランジスタを用いて形成されたDRAMであり、DOSRAM4012は、CPU4021から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。DOSRAM4012は、OSトランジスタを含むメモリセルと、Siトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、DOSRAM4012は、全体の回路面積を小さくすることができる。   The DOSRAM 4012 is a DRAM formed using an OS transistor, and the DOSRAM 4012 is a memory for temporarily storing digital data sent from the CPU 4021. The DOSRAM 4012 has a memory cell including an OS transistor and a read out circuit unit including an Si transistor. Since the memory cell and the read out circuit portion can be provided in different stacked layers, the DOSRAM 4012 can reduce the entire circuit area.

ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが1000を超えることがある。上記入力データをSRAMに格納する場合、SRAMは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。DOSRAM4012は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、SRAMに比べて記憶容量が大きい。そのため、DOSRAM4012は、上記入力データを効率よく格納することができる。   Calculations using neural networks may have more than 1000 input data. When the input data is stored in the SRAM, the SRAM has a limited circuit area and a small storage capacity, so the input data can not but be divided and stored. The DOSRAM 4012 can arrange memory cells in a highly integrated manner even with a limited circuit area, and has a larger storage capacity than an SRAM. Therefore, the DOS RAM 4012 can store the input data efficiently.

NOSRAM4013はOSトランジスタを用いた不揮発性メモリである。NOSRAM4013は、フラッシュメモリや、ReRAM(Resistive Random Access Memory)、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやReRAMのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。   The NOSRAM 4013 is a non-volatile memory using an OS transistor. The NOSRAM 4013 consumes less power when writing data as compared to other non-volatile memories such as flash memory, ReRAM (Resistive Random Access Memory) and MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). In addition, unlike the flash memory and the ReRAM, there is no deterioration of the element when writing data, and there is no limit to the number of times data can be written.

また、NOSRAM4013は、1ビットの2値データの他に、2ビット以上の多値データを記憶することができる。NOSRAM4013は多値データを記憶することで、1ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。   Further, the NOSRAM 4013 can store multi-value data of 2 bits or more in addition to 1-bit binary data. The NOSRAM 4013 can reduce the memory cell area per bit by storing multi-value data.

また、NOSRAM4013は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路4011は、NOSRAM4013をアナログメモリとして用いることもできる。NOSRAM4013は、アナログデータのまま記憶することができるため、D/A変換回路やA/D変換回路が不要である。そのため、NOSRAM4013は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、3ビット(8値)以上分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。   In addition to digital data, the NOSRAM 4013 can store analog data. Therefore, the analog operation circuit 4011 can also use the NOSRAM 4013 as an analog memory. Since the NOSRAM 4013 can store analog data as it is, no D / A conversion circuit or A / D conversion circuit is required. Therefore, the NOSRAM 4013 can reduce the area of peripheral circuits. In the present specification, analog data refers to data having a resolution of 3 bits (eight values) or more. The above-mentioned multi-value data may be included in the analog data.

ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、NOSRAM4013に格納することができる。上記データやパラメータは、CPU4021を介して、AIシステム4041の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたNOSRAM4013の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、NOSRAM4013は、DOSRAM4012よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。   Data and parameters used for neural network calculations can be temporarily stored in the NOSRAM 4013. The above data and parameters may be stored in a memory provided outside the AI system 4041 via the CPU 4021. However, the NOSRAM 4013 provided inside has higher speed and lower power consumption than the data and parameters. Can be stored. Further, since the NOSRAM 4013 can make the bit line longer than the DOS RAM 4012, the storage capacity can be increased.

FPGA4014は、OSトランジスタを用いたFPGAである。AIシステム4041は、FPGA4014を用いることによって、ハードウェアで後述する、ディープニューラルネットワーク(DNN)、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、自己符号化器、深層ボルツマンマシン(DBM)、深層信念ネットワーク(DBN)などの、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。   The FPGA 4014 is an FPGA using an OS transistor. The AI system 4041 uses the FPGA 4014 to perform deep neural networks (DNN), convolutional neural networks (CNN), recursive neural networks (RNN), self-coder, deep Boltzmann machine (DBM), which will be described later in hardware. It is possible to configure connections of neural networks, such as Deep Belief Networks (DBNs). The connection of the above neural network can be implemented at higher speed by configuring it with hardware.

FPGA4014はOSトランジスタを有するFPGAである。OS‐FPGAは、SRAMで構成されるFPGAよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、OS‐FPGAはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。   The FPGA 4014 is an FPGA having an OS transistor. The OS-FPGA can have a smaller memory area than an FPGA configured with SRAM. Therefore, even if the context switching function is added, the area increase is small. The OS-FPGA can also transmit data and parameters at high speed by boosting.

AIシステム4041は、アナログ演算回路4011、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014を1つのダイ(チップ)の上に設けることができる。そのため、AIシステム4041は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路4011、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、AIシステム4041は、低コストで作製することができる。   The AI system 4041 can provide the analog operation circuit 4011, the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014 on one die (chip). Therefore, the AI system 4041 can perform neural network calculations at high speed and low power consumption. Further, the analog arithmetic circuit 4011, the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014 can be manufactured by the same manufacturing process. Therefore, the AI system 4041 can be manufactured at low cost.

なお、演算部4010は、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014を、全て有する必要はない。AIシステム4041が解決したい課題に応じて、DOSRAM4012、NOSRAM4013、およびFPGA4014の一または複数を、選択して設ければよい。   Note that the arithmetic unit 4010 need not have all the DOS RAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014. One or more of the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014 may be selected and provided in accordance with the problem that the AI system 4041 wants to solve.

AIシステム4041は、解決したい課題に応じて、ディープニューラルネットワーク(DNN)、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)、自己符号化器、深層ボルツマンマシン(DBM)、深層信念ネットワーク(DBN)などの演算を実行することができる。PROM4025は、これらの演算を実行するためのプログラムを保存することができる。また、これらプログラムの一部または全てを、NOSRAM4013に保存してもよい。   The AI system 4041 can perform deep neural network (DNN), convolutional neural network (CNN), recursive neural network (RNN), self-coder, deep Boltzmann machine (DBM), deep belief network ( Operations such as DBN) can be performed. The PROM 4025 can store programs for executing these operations. Also, part or all of these programs may be stored in the NOSRAM 4013.

ライブラリとして存在する既存のプログラムは、GPUの処理を前提としているものが多い。そのため、AIシステム4041はGPU4022を有することが好ましい。AIシステム4041は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部4010で実行し、それ以外の積和演算をGPU4022で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。   Many existing programs that exist as libraries are based on GPU processing. Therefore, the AI system 4041 preferably includes a GPU 4022. Among the product-sum operations used in learning and inference, the AI system 4041 can execute the product-sum operation that is rate-limiting in the operation unit 4010 and can execute the other product-sum operations in the GPU 4022. By doing so, learning and inference can be performed at high speed.

電源回路4027は、論理回路用の低電圧電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路4027はOSメモリを用いてもよい。電源回路4027は、基準電位をOSメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。   The power supply circuit 4027 not only generates a low voltage potential for the logic circuit, but also performs potential generation for analog operation. The power supply circuit 4027 may use an OS memory. The power supply circuit 4027 can reduce power consumption by storing the reference potential in the OS memory.

PMU4028は、AIシステム4041の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。   The PMU 4028 has a function of temporarily turning off the power supply of the AI system 4041.

CPU4021およびGPU4022は、レジスタとしてOSメモリを有することが好ましい。CPU4021およびGPU4022はOSメモリを有することで、電力供給がオフになっても、OSメモリ中にデータ(論理値)を保持し続けることができる。その結果、AIシステム4041は、電力を節約することができる。   The CPU 4021 and the GPU 4022 preferably have OS memory as a register. By having the OS memory, the CPU 4021 and the GPU 4022 can keep data (logical value) in the OS memory even when the power supply is turned off. As a result, the AI system 4041 can save power.

PLL4023は、クロックを生成する機能を有する。AIシステム4041は、PLL4023が生成したクロックを基準に動作を行う。PLL4023はOSメモリを有することが好ましい。PLL4023はOSメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。   The PLL 4023 has a function of generating a clock. The AI system 4041 operates based on the clock generated by the PLL 4023. The PLL 4023 preferably has an OS memory. The PLL 4023 having an OS memory can hold an analog potential for controlling the oscillation cycle of the clock.

AIシステム4041は、DRAMなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、AIシステム4041は、外部のDRAMとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ4026を有することが好ましい。また、メモリコントローラ4026は、CPU4021またはGPU4022の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。   The AI system 4041 may store data in an external memory such as DRAM. Therefore, the AI system 4041 preferably has a memory controller 4026 that functions as an interface with an external DRAM. In addition, the memory controller 4026 is preferably disposed near the CPU 4021 or the GPU 4022. By doing so, it is possible to exchange data at high speed.

制御部4020に示す回路の一部または全ては、演算部4010と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、AIシステム4041は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。   Part or all of the circuits illustrated in the control unit 4020 can be formed over the same die as the computing unit 4010. By doing so, the AI system 4041 can perform neural network calculations at high speed and low power consumption.

ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置(HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)など)に保存される場合が多い。そのため、AIシステム4041は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路4031を有することが好ましい。   Data used for neural network calculations are often stored in an external storage device (HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), etc.). Therefore, the AI system 4041 preferably includes an external storage control circuit 4031 that functions as an interface with an external storage device.

ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、AIシステム4041は音声コーデック4032および映像コーデック4033を有する。音声コーデック4032は、音声データのエンコード(符号化)およびデコード(復号)を行い、映像コーデック4033は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。   Since learning and inference using neural networks often deal with voice and video, the AI system 4041 includes a voice codec 4032 and a video codec 4033. The audio codec 4032 encodes (decodes) and decodes (decodes) audio data, and the video codec 4033 encodes and decodes video data.

AIシステム4041は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、AIシステム4041は汎用入出力モジュール4034を有する。汎用入出力モジュール4034は、例えば、USB(Universal Serial Bus)やI2C(Inter−Integrated Circuit)などを含む。   The AI system 4041 can perform learning or inference using data obtained from an external sensor. Therefore, the AI system 4041 has a general purpose input / output module 4034. The general-purpose input / output module 4034 includes, for example, Universal Serial Bus (USB), Inter-Integrated Circuit (I2C), and the like.

AIシステム4041は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、AIシステム4041は、通信モジュール4035を有することが好ましい。   The AI system 4041 can perform learning or inference using data obtained via the Internet. Therefore, the AI system 4041 preferably has a communication module 4035.

アナログ演算回路4011は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する(演算回路とメモリを同じダイの上に形成する)ことが非常に難しい。   The analog operation circuit 4011 may use a multi-level flash memory as an analog memory. However, the flash memory is limited in the number of rewrites. In addition, it is very difficult to form multilevel flash memory by embedding (forming the arithmetic circuit and the memory on the same die).

また、アナログ演算回路4011は、ReRAMをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ReRAMは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、2端子でなる素子でありため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。   In addition, the analog arithmetic circuit 4011 may use ReRAM as an analog memory. However, ReRAM is limited in the number of times of rewriting, and there is a problem in storage accuracy. Furthermore, since the element has two terminals, the circuit design that separates writing and reading of data becomes complicated.

また、アナログ演算回路4011は、MRAMをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、MRAMは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。   The analog operation circuit 4011 may use an MRAM as an analog memory. However, the MRAM has a low rate of change in resistance, and has problems in storage accuracy.

以上を鑑み、アナログ演算回路4011は、OSメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。   In view of the above, it is preferable that the analog arithmetic circuit 4011 use the OS memory as an analog memory.

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

(実施の形態9)
<AIシステムの応用例>
本実施の形態では、上記実施の形態に示すAIシステムの応用例について図39を用いて説明を行う。
(Embodiment 9)
<Example of application of AI system>
In this embodiment, an application example of the AI system described in the above embodiment will be described with reference to FIG.

図39(A)は、図38で説明したAIシステム4041を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、AIシステム4041Aである。   FIG. 39A shows an AI system 4041A in which the AI systems 4041 described with reference to FIG. 38 are arranged in parallel to enable transmission and reception of signals between the systems via a bus line.

図39(A)に図示するAIシステム4041Aは、複数のAIシステム4041_1乃至AIシステム4041_n(nは自然数)を有する。AIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nは、バス線4098を介して互いに接続されている。   An AI system 4041A illustrated in FIG. 39A includes a plurality of AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n (n is a natural number). The AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n are connected to one another via a bus line 4098.

また図39(B)は、図38で説明したAIシステム4041を図39(A)と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、AIシステム4041Bである。   Also, FIG. 39B is an AI system 4041B in which the AI systems 4041 described in FIG. 38 are arranged in parallel in the same manner as FIG. 39A to enable transmission and reception of signals between systems via a network. is there.

図39(B)に図示するAIシステム4041Bは、複数のAIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nを有する。AIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nは、ネットワーク4099を介して互いに接続されている。   An AI system 4041B illustrated in FIG. 39B includes a plurality of AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n. The AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n are connected to one another via a network 4099.

ネットワーク4099は、AIシステム4041_1乃至AIシステム4041_nのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばWorld Wide Web(WWW)の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、PAN(Personal Area Network)、LAN(Local Area Network)、CAN(Campus Area Network)、MAN(Metropolitan Area Network)、WAN(Wide Area Network)、GAN(Global Area Network)等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、LTE(Long Term Evolution)、GSM(Global System for Mobile Communication:登録商標)、EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)、CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000)、W−CDMA(登録商標)などの通信規格、またはWi−Fi(登録商標)、Bluetooth(登録商標)、ZigBee(登録商標)等のIEEEにより通信規格化された仕様を用いることができる。   The network 4099 may be provided with a communication module for each of the AI systems 4041_1 to 4041_n to perform communication by wireless or wired communication. The communication module can communicate via the antenna. For example, the Internet, intranet, extranet, PAN (Personal Area Network), LAN (Local Area Network), CAN (Campus Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), WAN (Wide Area), which is the foundation of the World Wide Web (WWW). Communication can be performed by connecting each electronic device to a computer network such as Network) or GAN (Global Area Network). When performing wireless communication, as a communication protocol or communication technology, LTE (Long Term Evolution), GSM (Global System for Mobile Communication (registered trademark), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), CDMA2000 (Code Division Multiple Access 2000) A communication standard such as W-CDMA (registered trademark) or a specification standardized by IEEE such as Wi-Fi (registered trademark), Bluetooth (registered trademark), or ZigBee (registered trademark) can be used.

図39(A)、(B)の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のAIシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のAIシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のAIシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのAIシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのAIシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。   With the configurations shown in FIGS. 39A and 39B, analog signals obtained by an external sensor or the like can be processed by different AI systems. For example, as in biological information, information such as brain waves, pulse, blood pressure, and body temperature may be acquired by various sensors such as brain wave sensors, pulse wave sensors, blood pressure sensors, and temperature sensors, and analog signals may be processed by separate AI systems. it can. By processing or learning signals in each of the separate AI systems, it is possible to reduce the amount of information processing per AI system. Therefore, signal processing or learning can be performed with a smaller amount of calculation. As a result, recognition accuracy can be enhanced. From information obtained by each AI system, it can be expected that changes in complexly changing biological information can be grasped in an integrated manner in an instant.

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

(実施の形態10)
本実施の形態は、上記実施の形態に示すAIシステムが組み込まれたICの一例を示す。
Tenth Embodiment
This embodiment shows an example of an IC in which the AI system described in the above embodiment is incorporated.

上記実施の形態に示すAIシステムは、CPU等のSiトランジスタでなるデジタル処理回路と、OSトランジスタを用いたアナログ演算回路、OS−FPGAおよびDOSRAM、NOSRAM等のOSメモリを、1のダイに集積することができる。   The AI system described in the above embodiment integrates a digital processing circuit consisting of a Si transistor such as a CPU, an analog operation circuit using an OS transistor, an OS memory such as an OS-FPGA and DOSRAM, NOSRAM, etc. into one die. be able to.

図40に、AIシステムを組み込んだICの一例を示す。図40に示すAIシステムIC7000は、リード7001及び回路部7003を有する。回路部7003には、上記実施の形態で示した各種の回路が1のダイに設けられている。回路部7003は、先の実施の形態で図10に示すように、積層構造をもち、Siトランジスタ層7031、配線層7032、OSトランジスタ層7033に大別される。OSトランジスタ層7033をSiトランジスタ層7031に積層して設けることができるため、AIシステムIC7000の小型化が容易である。   FIG. 40 shows an example of an IC incorporating an AI system. The AI system IC 7000 shown in FIG. 40 has a lead 7001 and a circuit portion 7003. In the circuit portion 7003, the various circuits described in the above embodiment are provided in one die. The circuit portion 7003 has a stacked structure, as shown in FIG. 10 in the above embodiment, and is roughly classified into a Si transistor layer 7031, a wiring layer 7032, and an OS transistor layer 7033. Since the OS transistor layer 7033 can be stacked on the Si transistor layer 7031, the AI system IC 7000 can be easily miniaturized.

図40では、AIシステムIC7000のパッケージにQFP(Quad Flat Package)を適用しているが、パケージの態様はこれに限定されない。   In FIG. 40, the QFP (Quad Flat Package) is applied to the package of the AI system IC 7000, but the aspect of the package is not limited to this.

CPU等のデジタル処理回路と、OSトランジスタを用いたアナログ演算回路、OS−FPGAおよびDOSRAM、NOSRAM等のOSメモリは、全て、Siトランジスタ層7031、配線層7032およびOSトランジスタ層7033に形成することができる。すなわち、上記AIシステムを構成する素子は、同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、本実施の形態に示すICは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記AIシステムを低コストで組み込むことができる。   A digital processing circuit such as a CPU, an analog operation circuit using an OS transistor, an OS-FPGA and an OS memory such as DOSRAM or NOSRAM may be formed in the Si transistor layer 7031, the wiring layer 7032 and the OS transistor layer 7033 it can. That is, the elements constituting the above AI system can be formed by the same manufacturing process. Therefore, the IC shown in this embodiment does not need to increase the manufacturing process even if the number of elements is increased, and the above-mentioned AI system can be incorporated at low cost.

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

(実施の形態11)
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図41に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
(Embodiment 11)
<Electronic equipment>
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. FIG. 41 illustrates a specific example of an electronic device using the semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

図41(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、およびライト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. 41A is an external view showing an example of a car. The automobile 2980 has a car body 2981, wheels 2982, a dashboard 2983, lights 2984 and the like. In addition, the automobile 2980 includes an antenna, a battery, and the like.

図41(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、および操作スイッチ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およ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. 41B includes 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 in a housing 2911. The display portion 2912 includes a display panel and a touch screen in which a flexible substrate is used. 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 reader, or the like.

図41(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、およ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. 41C includes a housing 2921, a display portion 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like. In addition, the notebook personal computer 2920 includes an antenna, a battery, and the like inside a housing 2921.

図41(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、および接続部2946等を有する。操作スイッチ2944およびレンズ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. 41D includes a housing 2941, a housing 2942, a display portion 2943, an operation switch 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 2943 is provided in the housing 2942. In addition, the video camera 2940 includes an antenna, a battery, and the like inside a housing 2941. The housing 2941 and the housing 2942 are connected by the connection portion 2946, and 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 direction of the image displayed on the display portion 2943 can be changed and the display / non-display of the image can be switched.

図41(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、および表示部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. 41E shows an example of a bangle type 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. The display portion 2952 is provided with a display panel using a flexible substrate, so that the information terminal 2950 which is flexible, lightweight, and easy to use can be provided.

図41(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. 41F shows an example of a watch-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. In addition, 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, electronic mail, text browsing and creation, music reproduction, Internet communication, computer games, and the like.

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、時刻設定のほか、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. In addition, the display portion 2962 is provided with a touch sensor, and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, by touching an icon 2967 displayed on the display portion 2962, an application can be activated. The operation switch 2965 can have various functions such as power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution / cancellation, power saving mode execution / cancellation, etc. besides time setting. . 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と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 perform near-field wireless communication according to the communication standard. For example, it is possible to make a hands-free call by intercommunicating with a wireless communicable headset. In addition, the information terminal 2960 includes an input / output terminal 2966, and can directly exchange data with another information terminal 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 using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information of the electronic device described above, a control program, and the like for a long time. By using the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be realized.

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

本実施例では、上記実施の形態に示すトランジスタ200と同様の構成を有する試料200Aを作製し、−∂Vth/∂VBGの実測値と予測値を比較した結果について説明する。本実施例に係る試料200Aは、上記実施の形態で図3に示すトランジスタ200と同様の構成にした。 In this example, a sample 200A having a structure similar to that of the transistor 200 described in the above embodiment is manufactured, and a result of comparison between an actual measurement value of -∂V th / ∂V BG and a prediction value is described. The sample 200A according to this example has the same structure as the transistor 200 shown in FIG. 3 in the above embodiment.

図42(A)に示すように、試料200Aは、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205(導電体205a、および導電体205b)と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された絶縁体252と、絶縁体252の上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、絶縁体270の上に配置された絶縁体271と、少なくとも絶縁体250、および導電体260の側面に接して配置された絶縁体272と、酸化物230、および絶縁体272と接して配置された絶縁体274と、を有する。   As shown in FIG. 42A, the sample 200A is disposed so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216 disposed on a substrate (not shown) and the insulator 214 and the insulator 216. A conductor 205 (a conductor 205a and a conductor 205b), an insulator 220 disposed on the insulator 216 and the conductor 205, an insulator 222 disposed on the insulator 220, and an insulator 222 An insulator 230 disposed on the upper surface, an oxide 230 (an oxide 230a, an oxide 230b, and an oxide 230c) disposed on the insulator 224, and an insulator disposed on the oxide 230 250, an insulator 252 disposed on the insulator 250, a conductor 260 (conductor 260a and conductor 260b) disposed on the insulator 252, and An insulator 270, an insulator 271 disposed on the insulator 270, an insulator 272 disposed in contact with at least the insulator 250 and a side surface of the conductor 260, an oxide 230, and an insulator 272 And an insulator 274 disposed in contact with each other.

絶縁体214は、RFスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が40nmの酸化アルミニウムである。絶縁体216は、PECVD法を用いて成膜した酸化窒化シリコンである。導電体205aは、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚が40nmの窒化タンタルである。導電体205bは、ALD法を用いて成膜した膜厚が5nmの窒化チタンと、その上にメタルCVD法を用いて成膜されたタングステンである。   The insulator 214 is aluminum oxide having a thickness of 40 nm which is deposited by RF sputtering. The insulator 216 is a silicon oxynitride film deposited using a PECVD method. The conductor 205a is tantalum nitride having a thickness of 40 nm which is deposited by sputtering. The conductor 205 b is titanium nitride having a film thickness of 5 nm formed using the ALD method, and tungsten formed on the titanium nitride using the metal CVD method.

絶縁体220は、PECVD法を用いて成膜した膜厚10nmの酸化窒化シリコンである。絶縁体222は、ALD法を用いて成膜した膜厚20nmの酸化ハフニウムである。絶縁体224は、PECVD法を用いて成膜した膜厚30nmの酸化窒化シリコンである。   The insulator 220 is a 10-nm-thick silicon oxynitride film deposited using a PECVD method. The insulator 222 is hafnium oxide with a film thickness of 20 nm formed by using the ALD method. The insulator 224 is a 30-nm-thick silicon oxynitride film deposited using a PECVD method.

酸化物230aは、DCスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が5nmのIn−Ga−Zn酸化物である。なお、酸化物230aの成膜には、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス45sccmを用い、成膜圧力を0.7Pa(キャノンアネルバ製ミニチュアゲージMG−2によって計測した。)とし、成膜電力を500Wとし、基板温度を200℃とし、ターゲット−基板間距離を60mmとした。   The oxide 230 a is an In—Ga—Zn oxide which is deposited to a thickness of 5 nm by DC sputtering. Note that an In: Ga: Zn = 1: 3: 4 [atomic number ratio] target is used for film formation of the oxide 230 a, and 45 sccm of oxygen gas is used as a film formation gas, and the film formation pressure is 0.7 Pa (Canon The film forming power was 500 W, the substrate temperature was 200 ° C., and the target-substrate distance was 60 mm.

酸化物230bは、DCスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が15nmのIn−Ga−Zn酸化物である。なお、酸化物230bの成膜には、In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]ターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガス40sccmおよび酸素ガス5sccmを用い、成膜圧力を0.7Pa(キャノンアネルバ製ミニチュアゲージMG−2によって計測した。)とし、成膜電力を500Wとし、基板温度を130℃とし、ターゲット−基板間距離を60mmとした。   The oxide 230 b is a 15 nm thick In—Ga—Zn oxide film-formed using a DC sputtering method. Note that an In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 atomic number ratio target is used for film formation of the oxide 230 b, and 40 sccm of argon gas and 5 sccm of oxygen gas are used as a film formation gas, and a film formation pressure is used. Of 0.7 Pa (measured with a miniature gauge MG-2 manufactured by Canon Anelva), a deposition power of 500 W, a substrate temperature of 130 ° C., and a target-substrate distance of 60 mm.

酸化物230cは、DCスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が5nmのIn−Ga−Zn酸化物である。酸化物230cは、酸化物230aと同様の条件で成膜した。   The oxide 230 c is an In—Ga—Zn oxide which is deposited to a thickness of 5 nm by DC sputtering. The oxide 230c was formed under the same conditions as the oxide 230a.

絶縁体250は、PECVD法を用いて成膜した膜厚が10nmの酸化窒化シリコンである。絶縁体214は、RFスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が5nmの酸化アルミニウムである。   The insulator 250 is silicon oxynitride having a film thickness of 10 nm which is deposited using a PECVD method. The insulator 214 is aluminum oxide having a thickness of 5 nm which is deposited by RF sputtering.

導電体260aは、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚が10nmの窒化チタンである。導電体260bは、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚が30nmのタングステンである。   The conductor 260a is titanium nitride having a film thickness of 10 nm formed by sputtering. The conductor 260 b is tungsten having a film thickness of 30 nm formed by sputtering.

絶縁体270は、ALD法を用いて成膜した膜厚7nmの酸化アルミニウムである。絶縁体271は、PECVD法を用いて成膜した酸化窒化シリコンである。絶縁体272は、ALD法を用いて成膜した膜厚5nmの酸化アルミニウムである。絶縁体274は、PECVD法を用いて成膜した膜厚が20nmの酸化窒化シリコンである。   The insulator 270 is aluminum oxide with a film thickness of 7 nm formed using the ALD method. The insulator 271 is a silicon oxynitride film deposited using a PECVD method. The insulator 272 is a 5-nm-thick aluminum oxide film formed using an ALD method. The insulator 274 is a silicon oxynitride film with a thickness of 20 nm formed by PECVD.

上記のような構成を有する試料200Aにおいて、電圧VBGを0V、−3V、−6Vとしたときの電気特性を測定し、電圧Vthを算出した。試料200Aの電気特性の測定は、ドレイン電圧Vを+3.3Vとし、トップゲート電圧Vを−3.3Vから+3.3Vまで0.1Vごとにスイープさせながら行った。なお、電圧Vthの算出は、トップゲート電圧V[V]を横軸にし、ドレイン電流I[A]の対数を縦軸にプロットしたV−I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、I=1.0×10−12[A]の直線との交点のトップゲート電圧Vとした。 In the sample 200A having the above-described configuration, the electrical characteristics were measured when the voltage V BG was 0 V, −3 V, and −6 V, and the voltage V th was calculated. Measurements of the electrical properties of the sample 200A are a drain voltage V d and + 3.3V, was performed while sweeping every 0.1V top gate voltage V g from -3.3V to + 3.3V. In the calculation of the voltage V th , the slope on the V g- I d curve is plotted with the top gate voltage V g [V] on the horizontal axis and the logarithm of the drain current I d [A] on the vertical axis. The top gate voltage V g was taken as the intersection of the tangent at the maximum point and the straight line of I d = 1.0 × 10 −12 [A].

図42(B)に試料200Aの電圧VBGに対する電圧Vthの測定結果を示す。図42(B)に示すグラフは、縦軸に電圧Vthのシフト量[V]をとり、横軸に電圧VBG[V]をとる。ただし、横軸は正負の向きを逆にしている。なお、電圧Vthのシフト量とは、VBG=0Vのときの電圧Vthを0Vとしたときの、VBG=−3V、−6Vとしたときの電圧Vthの差分である。 FIG. 42B shows the measurement results of the voltage V th with respect to the voltage V BG of the sample 200A. In the graph shown in FIG. 42B, the vertical axis represents shift amount [V] of voltage V th , and the horizontal axis represents voltage V BG [V]. However, the horizontal axis is reversed in positive and negative directions. Note that the shift amount of the voltage V th, when the voltage V th when the V BG = 0V and 0V, which is the difference between the voltage V th when the V BG = -3 V, and -6 V.

図42(B)に示すように、試料200Aの電圧Vthのプロットは、一定の傾き0.26を有する直線で近似される。よって、試料200Aにおいて、−∂Vth/∂VBGの実測値が0.26となった。これは、上述の式(8)および式(9)を満たしている。このことから、本実施例に係る試料200Aの構成で、電圧VBGによる電圧Vthの制御性が良好であることが示された。 As shown in FIG. 42 (B), the plot of the voltage V th of the sample 200A is approximated by a straight line having a constant slope of 0.26. Therefore, in the sample 200A, the actual measurement value of −∂V th / ∂V BG was 0.26. This satisfies Equations (8) and (9) described above. From this, it is shown that the controllability of the voltage V th by the voltage V BG is good in the configuration of the sample 200A according to the present example.

次に、図43に示す試料200Aのモデルから、式(17)を用いて−∂Vth/∂VBGの予測値を算出した。図43は、試料200Aのトップゲート−ボトムゲート間のモデルを示す模式図である。 Next, from the model of the sample 200A shown in FIG. 43, the predicted value of −∂V th / ∂V BG was calculated using Expression (17). FIG. 43 is a schematic view showing a model between the top gate and the bottom gate of the sample 200A.

図43に示すように、試料200Aでは、酸化物230bと酸化物230cの界面に領域Pが形成されるとする。よって、導電体205と領域Pの間のEOT、および導電体260と領域Pの間のEOTから、−∂Vth/∂VBGの予測値を求めることができる。 As shown in FIG. 43, in the sample 200A, a region P is formed at the interface between the oxide 230b and the oxide 230c. Therefore, from EOT B between the conductor 205 and the region P and EOT T between the conductor 260 and the region P, a predicted value of − 予 測 V th / ∂V BG can be obtained.

EOTは、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、酸化物230a、および酸化物230bの膜厚および比誘電率から算出できる。また、EOTは、酸化物230c、絶縁体250、および絶縁体252の膜厚および比誘電率から算出できる。 EOT B can be calculated from the film thickness and relative permittivity of the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, the oxide 230a, and the oxide 230b. Further, EOT T is oxide 230c, can be calculated from the thickness and dielectric constant of the insulator 250, and the insulator 252.

図43に示す構成の比誘電率は、絶縁体220、絶縁体224、および絶縁体250に用いられる酸化窒化シリコンの比誘電率が4.1、絶縁体222に用いられる酸化ハフニウムが16.4、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cに用いられるIn−Ga−Zn酸化物が15、絶縁体252に用いられる酸化アルミニウムが8.3となる。   The relative dielectric constants of the structures shown in FIG. 43 are the dielectric constant of silicon oxynitride used for the insulator 220, the insulator 224, and the insulator 250 is 4.1, and the hafnium oxide used for the insulator 222 is 16.4. The In-Ga-Zn oxide used for the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c is 15, and the aluminum oxide used for the insulator 252 is 8.3.

以上より、EOTが50.5nmとなり、EOTが13.8nmとなった。なお、本実施例において、EOTおよびEOTは、酸化窒化シリコン等価な電気的膜厚に換算した。これらのEOTおよびEOTの値を、式(17)に用いると、−∂Vth/∂VBGの予測値は0.27となった。このように、試料200Aにおいて、−∂Vth/∂VBGの予測値と実測値は、よい一致が見られた。 From the above, EOT B was 50.5 nm and EOT T was 13.8 nm. In the present embodiment, EOT B and EOT T is converted to a silicon oxynitride equivalent electrical thickness. The values of these EOT B and EOT T, when used in equation (17), the predicted value of -∂V th / ∂V BG became 0.27. Thus, in the sample 200A, the predicted value and the measured value of -∂V th / ∂V BG were in good agreement.

このことから、本実施例に係る試料200Aの構成は、電圧VBGによる電圧Vthの制御性が良好であり、−∂Vth/∂VBGの実測値を予測可能であることが示された。 Therefore, the configuration of the sample 200A according to this embodiment has good controllability of the voltage V th by voltage V BG, it has been shown to be predictive of actual measurement values of -∂V th / ∂V BG The

10 トランジスタ
21 導電体
22 絶縁体
23 酸化物
23a 酸化物
23b 酸化物
23c 酸化物
24 絶縁体
25 絶縁体
26 導電体
100 容量素子
100a 容量素子
100b 容量素子
110 導電体
112 導電体
120 導電体
130 絶縁体
150 絶縁体
200 トランジスタ
200a トランジスタ
200A 試料
200b トランジスタ
203 導電体
203a 導電体
203b 導電体
205 導電体
205a 導電体
205b 導電体
205B 導電膜
207 導電体
207a 導電体
207b 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
224A 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230A 酸化膜
230b 酸化物
230B 酸化膜
230c 酸化物
230C 酸化膜
231 領域
231a 領域
231b 領域
232 領域
232a 領域
232b 領域
234 領域
239 領域
240 導電体
240a 導電体
240b 導電体
240c 導電体
240d 導電体
246 導電体
248 導電体
250 絶縁体
250A 絶縁膜
252 絶縁体
252A 絶縁膜
256 導電体
260 導電体
260a 導電体
260A 導電膜
260b 導電体
260B 導電膜
270 絶縁体
270A 絶縁膜
271 絶縁体
271A 絶縁膜
272 絶縁体
272A 絶縁膜
273 絶縁体
274 絶縁体
280 絶縁体
282 絶縁体
286 絶縁体
300 トランジスタ
311 基板
313 半導体領域
314a 低抵抗領域
314b 低抵抗領域
315 絶縁体
316 導電体
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
330 導電体
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
360 絶縁体
362 絶縁体
364 絶縁体
366 導電体
370 絶縁体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
380 絶縁体
382 絶縁体
384 絶縁体
386 導電体
400 トランジスタ
403 導電体
403a 導電体
403b 導電体
405 導電体
405a 導電体
405b 導電体
430c 酸化物
431a 酸化物
431b 酸化物
432a 酸化物
432b 酸化物
450 絶縁体
452 絶縁体
460 導電体
460a 導電体
460b 導電体
470 絶縁体
472 絶縁体
600 セル
600a セル
600b セル
610 回路
620 回路
650a メモリセル
650b メモリセル
1001 配線
1002 配線
1003 配線
1004 配線
1005 配線
1006 配線
1007 配線
1008 配線
1009 配線
1010 配線
1400 DOSRAM
1405 コントローラ
1410 行回路
1411 デコーダ
1412 ワード線ドライバ回路
1413 列セレクタ
1414 センスアンプドライバ回路
1415 列回路
1416 グローバルセンスアンプアレイ
1417 入出力回路
1420 MC−SAアレイ
1422 メモリセルアレイ
1423 センスアンプアレイ
1425 ローカルメモリセルアレイ
1426 ローカルセンスアンプアレイ
1444 スイッチアレイ
1445 メモリセル
1446 センスアンプ
1447 グローバルセンスアンプ
1600 NOSRAM
1610 メモリセルアレイ
1611 メモリセル
1612 メモリセル
1613 メモリセル
1614 メモリセル
1615 メモリセル
1615a メモリセル
1615b メモリセル
1640 コントローラ
1650 行ドライバ
1651 行デコーダ
1652 ワード線ドライバ
1660 列ドライバ
1661 列デコーダ
1662 ドライバ
1663 DAC
1670 出力ドライバ
1671 セレクタ
1672 ADC
1673 出力バッファ
2000 CDMA
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
3110 OS−FPGA
3111 コントローラ
3112 ワードドライバ
3113 データドライバ
3115 プログラマブルエリア
3117 IOB
3119 コア
3120 LAB
3121 PLE
3123 ブロック
3124 レジスタブロック
3125 セレクタ
3126 CM
3127 パワースイッチ
3128 CM
3130 SAB
3131 SB
3133 PRS
3135 CM
3137 メモリ回路
3137B メモリ回路
3140 OS−FF
3141 FF
3142 シャドウレジスタ
3143 メモリ回路
3143B メモリ回路
3188 インバータ回路
3189 インバータ回路
4010 演算部
4011 アナログ演算回路
4012 DOSRAM
4013 NOSRAM
4014 FPGA
4020 制御部
4021 CPU
4022 GPU
4023 PLL
4025 PROM
4026 メモリコントローラ
4027 電源回路
4028 PMU
4030 入出力部
4031 外部記憶制御回路
4032 音声コーデック
4033 映像コーデック
4034 汎用入出力モジュール
4035 通信モジュール
4041 AIシステム
4041_n AIシステム
4041_1 AIシステム
4041A AIシステム
4041B AIシステム
4098 バス線
4099 ネットワーク
7000 AIシステムIC
7001 リード
7003 回路部
7031 Siトランジスタ層
7032 配線層
7033 OSトランジスタ層
10 Transistor 21 Conductor 22 Insulator 23 Oxide 23a Oxide 23b Oxide 23c Oxide 24 Insulator 25 Insulator 26 Conductor 100 Capacitive Element 100a Capacitive Element 100a Capacitive Element 100b Capacitive Element 110 Conductor 112 Conductor 120 Conductor 130 Insulator 150 insulator 200 transistor 200a transistor 200A sample 200b transistor 203 conductor 203a conductor 203b conductor 205 conductor 205a conductor 205b conductor 205b conductor film 207 conductor 207a conductor 207b conductor 210 insulator 212 insulator 214 insulator 216 insulator 218 conductor 220 insulator 222 insulator 224 insulator 224A insulator 230 oxide 230a oxide 230A oxide film 230b oxide 230B oxide film 230c oxide 230C oxide film 231 Region 231a Region 231b Region 232 Region 232a Region 232b Region 234 Region 240 Conductor 240a Conductor 240b Conductor 240c Conductor 240d Conductor 246 Conductor 250 Conductor 250 Insulator 250A Insulating Film 252 Insulating 252A Insulating Film 256 Conducting Body 260 conductor 260a conductor 260A conductive film 260b conductor 260B conductive film 270 insulator 270A insulating film 271 insulator 271A insulating film 272 insulator 272A insulating film 273 insulator 274 insulator 280 insulator 282 insulator 286 insulator 300 Transistor 311 substrate 313 semiconductor region 314 a low resistance region 314 b low resistance region 315 insulator 316 conductor 320 insulator 322 insulator 324 insulator 326 insulator 328 conductor 330 conductor 350 insulator 3 52 insulator 354 insulator 356 conductor 360 insulator 362 insulator 364 insulator 366 conductor 370 insulator 372 insulator 376 insulator 376 conductor 382 insulator 384 insulator 386 conductor 400 transistor 403 conductor 403a conductor 403b conductor 405 conductor 405a conductor 405b conductor 430c oxide 431a oxide 431b oxide 432a oxide 432b oxide 450 insulator 452 insulator 460 conductor 460a conductor 460b conductor 470 insulator 472 insulation Body 600 cell 600 a cell 600 b cell 610 circuit 620 circuit 650 a memory cell 650 b memory cell 1001 wiring 1002 wiring 1003 wiring 1003 wiring 1005 wiring 1005 wiring 1007 wiring 1008 wiring 1009 wiring 010 wiring 1400 DOSRAM
1405 controller 1410 row circuit 1411 decoder 1412 word line driver circuit 1413 column selector 1414 sense amplifier driver circuit 1415 column circuit 1416 global sense amplifier array 1417 input / output circuit 1420 MC-SA array 1422 memory cell array 1423 sense amplifier array 1425 local memory cell array 1426 local Sense amplifier array 1444 Switch array 1445 Memory cell 1446 Sense amplifier 1447 Global sense amplifier 1600 NOSRAM
1610 memory cell array 1611 memory cell 1612 memory cell 1613 memory cell 1614 memory cell 1615 memory cell 1615 a memory cell 1615 b memory cell 1640 controller 1650 row driver 1651 row decoder 1652 word line driver 1660 column driver 1661 column decoder 1661 driver 1663 DAC
1670 output driver 1671 selector 1672 ADC
1673 Output buffer 2000 CDMA
2910 information terminal 2911 housing 2912 display portion 2913 camera 2914 speaker portion 2915 operation switch 2916 external connection portion 2917 microphone 2920 laptop personal computer 2921 housing 2922 display portion 2923 keyboard 2924 pointing device 2940 video camera 2941 housing 2942 housing 2942 display Section 2944 Operation switch 2945 Lens 2946 Connection section 2950 Information terminal 2951 Display section 2960 Information terminal 2961 Display section 2961 Display section 2963 Band 2964 Buckle 2965 Operation switch 2966 Input and output terminal 2967 Icon 2980 Car 2981 Car body 2982 Wheel 2983 Dashboard 2984 Light 3110 OS-FPGA
3111 controller 3112 word driver 3113 data driver 3115 programmable area 3117 IOB
3119 core 3120 LAB
3121 PLE
3123 block 3124 register block 3125 selector 3126 CM
3127 power switch 3128 CM
3130 SAB
3131 SB
3133 PRS
3135 CM
3137 memory circuit 3137 B memory circuit 3140 OS-FF
3141 FF
3142 shadow register 3143 memory circuit 3143 B memory circuit 3188 inverter circuit 3189 inverter circuit 4010 arithmetic unit 4011 analog arithmetic circuit 4012 DOSRAM
4013 NOSRAM
4014 FPGA
4020 control unit 4021 CPU
4022 GPU
4023 PLL
4025 PROM
4026 Memory controller 4027 Power supply circuit 4028 PMU
4030 I / O unit 4031 external storage control circuit 4032 audio codec 4033 video codec 4034 general purpose input / output module 4035 communication module 4041 AI system 4041_n AI system 4041_1 AI system 4041A AI system 4041B AI system 4098 bus line 4099 network 7000 AI system IC
7001 lead 7003 circuit portion 7031 Si transistor layer 7032 wiring layer 7033 OS transistor layer

Claims (9)

トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第1の導電体と、
前記第1の導電体の上に配置された第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体の上に、前記第1の導電体と重なるように配置された酸化物と、
前記酸化物の上に配置された第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体の上に、前記第1の導電体および前記酸化物に重なるように配置された第2の導電体と、を有し、
前記第1の導電体に電圧VBGが印加された状態で、前記第2の導電体に電圧Vthより大きい電圧が印加されると、前記酸化物にチャネルが形成され、
前記電圧Vthと、前記電圧VBGが、下記の式(1)を満たす、

ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a transistor,
The transistor is
A first conductor,
A first insulator disposed on the first conductor;
An oxide disposed on the first insulator so as to overlap the first conductor;
A second insulator disposed over the oxide;
And a second conductor disposed on the second insulator so as to overlap the first conductor and the oxide,
When a voltage greater than the voltage V th is applied to the second conductor in a state where the voltage V BG is applied to the first conductor, a channel is formed in the oxide,
The voltage V th and the voltage V BG satisfy the following equation (1):

A semiconductor device characterized by
請求項1において、
さらに、前記電圧Vthと、前記電圧VBGが、下記の式(2)を満たす、

ことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
Furthermore, the voltage V th and the voltage V BG satisfy the following equation (2):

A semiconductor device characterized by
請求項1または請求項2において、
前記第1の絶縁体および前記酸化物の合成容量Cと、前記第1の絶縁体の容量Cが、下記の式(3)を満たす、

ことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
A combined capacitance C B of the first insulator and the oxide, the capacitor C T of the first insulator, satisfies the equation (3) below,

A semiconductor device characterized by
請求項1または請求項2において、
前記酸化物は、第1の酸化物と、前記第1の酸化物の上の第2の酸化物と、前記第2の酸化物の上の第3の酸化物と、の積層構造であり、
前記第1の酸化物および前記第3の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、前記第2の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、
前記第1の絶縁体、前記第1の酸化物、および前記第2の酸化物の合成容量Cと、前記第3の酸化物および前記第1の絶縁体の合成容量Cが、下記の式(4)を満たす、

ことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The oxide is a laminated structure of a first oxide, a second oxide on the first oxide, and a third oxide on the second oxide,
The energy at the bottom of the conduction band of the first oxide and the third oxide is greater than the energy at the bottom of the conduction band of the second oxide,
Said first insulator, said first oxide, and a combined capacitance C B of the second oxide, the combined capacitance C T of the third oxide and said first insulator, the following Satisfy equation (4),

A semiconductor device characterized by
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記酸化物は、
前記第2の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、
前記第2の導電体と重ならない領域に、前記チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 1 to 4,
The oxide is
A channel formation region in a region overlapping with the second conductor;
In a region not overlapping the second conductor, a source region and a drain region are provided across the channel formation region,
A semiconductor device characterized by
第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、を有する半導体装置であって、
前記第1のトランジスタは、
第1の導電体と、
前記第1の導電体の上に配置された第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体の上に、前記第1の導電体と重なるように配置された第1の酸化物と、
前記第1の酸化物の上に、前記第1の導電体と重なるように配置された第2の酸化物と、
前記第2の酸化物の上に、前記第1の導電体と重なるように配置された第3の酸化物と、
前記第3の酸化物の上に配置された第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体の上に、前記第1の導電体、前記第1の酸化物、前記第2の酸化物、および前記第3の酸化物、に重なるように配置された第2の導電体と、を有し、
前記第1の酸化物および前記第3の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、前記第2の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、
前記第1の導電体に電圧VBGが印加された状態で、前記第2の導電体に電圧Vthより大きい電圧が印加されると、前記第2の酸化物にチャネルが形成され、
前記電圧Vthと、前記電圧VBGが、下記の式(5)を満たす、

前記第2のトランジスタは、
前記第3の酸化物と同じ材料で形成された、第4の酸化物を有し、
前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方、ならびに前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1の導電体に電気的に接続される、
ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a first transistor and a second transistor, the semiconductor device comprising:
The first transistor is
A first conductor,
A first insulator disposed on the first conductor;
A first oxide disposed on the first insulator so as to overlap the first conductor;
A second oxide disposed on the first oxide so as to overlap the first conductor;
A third oxide disposed on the second oxide so as to overlap the first conductor;
A second insulator disposed on the third oxide;
A second conductive material disposed on the second insulator so as to overlap the first conductor, the first oxide, the second oxide, and the third oxide. Have a body,
The energy at the bottom of the conduction band of the first oxide and the third oxide is greater than the energy at the bottom of the conduction band of the second oxide,
When a voltage greater than the voltage V th is applied to the second conductor in a state where the voltage V BG is applied to the first conductor, a channel is formed in the second oxide,
The voltage V th and the voltage V BG satisfy the following equation (5):

The second transistor is
A fourth oxide formed of the same material as the third oxide,
One of the source and the drain of the second transistor and the gate of the second transistor are electrically connected to the first conductor.
A semiconductor device characterized by
請求項6において、
さらに、前記電圧Vthと、前記電圧VBGが、下記の式(6)を満たす、

ことを特徴とする半導体装置。
In claim 6,
Furthermore, the voltage V th and the voltage V BG satisfy the following equation (6):

A semiconductor device characterized by
請求項6または請求項7において、
前記第1の絶縁体、前記第1の酸化物、および前記第2の酸化物の合成容量Cと、前記第3の酸化物および前記第1の絶縁体の合成容量Cが、下記の式(7)を満たす、

ことを特徴とする半導体装置。
In claim 6 or claim 7,
Said first insulator, said first oxide, and a combined capacitance C B of the second oxide, the combined capacitance C T of the third oxide and said first insulator, the following Satisfy equation (7),

A semiconductor device characterized by
請求項6乃至請求項8のいずれか一項において、
前記第2の酸化物は、
前記第2の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、
前記第2の導電体と重ならない領域に、前記チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 6 to 8,
The second oxide is
A channel formation region in a region overlapping with the second conductor;
In a region not overlapping the second conductor, a source region and a drain region are provided across the channel formation region,
A semiconductor device characterized by
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