JP2019201369A - Semiconductor device and electronic component including the semiconductor device, and electronic apparatus including the electronic component - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device capable of achieving low power consumption and stable operation.SOLUTION: A semiconductor device includes a power supply circuit, a power supply management circuit, an arithmetic processing circuit, and a power switch. The power supply circuit has a function of generating a power supply potential, the power switch has a function that can control the supply and stop of the power supply potential to the arithmetic processing circuit, and the arithmetic processing circuit has a first circuit and a second circuit. The first circuit has a function that can hold data generated in the arithmetic processing circuit, and the second circuit has a function that can save and hold data held in the first circuit and a function that allows saved data to be returned in the first circuit. The second circuit and the power supply management circuit have a logic circuit including a transistor having metal oxide in a channel formation region.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device.

また、本発明の一形態は半導体装置に関する。なお、本発明の一形態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技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一形態は、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。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device. Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、記憶装置、電気光学装置、蓄電装置、制御システム、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。   Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A display device, a light-emitting device, a memory device, an electro-optical device, a power storage device, a control system, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.

In−Ga−Zn酸化物(In−Ga−Zn−O)等の酸化物半導体で、チャネルが形成されているトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ場合がある。)が知られている。酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが大きいため、OSトランジスタはオフ電流が極めて低くなることが知られている。OSトランジスタのオフ電流特性を利用した様々な半導体装置が提案されている(例えば特許文献1)。   A transistor in which a channel is formed using an oxide semiconductor such as an In—Ga—Zn oxide (In—Ga—Zn—O) (hereinafter also referred to as an OS transistor) is known. It is known that an off-state current of an OS transistor is extremely low because an oxide semiconductor has a larger band gap than silicon. Various semiconductor devices using the off-current characteristics of OS transistors have been proposed (for example, Patent Document 1).

例えば特許文献1では、キャッシュメモリにOSトランジスタを用いた記憶回路において、PG(Power Gating)手法を適用して消費電力を削減した半導体装置について開示している。   For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which power consumption is reduced by applying a PG (Power Gating) method in a memory circuit using an OS transistor as a cache memory.

米国特許出願公開第2015/370313号明細書US Patent Application Publication No. 2015/370313

PG手法を制御するための電源管理回路(Power Managment Unit:PMUともいう)は、シリコン(Si)でチャネルが形成されているトランジスタ(以下、Siトランジスタと呼ぶ場合がある。)で構成することができる。しかしながら、Siトランジスタは高温にさらされることと電気特性が変動してしまうため、正常な回路動作を維持できなくなるといった問題や貫通電流の増大に伴う消費電力の増加といった問題が生じる。   A power management unit (also referred to as PMU) for controlling the PG method may be configured by a transistor (hereinafter also referred to as a Si transistor) in which a channel is formed of silicon (Si). it can. However, since the Si transistor is exposed to high temperature and its electric characteristics fluctuate, there arises a problem that normal circuit operation cannot be maintained, and a problem that power consumption increases due to an increase in through current.

また記憶回路の一部に適用されるOSトランジスタは、Siトランジスタで構成される論理回路が設けられる領域の上層に設けられる。しかしながら、演算回路や電源管理回路といった論理回路が占める面積が大きいため、OSトランジスタが設けられる層では効率的にトランジスタを配置できず、回路パターンが存在しない領域(Dead Space)が生じるといった問題があった。   An OS transistor which is applied to part of the memory circuit is provided in an upper layer of a region where a logic circuit including a Si transistor is provided. However, since logic circuits such as arithmetic circuits and power management circuits occupy a large area, there is a problem that a transistor pattern cannot be efficiently arranged in a layer where an OS transistor is provided, and a region where there is no circuit pattern (Dead Space) occurs. It was.

上述の諸問題を鑑み、本発明の一態様は、信頼性に優れた半導体装置を提供することを課題の一とする。または本発明の一態様は、低消費電力化に優れた半導体装置を提供することを課題の一とする。または本発明の一態様は、効率的にトランジスタを配置することで小型化が可能な半導体装置を提供することを課題の一とする。   In view of the above problems, an object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that has low power consumption. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be downsized by efficiently arranging transistors.

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

本発明の一態様は、電源回路と、電源管理回路と、演算処理回路と、パワースイッチと、を有し、電源回路は、電源電位を生成する機能を有し、パワースイッチは、演算処理回路への電源電位の供給および停止を制御できる機能を有し、演算処理回路は、第1回路と第2回路を有し、第1回路は、演算処理回路で生成されるデータを保持できる機能を有し、第2回路は、第1回路で保持されているデータを退避し、保持することができる機能、および退避しているデータを第1回路に復帰できる機能を有し、第2回路および電源管理回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路を有することを特徴とする半導体装置である。   One embodiment of the present invention includes a power supply circuit, a power supply management circuit, an arithmetic processing circuit, and a power switch. The power supply circuit has a function of generating a power supply potential. The power switch includes an arithmetic processing circuit. The operation processing circuit has a first circuit and a second circuit, and the first circuit has a function capable of holding data generated by the operation processing circuit. The second circuit has a function of saving and holding the data held in the first circuit, and a function of returning the saved data to the first circuit. The power management circuit is a semiconductor device including a logic circuit including a transistor including a metal oxide in a channel formation region.

本発明の一態様において、電源管理回路は、入力回路、ANDゲート回路、およびORゲート回路を有するプログラマブルロジックアレイである半導体装置が好ましい。   In one embodiment of the present invention, the power management circuit is preferably a semiconductor device that is a programmable logic array including an input circuit, an AND gate circuit, and an OR gate circuit.

本発明の一態様において、ANDゲートおよびORゲートトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有し、当該トランジスタはオフ状態とすることでコンフィギュレーションデータに応じた電荷を記憶する機能を有する半導体装置が好ましい。   In one embodiment of the present invention, an AND gate and an OR gate transistor each include a transistor including a metal oxide in a channel formation region, and the transistor has a function of storing charge in accordance with configuration data by being turned off. The semiconductor device which has is preferable.

本発明の一態様は、上記記載の半導体装置と、リードと、を有する電子部品である。   One embodiment of the present invention is an electronic component including the semiconductor device described above and a lead.

本発明の一態様は、上記記載の半導体装置、及び上記記載の電子部品の何れか一と、表示装置、タッチパネル、マイク、スピーカ、操作キー、及び筐体の少なくとも一と、を有する電子機器である。   One embodiment of the present invention is an electronic device including any one of the above semiconductor devices and the above electronic components, and at least one of a display device, a touch panel, a microphone, a speaker, an operation key, and a housing. is there.

なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、および図面に記載されている。   Note that other aspects of the present invention are described in the description and drawings in the following embodiments.

本発明の一態様は、信頼性に優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は、低消費電力化に優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は、効率的にトランジスタを配置することで小型化が可能な半導体装置を提供することができる。   One embodiment of the present invention can provide a highly reliable semiconductor device. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be downsized by efficiently arranging transistors can be provided.

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

半導体装置の構成例を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明するタイミングチャート。6 is a timing chart illustrating a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を説明するタイミングチャート。6 is a timing chart illustrating a configuration example of a semiconductor device. トランジスタの構造例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構造例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structure example of a transistor. 電子部品の作製方法の一例を示すフローチャートおよび斜視模式図。The flowchart and perspective schematic diagram which show an example of the preparation methods of an electronic component. :電子機器の一例を説明する図。: A diagram illustrating an example of an electronic device.

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, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes 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 following embodiments.

なお本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。   In the present specification and the like, the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” are given to avoid confusion between components. Therefore, the number of components is not limited. Further, the order of the components is not limited. Further, for example, a component referred to as “first” in one embodiment of the present specification or the like is a component referred to as “second” in another embodiment or in the claims. It is also possible. In addition, for example, the constituent elements referred to as “first” in one embodiment of the present specification and the like may be omitted in other embodiments or in the claims.

なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Note that in the drawings, the same element, an element having a similar function, an element of the same material, an element formed at the same time, or the like may be denoted by the same reference numeral, and repeated description thereof may be omitted.

また、本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorともいう)などに分類される。   In this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad expression. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors), and the like.

例えば、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)と呼ぶことができる。すなわち、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを、「酸化物半導体トランジスタ」、「OSトランジスタ」と呼ぶことができる。同様に、上述した、「酸化物半導体を用いたトランジスタ」も、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタである。   For example, in the case where a metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, in the case where a metal oxide has at least one of an amplifying function, a rectifying function, and a switching function, the metal oxide can be referred to as a metal oxide semiconductor. That is, a transistor including a metal oxide in a channel formation region can be referred to as an “oxide semiconductor transistor” or an “OS transistor”. Similarly, the “transistor including an oxide semiconductor” described above is a transistor including a metal oxide in a channel formation region.

(実施の形態1)
本発明の一態様である半導体装置の構成について説明する。
(Embodiment 1)
A structure of a semiconductor device which is one embodiment of the present invention is described.

図1(A)は、本実施の形態の半導体装置のブロック図である。本実施の形態で説明する半導体装置100は、演算処理回路111、タイマ112およびスイッチ113を有するSiトランジスタ層101、電源管理回路121およびメモリ回路122を有するOSトランジスタ層102を有する。   FIG. 1A is a block diagram of the semiconductor device of this embodiment. A semiconductor device 100 described in this embodiment includes an Si transistor layer 101 including an arithmetic processing circuit 111, a timer 112, and a switch 113, an OS transistor layer 102 including a power management circuit 121, and a memory circuit 122.

Siトランジスタ層101は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタを有する層である。OSトランジスタ層102は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有する層である。Siトランジスタ層101は、OSトランジスタ層102の下層に設けられる。OSトランジスタ層102は、Siトランジスタ層101の上層に設けられる。   The Si transistor layer 101 is a layer including a transistor including silicon in a channel formation region. The OS transistor layer 102 is a layer including a transistor including a metal oxide in a channel formation region. The Si transistor layer 101 is provided below the OS transistor layer 102. The OS transistor layer 102 is provided above the Si transistor layer 101.

半導体装置100は、Siトランジスタ層101の上層にあたるOSトランジスタ層102において、OSトランジスタを用いてプログラマブルロジックデバイス(Programmable Logic Device)を構成する。OSトランジスタ層102では、メモリ回路のみならず、演算処理を行う電源管理回路121を設けることで、OSトランジスタ層102の面積効率を向上させることに加えることができる。また、Siトランジスタ層101とは独立した、演算機能とメモリ機能とをOSトランジスタ層102において兼ね備えることができる。そのため、図1(A)に図示するように、デットスペースであったOSトランジスタ層102の領域を効率的に活用することができる。   The semiconductor device 100 configures a programmable logic device using an OS transistor in an OS transistor layer 102 that is an upper layer of the Si transistor layer 101. In the OS transistor layer 102, not only the memory circuit but also the power management circuit 121 that performs arithmetic processing is provided, so that the area efficiency of the OS transistor layer 102 can be improved. In addition, the OS transistor layer 102 can have an arithmetic function and a memory function independent of the Si transistor layer 101. Therefore, as illustrated in FIG. 1A, the region of the OS transistor layer 102 which is a dead space can be efficiently used.

OSトランジスタ層102に実装するプログラマブルロジックデバイスの一例としては、PLA(Programmable Logic Array)が好適である。OSトランジスタ層102に設けられるPLAは、後述するOSトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能であり、好適である。   As an example of a programmable logic device mounted on the OS transistor layer 102, PLA (Programmable Logic Array) is suitable. The PLA provided in the OS transistor layer 102 is preferable because internal connection information can be repeatedly changed by using an extremely low off-state current of an OS transistor described later.

Siトランジスタ層101上にOSトランジスタ層102を設けるハイブリッドプロセスを採用することで、BEOL(Back End Of Line)部に演算処理を行う電源管理回路121を設けることができるため、今までSiトランジスタが担っていた機能の一部をOSトランジスタ層102で処理することが可能である。   By adopting a hybrid process in which the OS transistor layer 102 is provided on the Si transistor layer 101, a power management circuit 121 that performs arithmetic processing can be provided in the BEOL (Back End Of Line) unit. A part of the function which has been used can be processed by the OS transistor layer 102.

本発明の一態様の構成とすることで、例えば、動作速度がそれほど要求されない電源管理回路121などの回路での信号処理をOSトランジスタ層102で処理することで、電源制御回路に使用されていたSiトランジスタ層101に設けられる分のゲート素子などが不要になる。そのため、OSトランジスタ層102に機能が代替されて余剰になったSiトランジスタ層101のゲート素子を用いて、Siトランジスタ層101の回路規模を拡大して演算処理の機能を向上させる、もしくは不要になったSiトランジスタ層101のゲート素子を削除して回路面積を削減するなど、半導体装置100の性能を向上させることができる。   With the configuration of one embodiment of the present invention, for example, signal processing in a circuit such as the power management circuit 121 that does not require much operation speed is processed in the OS transistor layer 102, and thus used in the power control circuit. The gate elements for the Si transistor layer 101 are not necessary. Therefore, by using the gate element of the Si transistor layer 101 whose function is substituted for the OS transistor layer 102 and surplus, the circuit scale of the Si transistor layer 101 is expanded to improve the function of arithmetic processing, or it becomes unnecessary. The performance of the semiconductor device 100 can be improved, for example, by removing the gate element of the Si transistor layer 101 and reducing the circuit area.

加えてOSトランジスタは、Siトランジスタと異なり、高温環境時においても良好なトランジスタ特性を維持することができる。そのため、高温環境下においても良好な動作を可能な半導体装置100とすることができる。   In addition, unlike the Si transistor, the OS transistor can maintain good transistor characteristics even in a high temperature environment. Therefore, the semiconductor device 100 that can operate satisfactorily even in a high temperature environment can be obtained.

図1(B)には、図1(A)の半導体装置100を説明するためのブロック図である。   FIG. 1B is a block diagram for explaining the semiconductor device 100 of FIG.

図1(B)では、図1(A)で図示した、演算処理回路111、タイマ112およびスイッチ113を有するSiトランジスタ層101、電源管理回路121およびメモリ回路122を有するOSトランジスタ層102の他、電源回路103および入力回路104を図示している。   In FIG. 1B, in addition to the Si transistor layer 101 having the arithmetic processing circuit 111, the timer 112 and the switch 113, the power management circuit 121 and the OS transistor layer 102 having the memory circuit 122 illustrated in FIG. A power supply circuit 103 and an input circuit 104 are shown.

演算処理回路111は、演算処理部(図示せず)と、演算処理で生成されるデータを記憶可能なメモリ回路122、123と、を有する。例えば、演算処理部は、CPU、GPUなどのプロセッサである。メモリ回路123は、Siトランジスタ層101に設けられる、演算して得られるデータを一時的に記憶するためのレジスタである。メモリ回路123は、電源電圧の供給が行われる期間にデータの保持ができる機能を有する。メモリ回路123は、電源電圧の供給が停止する期間にデータが消失する。   The arithmetic processing circuit 111 includes an arithmetic processing unit (not shown) and memory circuits 122 and 123 capable of storing data generated by the arithmetic processing. For example, the arithmetic processing unit is a processor such as a CPU or a GPU. The memory circuit 123 is a register provided in the Si transistor layer 101 for temporarily storing data obtained by calculation. The memory circuit 123 has a function of holding data during a period when power supply voltage is supplied. In the memory circuit 123, data is lost during the period when the supply of the power supply voltage is stopped.

またOSトランジスタ層に設けられるメモリ回路122を有する。メモリ回路122は、メモリ回路123で保持されているデータを電源電圧が停止時に退避させ、保持することができる機能、および退避しているデータをメモリ回路123に復帰できる機能を有する。例えばメモリ回路122は、OSトランジスタと容量素子とで構成され、OSトランジスタのオフ電流が極めて低いことを利用して、データに応じた電荷を、電源電圧の供給停止時においても保持することができる機能を有する。そのため、演算処理回路111は、PG手法を適用する前後の期間において、演算処理で生成されたデータを保持し続けることができる。   The memory circuit 122 is provided in the OS transistor layer. The memory circuit 122 has a function of saving and holding the data held in the memory circuit 123 when the power supply voltage is stopped, and a function of returning the saved data to the memory circuit 123. For example, the memory circuit 122 includes an OS transistor and a capacitor, and can hold charges corresponding to data even when the supply of power supply voltage is stopped by utilizing the extremely low off-state current of the OS transistor. It has a function. Therefore, the arithmetic processing circuit 111 can keep holding the data generated by the arithmetic processing in a period before and after applying the PG method.

タイマ112は、クロック信号に応じて所定の期間毎に信号IN_tを生成する機能を有する。タイマ112は、Siトランジスタ層101に設ける構成を図示しているが、高速で動作させる必要がない場合、OSトランジスタ層102に設ける構成としてもよい。タイマ112で生成される信号IN_tは、電源管理回路121に出力される。   The timer 112 has a function of generating a signal IN_t every predetermined period in accordance with the clock signal. Although the timer 112 is illustrated as being provided in the Si transistor layer 101, the timer 112 may be provided in the OS transistor layer 102 when it is not necessary to operate at high speed. The signal IN_t generated by the timer 112 is output to the power management circuit 121.

電源回路103は、Siトランジスタ層101およびOSトランジスタ層102が有する各回路を駆動するための電源電位を生成し、出力する機能を有する。図1(B)では、電源電位として、電圧VDD及び電圧VSS(<VDD)を図示している。   The power supply circuit 103 has a function of generating and outputting a power supply potential for driving each circuit included in the Si transistor layer 101 and the OS transistor layer 102. In FIG. 1B, a voltage VDD and a voltage VSS (<VDD) are illustrated as power supply potentials.

スイッチ113は、演算処理回路111に対しPG手法を適用するためのパワースイッチとしての機能を有する。スイッチ113は、電源管理回路121からの信号OUTに応じて、演算処理回路111への電圧VDDおよび電圧VSSの供給を行うか停止するかを制御できる機能を有する。スイッチ113は、Siトランジスタ層101に設ける構成を図示しているが、高速で動作させる必要がない場合、OSトランジスタ層に設ける構成としてもよい。   The switch 113 has a function as a power switch for applying the PG method to the arithmetic processing circuit 111. The switch 113 has a function of controlling whether to supply or stop the supply of the voltage VDD and the voltage VSS to the arithmetic processing circuit 111 in accordance with the signal OUT from the power management circuit 121. Although the switch 113 is illustrated as being provided in the Si transistor layer 101, the switch 113 may be provided in the OS transistor layer when it is not necessary to operate at high speed.

入力回路104は、タッチセンサ等の外部入力手段、あるいは温度センサ等のセンシング手段である。入力回路104で生成される信号IN_sは、電源管理回路121に出力される。   The input circuit 104 is an external input unit such as a touch sensor or a sensing unit such as a temperature sensor. The signal IN_s generated by the input circuit 104 is output to the power management circuit 121.

電源管理回路121は、信号IN_sや信号IN_t等の入力信号に応じて、出力信号OUTを生成する機能を有する。電源管理回路121は、OSトランジスタ、つまりチャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路である。具体的には、プログラマブルロジックデバイスなどのプログラマブルな演算回路で当該信号を処理することができる。電源管理回路121は、演算処理部ほど、高速に動作させる必要がない。そのため、OSトランジスタの性能で所望の機能を実現することができる。   The power management circuit 121 has a function of generating an output signal OUT in accordance with an input signal such as the signal IN_s or the signal IN_t. The power management circuit 121 is a logic circuit including an OS transistor, that is, a transistor having a metal oxide in a channel formation region. Specifically, the signal can be processed by a programmable arithmetic circuit such as a programmable logic device. The power management circuit 121 does not need to be operated as fast as the arithmetic processing unit. Therefore, a desired function can be realized by the performance of the OS transistor.

電源管理回路121は、演算処理回路111とは異なり、常時駆動し続ける必要がある。そのため、環境温度の変化等より、トランジスタ特性の変動が小さいOSトランジスタで回路を構成することで、信頼性に優れた動作を実現できる。   Unlike the arithmetic processing circuit 111, the power management circuit 121 needs to be continuously driven. Therefore, an operation with excellent reliability can be realized by configuring the circuit with an OS transistor whose transistor characteristic variation is small due to a change in environmental temperature or the like.

OSトランジスタ層102に実装するプログラマブルロジックデバイスの一例としては、PLA(Programmable Logic Array)が好適である。OSトランジスタ層102に設けられるPLAは、後述するOSトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能であり、好適である。   As an example of a programmable logic device mounted on the OS transistor layer 102, PLA (Programmable Logic Array) is suitable. The PLA provided in the OS transistor layer 102 is preferable because internal connection information can be repeatedly changed by using an extremely low off-state current of an OS transistor described later.

また、OSトランジスタは、オフ時にソースとドレインとの間を流れる電流、いわゆるオフ電流が極めて低いため、貫通電流を小さくできる。そのため、ダイナミック型単極性PLAとして動作させた場合に貫通電流をより小さくできるため、低消費電力化を図ることができる。   In addition, since the OS transistor has a very low current flowing between the source and the drain when it is off, so-called off current, the through current can be reduced. Therefore, since the through current can be further reduced when operated as a dynamic type unipolar PLA, low power consumption can be achieved.

次いで、図2乃至図7を用いてOSトランジスタのみで実装可能なダイナミック型のPLAの構成例について説明する。また図8および図9を用いて図2乃至図7で示すダイナミック型のPLAの駆動方法の一例について説明する。ダイナミック型のPLAとすることでスタティック電流の小さい単極性PLAを構成できる。また以下で説明するダイナミック型のPLAは、クロック信号PH1乃至PH4の4相クロックに同期して動作させる構成について説明する。   Next, a configuration example of a dynamic PLA that can be mounted using only OS transistors will be described with reference to FIGS. An example of a method for driving the dynamic PLA shown in FIGS. 2 to 7 will be described with reference to FIGS. A unipolar PLA with a small static current can be configured by using a dynamic PLA. A dynamic PLA described below will be described in a configuration in which it is operated in synchronization with the four-phase clocks of the clock signals PH1 to PH4.

図2(A)は、ダイナミック型のPLAとして動作可能な電源管理回路121のブロック図である。電源管理回路121は、入力回路130、ANDゲート回路140、およびORゲート回路150で構成される。   FIG. 2A is a block diagram of a power management circuit 121 that can operate as a dynamic PLA. The power management circuit 121 includes an input circuit 130, an AND gate circuit 140, and an OR gate circuit 150.

入力回路130には、タイマ112および入力回路104等からIN_1乃至IN_n(nは2以上の自然数)の複数の入力信号が入力される。入力回路130は、入力信号IN_1乃至IN_nと反転入力信号IN_1b乃至IN_nbを出力する機能を有する。入力回路130は、バッファ回路およびインバータ回路の機能を有する。入力回路130には、動作を制御するためのクロック信号PH1およびPH2が入力される。   A plurality of input signals IN_1 to IN_n (n is a natural number of 2 or more) are input to the input circuit 130 from the timer 112, the input circuit 104, and the like. The input circuit 130 has a function of outputting input signals IN_1 to IN_n and inverted input signals IN_1b to IN_nb. The input circuit 130 functions as a buffer circuit and an inverter circuit. Input circuit 130 receives clock signals PH1 and PH2 for controlling the operation.

ANDゲート回路140には、入力回路130から入力信号IN_1乃至IN_nと反転入力信号IN_1b乃至IN_nbが入力される。ANDゲート回路140は、入力信号数の切り替えが可能なプログラマブルスイッチアレイと駆動回路とを有する。ANDゲート回路140は、入力される信号の論理積に応じた信号ANL_1乃至ANL_j(jは2以上の自然数。図2(A)ではANL_j−1、ANL_j、ANL_j+1を図示)を出力する。ANDゲート回路140には、動作を制御するためのクロック信号PH2およびPH3が入力される。またANDゲート回路140には、プログラマブルスイッチアレイでの結線関係を切り替えるための信号を入出力する各種制御信号がビット線BL、ワード線WL、配線ANSを介して与えられる。なお配線ANSはソース線であり、グラウンド電位を与える機能を有する。   Input signals IN_1 to IN_n and inverted input signals IN_1b to IN_nb are input from the input circuit 130 to the AND gate circuit 140. The AND gate circuit 140 includes a programmable switch array capable of switching the number of input signals and a drive circuit. The AND gate circuit 140 outputs signals ANL_1 to ANL_j (j is a natural number equal to or greater than 2; ANL_j-1, ANL_j, and ANL_j + 1 are illustrated in FIG. 2A) corresponding to the logical product of the input signals. Clock signals PH2 and PH3 for controlling the operation are input to AND gate circuit 140. The AND gate circuit 140 is supplied with various control signals for inputting and outputting signals for switching the connection relationship in the programmable switch array via the bit line BL, the word line WL, and the wiring ANS. Note that the wiring ANS is a source line and has a function of supplying a ground potential.

ORゲート回路150には、ANDゲート回路140から信号入力信号ANL_1乃至ANL_jが入力される。ORゲート回路150は、入力信号数の切り替えが可能なプログラマブルスイッチアレイと駆動回路とを有する。ORゲート回路150は、入力される信号の論理和に応じた信号OUT_1乃至OUT_k(kは2以上の自然数。図2(A)ではOUT_k−1、OUT_k、OUT_k+1を図示)を出力する。ORゲート回路150には、動作を制御するためのクロック信号PH3およびPH4が入力される。またORゲート回路150には、プログラマブルスイッチアレイでの結線関係を切り替えるための信号を入出力する各種制御信号がビット線BL、ワード線WL、配線ORSを介して与えられる。なお配線ORSはソース線であり、グラウンド電位を与える機能を有する。   Signal input signals ANL_1 to ANL_j are input from the AND gate circuit 140 to the OR gate circuit 150. The OR gate circuit 150 includes a programmable switch array capable of switching the number of input signals and a drive circuit. The OR gate circuit 150 outputs signals OUT_1 to OUT_k (k is a natural number equal to or greater than 2; OUT_k−1, OUT_k, and OUT_k + 1 are illustrated in FIG. 2A) corresponding to the logical sum of the input signals. Clock signals PH3 and PH4 for controlling the operation are input to the OR gate circuit 150. Various control signals for inputting / outputting signals for switching the connection relationship in the programmable switch array are supplied to the OR gate circuit 150 via the bit line BL, the word line WL, and the wiring ORS. Note that the wiring ORS is a source line and has a function of supplying a ground potential.

図2(A)に図示する入力回路130、ANDゲート回路140、およびORゲート回路150は、図2(B)のように表すことができる。図2(B)では、ANDゲート回路140においてプログラマブルスイッチアレイ141、ORゲート回路150においてプログラマブルスイッチアレイ151を有する。プログラマブルスイッチアレイ141およびプログラマブルスイッチアレイ151はそれぞれ、内部の結線情報をコンフィギュレーションデータとして保持するためのメモリ回路としての機能を有する。当該メモリ回路は、OSトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能であり、好適である。   The input circuit 130, the AND gate circuit 140, and the OR gate circuit 150 illustrated in FIG. 2A can be represented as illustrated in FIG. In FIG. 2B, the AND gate circuit 140 includes a programmable switch array 141 and the OR gate circuit 150 includes a programmable switch array 151. Each of the programmable switch array 141 and the programmable switch array 151 has a function as a memory circuit for holding internal connection information as configuration data. The memory circuit is preferable because it can repeatedly change the internal connection information by using an extremely low off-state current of the OS transistor.

図3(A)は、入力回路130の構成例を示す回路図である。   FIG. 3A is a circuit diagram illustrating a configuration example of the input circuit 130.

入力回路130は複数のダイナミック型単極性インバータ回路を有する。図3(A)には、1つのダイナミック型単極性インバータ回路を図示している。当該ダイナミック型単極性インバータ回路は、トランジスタTr1、トランジスタTr2、およびトランジスタTr3を有し、入力信号INを反転させた信号INBを生成する機能を有する。   The input circuit 130 has a plurality of dynamic type unipolar inverter circuits. FIG. 3A illustrates one dynamic type unipolar inverter circuit. The dynamic unipolar inverter circuit includes a transistor Tr1, a transistor Tr2, and a transistor Tr3, and has a function of generating a signal INB obtained by inverting the input signal IN.

トランジスタTr1およびトランジスタTr2は、クロック信号PH1およびPH2に応じてオンまたはオフが制御される。トランジスタTr3は、入力信号INに応じてオンまたはオフが制御される。ダイナミック型単極性インバータ回路は、各トランジスタのオンまたはオフに応じて信号INBを出力することができる。   The transistors Tr1 and Tr2 are controlled to be turned on or off according to the clock signals PH1 and PH2. The transistor Tr3 is controlled to be turned on or off according to the input signal IN. The dynamic unipolar inverter circuit can output a signal INB in accordance with whether each transistor is on or off.

なお入力回路130が有するダイナミック型単極性インバータ回路は、図3(B)に図示する入力回路130Aの構成としてもよい。図3(B)では、ダイナミック型単極性インバータ回路が有する各トランジスタのゲートとバックゲートとを接続した構成である。当該構成とすることで、トランジスタを流れる電流量を大きくすることができる。   Note that the dynamic unipolar inverter circuit included in the input circuit 130 may have a structure of the input circuit 130A illustrated in FIG. FIG. 3B illustrates a structure in which the gate and the back gate of each transistor included in the dynamic unipolar inverter circuit are connected. With this structure, the amount of current flowing through the transistor can be increased.

あるいは入力回路130が有するダイナミック型単極性インバータ回路は、図3(C)に図示する入力回路130Bの構成としてもよい。図3(C)では、ダイナミック型単極性インバータ回路が有する各トランジスタのバックゲートに、ゲートでは別の電位(Vbg)を与える構成である。当該構成とすることで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。   Alternatively, the dynamic unipolar inverter circuit included in the input circuit 130 may have a structure of the input circuit 130B illustrated in FIG. In FIG. 3C, a different potential (Vbg) is applied to the back gate of each transistor included in the dynamic unipolar inverter circuit. With this structure, the threshold voltage of the transistor can be controlled.

なお、以下の説明及び図では、図3(A)に図示するようにOSトランジスタのバックゲートを省略して説明するが、図3(B)、(C)のようにバックゲートを設ける構成とすることもできる。   In the following description and drawings, the back gate of the OS transistor is omitted as shown in FIG. 3A, but the back gate is provided as shown in FIGS. 3B and 3C. You can also

図4にANDゲート回路140が有するプログラマブルスイッチアレイ141の構成例を示す。   FIG. 4 shows a configuration example of the programmable switch array 141 included in the AND gate circuit 140.

図4では説明のため、プログラマブルスイッチアレイ141として、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,j−1]、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,j]、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,j+1]、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,j+2]、プログラマブルスイッチ回路S[i,j−1]、プログラマブルスイッチ回路S[i,j]、プログラマブルスイッチ回路S[i,j+1]、プログラマブルスイッチ回路S[i,j+2]、プログラマブルスイッチ回路S[i+1,j−1]、プログラマブルスイッチ回路S[i+1,j]、プログラマブルスイッチ回路S[i+1,j+1]、プログラマブルスイッチ回路S[i+2,j+2]、とを図示している。   In FIG. 4, as an example of the programmable switch array 141, the programmable switch circuit S [i−1, j−1], the programmable switch circuit S [i−1, j], and the programmable switch circuit S [i−1, j + 1] are illustrated for the sake of explanation. , Programmable switch circuit S [i-1, j + 2], programmable switch circuit S [i, j-1], programmable switch circuit S [i, j], programmable switch circuit S [i, j + 1], programmable switch circuit S [ i, j + 2], programmable switch circuit S [i + 1, j-1], programmable switch circuit S [i + 1, j], programmable switch circuit S [i + 1, j + 1], programmable switch circuit S [i + 2, j + 2] Show.

プログラマブルスイッチ回路Sはそれぞれ、トランジスタTr4、トランジスタTr5、およびトランジスタTr6、容量素子C1を有する。   Each of the programmable switch circuits S includes a transistor Tr4, a transistor Tr5, a transistor Tr6, and a capacitor C1.

図5にANDゲート回路140が有する駆動回路と、上述したプログラマブルスイッチアレイ141を併せた構成例を示す。   FIG. 5 shows a configuration example in which the drive circuit included in the AND gate circuit 140 and the above-described programmable switch array 141 are combined.

駆動回路は、駆動回路R[i−1]、駆動回路R[i]、駆動回路R[i+1]、とから構成される。   The drive circuit includes a drive circuit R [i−1], a drive circuit R [i], and a drive circuit R [i + 1].

駆動回路Rは、トランジスタTr7およびトランジスタTr8、とを有する。   The drive circuit R includes a transistor Tr7 and a transistor Tr8.

図6にORゲート回路150が有するプログラマブルスイッチアレイ151の構成例を示す。   FIG. 6 shows a configuration example of the programmable switch array 151 included in the OR gate circuit 150.

図6では説明のため、プログラマブルスイッチアレイ151として、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,k−1]、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,k]、プログラマブルスイッチ回路S[i−1,k+1]、プログラマブルスイッチ回路S[i,k−1]、プログラマブルスイッチ回路S[i,k]、プログラマブルスイッチ回路S[i,k+1]、プログラマブルスイッチ回路S[i+1,k−1]、プログラマブルスイッチ回路S[i+1,k]、プログラマブルスイッチ回路S[i+1,k+1]、とを図示している。   In FIG. 6, as a programmable switch array 151, a programmable switch circuit S [i−1, k−1], a programmable switch circuit S [i−1, k], and a programmable switch circuit S [i−1, k + 1] are illustrated for the sake of explanation. , Programmable switch circuit S [i, k−1], programmable switch circuit S [i, k], programmable switch circuit S [i, k + 1], programmable switch circuit S [i + 1, k−1], programmable switch circuit S [ i + 1, k] and programmable switch circuit S [i + 1, k + 1] are illustrated.

プログラマブルスイッチ回路Sはそれぞれ、トランジスタTr4、トランジスタTr5、およびトランジスタTr6、容量素子C1を有する。   Each of the programmable switch circuits S includes a transistor Tr4, a transistor Tr5, a transistor Tr6, and a capacitor C1.

図7にORゲート回路150が有する駆動回路と、上述したプログラマブルスイッチアレイ151を併せた構成例を示す。   FIG. 7 shows a configuration example in which the drive circuit included in the OR gate circuit 150 and the above-described programmable switch array 151 are combined.

プログラマブルOR駆動回路は、駆動回路R[k−1]、駆動回路R[k]、および駆動回路R[k+1]を有する。   The programmable OR drive circuit includes a drive circuit R [k−1], a drive circuit R [k], and a drive circuit R [k + 1].

図8には、上述した図3乃至図7で説明した各回路を有する、ダイナミック型単極性PLAの動作を説明するタイミングチャートを示す。図8では、結線関係を設定するためのコンフィギュレーションデータを書き込む動作について説明する。   FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the dynamic unipolar PLA having the circuits described in FIGS. 3 to 7 described above. FIG. 8 illustrates an operation of writing configuration data for setting a connection relationship.

時刻T1において、ワード線WL[i−1]をHレベルの電位とし、ビット線BL[j−1]、ビット線BL[j]、ビット線BL[j+1]、ビット線BL[j+2]、ビット線BL[k−1]、ビット線BL[k]、ビット線BL[k+1]、にそれぞれ所望のデータd1、データd4、データd7、データd10、データd13、データd16、データd19、を表す電圧を供給する。保持ノードN[i−1,j−1]、保持ノードN[i−1,j]、保持ノードN[i−1,j+1]、保持ノードN[i−1,j+2]、保持ノードN[i−1,k−1]、保持ノードN[i−1,k]、保持ノードN[i−1,k+1]、には、データd1、データd4、データd7、データd10、データd13、データd16、データd19、がそれぞれ書き込まれる。   At time T1, the word line WL [i−1] is set to an H level potential, the bit line BL [j−1], the bit line BL [j], the bit line BL [j + 1], the bit line BL [j + 2], the bit Voltages representing desired data d1, data d4, data d7, data d10, data d13, data d16, and data d19 on line BL [k−1], bit line BL [k], and bit line BL [k + 1], respectively. Supply. Holding node N [i−1, j−1], holding node N [i−1, j], holding node N [i−1, j + 1], holding node N [i−1, j + 2], holding node N [ i-1, k-1], holding node N [i-1, k], holding node N [i-1, k + 1] include data d1, data d4, data d7, data d10, data d13, data d16 and data d19 are respectively written.

時刻T2において、ワード線WL[i−1]をLレベルの電位とすることで、ワード線WL[i−1]に接続されたプログラマブルスイッチ回路の書き込みが終了する。   At time T2, the word line WL [i-1] is set to an L level potential, whereby writing to the programmable switch circuit connected to the word line WL [i-1] is completed.

時刻T3において、ワード線WL[i]をHレベルの電位とし、ビット線BL[j−1]、ビット線BL[j]、ビット線BL[j+1]、ビット線BL[j+2]、ビット線BL[k−1]、ビット線BL[k]、ビット線BL[k+1]、にそれぞれ所望のデータd2、データd5、データd8、データd11、データd14、データd17、データd20、を表す電圧を供給すると、保持ノードN[i,j−1]、保持ノードN[i,j]、保持ノードN[i,j+1]、保持ノードN[i,j+2]、保持ノードN[i,k−1]、保持ノードN[i,k]、保持ノードN[i,k+1]、にデータd2、データd5、データd8、データd11、データd14、データd17、データd20、がそれぞれ書き込まれる。   At time T3, the word line WL [i] is set to an H level potential, the bit line BL [j−1], the bit line BL [j], the bit line BL [j + 1], the bit line BL [j + 2], and the bit line BL Voltages representing desired data d2, data d5, data d8, data d11, data d14, data d17, and data d20 are supplied to [k−1], bit line BL [k], and bit line BL [k + 1], respectively. Then, holding node N [i, j-1], holding node N [i, j], holding node N [i, j + 1], holding node N [i, j + 2], holding node N [i, k-1] , Data d2, data d5, data d8, data d11, data d14, data d17, and data d20 are written to holding node N [i, k] and holding node N [i, k + 1], respectively.

時刻T4において、ワード線WL[i]をLレベルの電位とすることで、ワード線WL[i]に接続されたプログラマブルスイッチ回路の書き込みが終了する。   At time T4, the word line WL [i] is set to an L-level potential, whereby writing to the programmable switch circuit connected to the word line WL [i] is completed.

時刻T5において、ワード線WL[i+1]をHレベルの電位とし、ビット線BL[j−1]、ビット線BL[j]、ビット線BL[j+1]、ビット線BL[j+2]、ビット線BL[k−1]、ビット線BL[k]、ビット線BL[k+1]、にそれぞれ所望のデータd3、データd6、データd9、データd12、データd15、データd18、データd21、を表す電圧を供給すると、保持ノードN[i+1,j−1]、保持ノードN[i+1,j]、保持ノードN[i+1,j+1]、保持ノードN[i+1,j+2]、保持ノードN[i+1,k−1]、保持ノードN[i+1,k]、保持ノードN[i+1,k+1]、にデータd3、データd6、データd9、データd12、データd15、データd18、データd21、がそれぞれ書き込まれる。   At time T5, the word line WL [i + 1] is set to an H level potential, the bit line BL [j-1], the bit line BL [j], the bit line BL [j + 1], the bit line BL [j + 2], and the bit line BL Voltages representing desired data d3, data d6, data d9, data d12, data d15, data d18, and data d21 are supplied to [k−1], bit line BL [k], and bit line BL [k + 1], respectively. Then, holding node N [i + 1, j−1], holding node N [i + 1, j], holding node N [i + 1, j + 1], holding node N [i + 1, j + 2], holding node N [i + 1, k−1] , Holding node N [i + 1, k] and holding node N [i + 1, k + 1] have data d3, data d6, data d9, data d12, data d15, data d18, and data d21. Re respectively are written.

時刻T6において、ワード線WL[i+1]をLレベルの電位とすることで、ワード線WL[i+1]に接続されたプログラマブルスイッチ回路の書き込みが終了する。   At time T6, the word line WL [i + 1] is set to an L-level potential, whereby writing to the programmable switch circuit connected to the word line WL [i + 1] is completed.

図9には、上述した図3乃至図7で説明した各回路を有する、ダイナミック型単極性PLAの論理演算を行う際の動作を説明するタイミングチャートの一例を示す。   FIG. 9 shows an example of a timing chart for explaining an operation when performing a logical operation of a dynamic unipolar PLA having the circuits described in FIGS. 3 to 7 described above.

時刻T7において、AND入力信号線IN[n−1]、AND入力信号線IN[n]、に入力信号in1、入力信号in3、が供給される。   At time T7, the input signal in1 and the input signal in3 are supplied to the AND input signal line IN [n-1] and the AND input signal line IN [n].

時刻T8において、クロック信号PH1をHレベルの電位とし、ダイナミック型単極性インバータ回路INV[n−1]、ダイナミック型単極性インバータ回路INV[n]、の出力端子に接続されたAND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、がHレベルの電位にプリチャージされる。   At time T8, the clock signal PH1 is set to the H level potential, and the AND input signal line INB connected to the output terminals of the dynamic unipolar inverter circuit INV [n-1] and the dynamic unipolar inverter circuit INV [n]. [J] and the AND input signal line INB [j + 2] are precharged to the H level potential.

時刻T9において、クロック信号PH1をLレベルの電位とすることで、AND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、のプリチャージが終了する。   At time T9, the clock signal PH1 is set to the L level potential, whereby the precharge of the AND input signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2] is completed.

時刻T10において、クロック信号PH2をHレベルの電位とすることで、AND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、に入力信号in1、入力信号in3、の反転信号がそれぞれ供給される。また、駆動回路R[i−1]、駆動回路R[i]、駆動回路R[i+1]、によりAND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、がHighにプリチャージされる。   At time T10, the clock signal PH2 is set to an H-level potential, whereby inverted signals of the input signal in1 and the input signal in3 are supplied to the AND input signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2], respectively. Is done. The drive circuit R [i-1], the drive circuit R [i], and the drive circuit R [i + 1] are used to generate an AND output signal line ANL [i-1], an AND output signal line ANL [i], and an AND output signal line. ANL [i + 1] is precharged to High.

時刻T11において、クロック信号PH2をLレベルの電位とすることで、AND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、の電圧供給及び、AND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、のプリチャージが終了する。   At time T11, the clock signal PH2 is set to the L level potential, whereby the voltage supply of the AND input signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2] and the AND output signal line ANL [i−1] are obtained. The precharge of the AND output signal line ANL [i] and the AND output signal line ANL [i + 1] is completed.

時刻T12において、クロック信号PH3をHレベルの電位とすることで、駆動回路R[i−1]、駆動回路R[i]、駆動回路R[i+1]、によりAND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、がプログラマブルANDメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号in1、入力信号in3、の論理演算の結果を表す電位a1、電位a3、電位a5、に遷移する。また、駆動回路R[k−1]、駆動回路R[k]、駆動回路R[k+1]、によりOR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、がHレベルにプリチャージされる。   At a time T12, the clock signal PH3 is set to an H level potential, whereby the AND output signal line ANL [i−1] is generated by the drive circuit R [i−1], the drive circuit R [i], and the drive circuit R [i + 1]. , AND output signal line ANL [i], AND output signal line ANL [i + 1], a potential a1 representing the result of the logical operation of input signal in1, input signal in3 according to the logic function programmed in the programmable AND memory array, Transition to potential a3 and potential a5. Further, an OR output signal line OUT [k−1], an OR output signal line OUT [k], and an OR output signal line by the drive circuit R [k−1], the drive circuit R [k], and the drive circuit R [k + 1]. OUT [k + 1] is precharged to H level.

時刻T13において、クロック信号PH3をLレベルの電位とすることで、AND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、の電圧供給及び、OR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、のプリチャージが終了する。   At time T13, the clock signal PH3 is set to an L level potential, whereby voltage supply to the AND output signal line ANL [i−1], the AND output signal line ANL [i], and the AND output signal line ANL [i + 1] , OR output signal line OUT [k−1], OR output signal line OUT [k], and OR output signal line OUT [k + 1] are precharged.

時刻T14において、クロック信号PH4をHレベルの電位とすることで、駆動回路R[k−1]、駆動回路R[k]、駆動回路R[k+1]、によりOR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、がプログラマブルORメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号in1、入力信号in3、の論理演算の結果を表す電位ao1、電位ao3、電位ao5、に遷移する。   At time T14, the clock signal PH4 is set to an H level potential, whereby the OR output signal line OUT [k−1] is generated by the drive circuit R [k−1], the drive circuit R [k], and the drive circuit R [k + 1]. , OR output signal line OUT [k], OR output signal line OUT [k + 1], potential ao1 representing the result of the logical operation of input signal in1 and input signal in3 according to the logic function programmed in the programmable OR memory array, Transition to potential ao3 and potential ao5.

時刻15において、クロック信号PH4をLレベルの電位とすることで、OR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、の電圧供給が終了する。以上、時刻7乃至時刻T8において入力信号in1、入力信号in3、に対する、主加法標準形で表される一つの論理演算が完了する。また、AND入力信号線IN[n−1]、AND入力信号線入力端子IN[n]、に入力信号in2、入力信号in4、が供給される。   At time 15, the clock signal PH4 is set to the L level potential, so that the voltage supply to the OR output signal line OUT [k−1], the OR output signal line OUT [k], and the OR output signal line OUT [k + 1] is performed. finish. As described above, at time 7 to time T8, one logical operation represented by the main additive standard form for the input signal in1 and the input signal in3 is completed. The input signal in2 and the input signal in4 are supplied to the AND input signal line IN [n-1] and the AND input signal line input terminal IN [n].

時刻T16において、クロック信号PH1をHレベルの電位とすることで、ダイナミック型単極性インバータ回路INV[n−1]、ダイナミック型単極性インバータ回路INV[n]、の出力端子に接続されたAND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、がHレベルにプリチャージされる。   At time T <b> 16, the clock signal PH <b> 1 is set to the H level potential so that the AND input connected to the output terminals of the dynamic unipolar inverter circuit INV [n−1] and the dynamic unipolar inverter circuit INV [n]. The signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2] are precharged to the H level.

時刻T17において、クロック信号PH1をLレベルの電位とすることで、AND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、のプリチャージが終了する。   At time T <b> 17, the clock signal PH <b> 1 is set to an L level potential, whereby the precharge of the AND input signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2] is completed.

時刻T18において、クロック信号PH2をHレベルの電位とすることで、AND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、に入力信号in2、入力信号in4、の反転信号がそれぞれ供給される。また、駆動回路R[i−1]、駆動回路R[i]、駆動回路R[i+1]、によりAND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、がHレベルにプリチャージされる。   At time T18, the clock signal PH2 is set to an H level potential so that the inverted signals of the input signal in2 and the input signal in4 are supplied to the AND input signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2], respectively. Is done. The drive circuit R [i-1], the drive circuit R [i], and the drive circuit R [i + 1] are used to generate an AND output signal line ANL [i-1], an AND output signal line ANL [i], and an AND output signal line. ANL [i + 1] is precharged to H level.

時刻T19において、クロック信号PH2をLレベルの電位とすることで、AND入力信号線INB[j]、AND入力信号線INB[j+2]、の電圧供給及び、AND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、のプリチャージが終了する。   At time T19, the clock signal PH2 is set to the L level potential, whereby the voltage supply of the AND input signal line INB [j] and the AND input signal line INB [j + 2] and the AND output signal line ANL [i-1] are obtained. The precharge of the AND output signal line ANL [i] and the AND output signal line ANL [i + 1] is completed.

時刻T20において、クロック信号PH3をHレベルの電位とすることで、駆動回路R[i−1]、駆動回路R[i]、駆動回路R[i+1]、によりAND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、がプログラマブルANDメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号in2、入力信号in4、の論理演算の結果を表す電位a2、電位a4、電位a6、に遷移する。また、駆動回路R[k−1]、駆動回路R[k]、駆動回路R[k+1]、によりOR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、がHレベルにプリチャージされる。   At a time T20, the clock signal PH3 is set to an H level potential, whereby the AND output signal line ANL [i−1] is generated by the drive circuit R [i−1], the drive circuit R [i], and the drive circuit R [i + 1]. , AND output signal line ANL [i], AND output signal line ANL [i + 1], potential a2 representing the result of the logical operation of input signal in2, input signal in4 according to the logic function programmed in the programmable AND memory array, Transition to potential a4 and potential a6. Further, an OR output signal line OUT [k−1], an OR output signal line OUT [k], and an OR output signal line by the drive circuit R [k−1], the drive circuit R [k], and the drive circuit R [k + 1]. OUT [k + 1] is precharged to H level.

時刻T21において、クロック信号PH3をLレベルの電位とすることで、AND出力信号線ANL[i−1]、AND出力信号線ANL[i]、AND出力信号線ANL[i+1]、の電圧供給及び、OR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、のプリチャージが終了する。   At time T21, the clock signal PH3 is set to an L level potential, whereby voltage supply to the AND output signal line ANL [i−1], the AND output signal line ANL [i], and the AND output signal line ANL [i + 1] , OR output signal line OUT [k−1], OR output signal line OUT [k], and OR output signal line OUT [k + 1] are precharged.

時刻T22において、クロック信号PH4をHレベルの電位とすることで、駆動回路R[k−1]、駆動回路R[k]、駆動回路R[k+1]、によりOR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、がプログラマブルORメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号in2、入力信号in4、の論理演算の結果を表す電位ao2、電位ao4、電位ao6、に遷移する。   At time T22, the clock signal PH4 is set to an H level potential, whereby the OR output signal line OUT [k−1] is generated by the driver circuit R [k−1], the driver circuit R [k], and the driver circuit R [k + 1]. ], An output signal line OUT [k], an OR output signal line OUT [k + 1], a potential ao2 representing the result of the logical operation of the input signal in2 and the input signal in4 according to the logic function programmed in the programmable OR memory array, Transition to potential ao4 and potential ao6.

時刻23において、クロック信号PH4をLレベルの電位とすることで、OR出力信号線OUT[k−1]、OR出力信号線OUT[k]、OR出力信号線OUT[k+1]、の電圧供給が終了する。以上、時刻16乃至時刻T23において入力信号in2、入力信号in4、に対する、主加法標準形で表される一つの論理演算が完了する。   At time 23, the clock signal PH4 is set to the L level potential, whereby the voltage supply to the OR output signal line OUT [k−1], the OR output signal line OUT [k], and the OR output signal line OUT [k + 1] is increased. finish. As described above, at time 16 to time T23, one logical operation expressed in the main additive standard form with respect to the input signal in2 and the input signal in4 is completed.

以上のような構成とすることで、OSトランジスタ層にダイナミック型単極性PLAを実装することが出来る。電源管理回路121をトランジスタ特性の変動が小さいOSトランジスタで回路を構成することで、環境温度の変化に伴う電気特性の変動を小さくできるため、信頼性に優れた動作を実現できる。またOSトランジスタ層102に設けられるPLAは、OSトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能である。   With the above structure, a dynamic unipolar PLA can be mounted on the OS transistor layer. By configuring the power management circuit 121 with an OS transistor having a small variation in transistor characteristics, it is possible to reduce a variation in electrical characteristics due to a change in environmental temperature, so that an operation with excellent reliability can be realized. In addition, the PLA provided in the OS transistor layer 102 can repeatedly change the internal connection information by using an extremely low off-state current of the OS transistor.

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

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したSiトランジスタ層101のトランジスタに適用可能なSiトランジスタ、およびOSトランジスタ層102のトランジスタに適用可能なOSトランジスタの構成例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, structural examples of a Si transistor applicable to the transistor of the Si transistor layer 101 described in the above embodiment and an OS transistor applicable to the transistor of the OS transistor layer 102 are described.

<半導体装置の構成例>
図10に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ500、および容量素子600を有している。図11(A)はトランジスタ500のチャネル長方向の断面図であり、図11(B)はトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図であり、図11(C)はトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
<Configuration example of semiconductor device>
The semiconductor device illustrated in FIG. 10 includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitor 600. 11A is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel length direction, FIG. 11B is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel width direction, and FIG. 11C is a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction. FIG.

トランジスタ500は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(OSトランジスタ)である。トランジスタ500は、オフ電流が小さいため、これを半導体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、リフレッシュ動作の頻度が少ない、あるいは、リフレッシュ動作を必要としないため、半導体装置の消費電力を低減することができる。   The transistor 500 is a transistor having a metal oxide in a channel formation region (OS transistor). Since the transistor 500 has a low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 500 for a semiconductor device. That is, since the frequency of the refresh operation is low or the refresh operation is not required, the power consumption of the semiconductor device can be reduced.

本実施の形態で説明する半導体装置は、図10に示すようにトランジスタ300、トランジスタ500、容量素子600を有する。トランジスタ500はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子600はトランジスタ300、およびトランジスタ500の上方に設けられている。   The semiconductor device described in this embodiment includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitor 600 as illustrated in FIG. The transistor 500 is provided above the transistor 300, and the capacitor 600 is provided above the transistor 300 and the transistor 500.

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 includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 including a part of the substrate 311, a low resistance region 314a which functions as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b. Have.

トランジスタ300は、図11(C)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。   In the transistor 300, as illustrated in FIG. 11C, the upper surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction are covered with a conductor 316 with an insulator 315 interposed therebetween. In this manner, when the transistor 300 is of the Fin type, an effective channel width is increased, whereby the on-state characteristics of the transistor 300 can be improved. In addition, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, off characteristics of the transistor 300 can be improved.

なお、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。   Note that the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.

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。   The region in which the channel of the semiconductor region 313 is formed, the region in the vicinity thereof, the low resistance region 314a that serves as the source region or the drain region, the low resistance region 314b, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon in which effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be employed. Alternatively, by using GaAs, GaAlAs, or the like, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor).

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 provide an n-type conductivity element such as arsenic or phosphorus, or a p-type conductivity property such as boron, in addition to the semiconductor material used for 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 includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a material or a metal oxide material 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、トランジスタのVth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 Vth of the transistor can be adjusted by determining a work function depending on a material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, 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 tungsten is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance.

なお、図10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。例えば、トランジスタ500と同様に、トランジスタ300に酸化物半導体を用いる構成にしてもよい。   Note that the transistor 300 illustrated in FIGS. 10A and 10B is an example, and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method. For example, like the transistor 500, the transistor 300 may be formed using an oxide semiconductor.

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 so as to cover 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。   As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used. That's fine.

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の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 function as a planarization film for planarizing a step generated by the transistor 300 or the like provided thereunder. For example, the upper surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to improve 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500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。   The insulator 324 is preferably formed using a film having a barrier property such that hydrogen and impurities do not diffuse from the substrate 311 or the transistor 300 to a region where the transistor 500 is provided.

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500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、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500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 against 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 500, characteristics of the semiconductor element may be deteriorated. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 500 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

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、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。 The amount of desorption of hydrogen can be analyzed using, for example, a temperature programmed desorption gas analysis method (TDS). For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is 10 × 10 5 in terms of the amount of desorbed hydrogen atoms converted to hydrogen atoms per area of the insulator 324 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in TDS analysis. It may be 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 × 10 15 atoms / 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 lower dielectric constant than 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 relative dielectric constant of the insulator 324 is preferably equal to or less than 0.7 times that of the insulator 326, and more preferably equal to or less than 0.6 times. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the 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600、またはトランジスタ500と接続する導電体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の機能を有する。また、プラグまたは配線としての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。   The insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with the capacitor 600 or the conductor 328 connected to the transistor 500, the conductor 330, and the like. Note that the conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings. In addition, a conductor having a function as a plug or a wiring may be given the same reference numeral by collecting a plurality of structures. In this specification and the like, the wiring and the plug connected to the wiring may be integrated. 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 wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a stacked layer. Can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed using 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10において、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体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、および絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。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. 10, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked. The insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are each provided with a conductor 356. The conductor 356 functions as a plug connected to the transistor 300 or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to that of 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500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500への水素の拡散を抑制することができる。   For example, as the insulator 350, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as in the case of the insulator 324. The conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 500 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。   For example, tantalum nitride may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen be in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.

絶縁体354、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図10において、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体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、および絶縁体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の機能を有する。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 354 and the conductor 356. For example, in FIG. 10, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are sequentially stacked. Further, a conductor 366 is formed in the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 366 can be provided using a material similar to that of 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500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500への水素の拡散を抑制することができる。   Note that for example, the insulator 360 is preferably an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. The conductor 366 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 500 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10において、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体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、および絶縁体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の機能を有する。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. 10, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are sequentially stacked. In addition, a conductor 376 is formed in the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 376 can be provided using a material similar to that of 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500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500への水素の拡散を抑制することができる。   Note that for example, as the insulator 324, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as the insulator 370. The conductor 376 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 500 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10において、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体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、および絶縁体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の機能を有する。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. 10, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are sequentially stacked. A conductor 386 is formed over 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 that of 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500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500への水素の拡散を抑制することができる。   Note that for example, as the insulator 324, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as the insulator 380. The conductor 386 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 500 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半導体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。   In the above description, 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 have been described. However, the semiconductor 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, or 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510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516が、順に積層して設けられている。絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516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。   Over the insulator 384, the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 are sequentially stacked. Any of the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen.

例えば、絶縁体510、および絶縁体514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500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。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。   For example, the insulator 510 and the insulator 514 are formed using a film having a barrier property such that hydrogen or an impurity does not diffuse from a region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to a region where the transistor 500 is provided. Is preferred. Therefore, a material similar to that of 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500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、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500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 against 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 500, characteristics of the semiconductor element may be deteriorated. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 500 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

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510、および絶縁体514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。   As the film having a barrier property against hydrogen, for example, the insulator 510 and the insulator 514 are preferably formed using a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide.

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500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500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500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 that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.

また、例えば、絶縁体512、および絶縁体516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512、および絶縁体516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, the insulator 512 and the insulator 516 can be formed using a material similar to that of the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant for the insulating film as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 512 and the insulator 516, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

また、絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516には、導電体518等が埋め込まれている。なお、導電体518は、容量素子600、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体518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 conductor 518 and the like are embedded in the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516. Note that the conductor 518 functions as a plug or a wiring connected to the capacitor 600 or the transistor 300. The conductor 518 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体510、および絶縁体514と接する領域の導電体518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500とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。   In particular, the insulator 510 and the conductor 518 in a region in contact with the insulator 514 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a layer having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体516の上方には、トランジスタ500が設けられている。   A transistor 500 is provided above the insulator 516.

図11(A)、(B)に示すように、トランジスタ500は、絶縁体516の上に配置された絶縁体520と、絶縁体520の上に配置された絶縁体522と、絶縁体522の上に配置された絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された酸化物530aと、酸化物530aの上に配置された酸化物530bと、酸化物530b上に、互いに離して配置された導電体542a、および導電体542bと、導電体542aおよび導電体542b上に配置され、導電体542aと導電体542bの間に重畳して開口が形成された絶縁体580と、開口の中に配置された導電体560と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、導電体560と、の間に配置された絶縁体550と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、絶縁体550と、の間に配置された酸化物530cと、を有する。   As illustrated in FIGS. 11A and 11B, the transistor 500 includes an insulator 520 provided over the insulator 516, an insulator 522 provided over the insulator 520, and the insulator 522. The insulator 524 disposed above, the oxide 530a disposed on the insulator 524, the oxide 530b disposed on the oxide 530a, and the oxide 530b are disposed apart from each other. A conductor 542a and a conductor 542b; an insulator 580 which is disposed over the conductor 542a and the conductor 542b and has an opening formed between the conductor 542a and the conductor 542b; Conductor 560, oxide 530b, conductor 542a, conductor 542b, insulator 580, insulator 550 disposed between conductor 560, oxide 530b, conductor 5 With 2a, conductor 542b, and an insulator 580, an insulator 550, and a oxide 530c disposed between.

また、図11(A)、(B)に示すように、酸化物530a、酸化物530b、導電体542a、および導電体542bと、絶縁体580の間に絶縁体544が配置されることが好ましい。また、図11(A)、(B)に示すように、導電体560は、絶縁体550の内側に設けられた導電体560aと、導電体560aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体560bと、を有することが好ましい。また、図11(A)、(B)に示すように、絶縁体580、導電体560、および絶縁体550の上に絶縁体574が配置されることが好ましい。   11A and 11B, the insulator 544 is preferably provided between the oxide 530a, the oxide 530b, the conductor 542a, the conductor 542b, and the insulator 580. . 11A and 11B, the conductor 560 includes a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor provided so as to be embedded inside the conductor 560a. 560b. 11A and 11B, an insulator 574 is preferably provided over the insulator 580, the conductor 560, and the insulator 550.

なお、以下において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cをまとめて酸化物530という場合がある。また、導電体542aおよび導電体542bをまとめて導電体542という場合がある。   Hereinafter, the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c may be collectively referred to as an oxide 530. The conductor 542a and the conductor 542b may be collectively referred to as a conductor 542.

なお、トランジスタ500では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの3層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、酸化物530bの単層、酸化物530bと酸化物530aの2層構造、酸化物530bと酸化物530cの2層構造、または4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500では、導電体560を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体560が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図10、図11(A)(B)に示すトランジスタ500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 in the transistor 500, a structure in which three layers of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c are stacked in the vicinity of the region where the channel is formed is described; however, the present invention is not limited thereto. It is not a thing. For example, a single layer of the oxide 530b, a two-layer structure of the oxide 530b and the oxide 530a, a two-layer structure of the oxide 530b and the oxide 530c, or a stacked structure of four or more layers may be provided. In the transistor 500, the conductor 560 is illustrated as a two-layer structure; however, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 560 may have a single-layer structure or a stacked structure including three or more layers. In addition, the transistor 500 illustrated in FIGS. 10A to 11B is an example, and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.

ここで、導電体560は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体542aおよび導電体542bは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体560、導電体542aおよび導電体542bの配置は、絶縁体580の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ500において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体560を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ500の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。   Here, the conductor 560 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 542a and the conductor 542b function as a source electrode or a drain electrode, respectively. As described above, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductors 542a and 542b. The arrangement of the conductor 560, the conductor 542a, and the conductor 542b is selected in a self-aligned manner with respect to the opening of the insulator 580. That is, in the transistor 500, the gate electrode can be disposed in a self-aligned manner between the source electrode and the drain electrode. Therefore, the conductor 560 can be formed without providing a margin for alignment, so that the area occupied by the transistor 500 can be reduced. Thereby, miniaturization and high integration of the semiconductor device can be achieved.

さらに、導電体560が、導電体542aと導電体542bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体560は、導電体542aまたは導電体542bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体560と導電体542aおよび導電体542bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ500のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。   Further, since the conductor 560 is formed in a self-aligned manner in a region between the conductors 542a and 542b, the conductor 560 does not have a region overlapping with the conductor 542a or the conductor 542b. Accordingly, parasitic capacitance formed between the conductor 560 and the conductors 542a and 542b can be reduced. Thus, the switching speed of the transistor 500 can be improved and high frequency characteristics can be obtained.

絶縁体550は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。   The insulator 550 functions as a gate insulating film.

ここで、酸化物530と接する絶縁体524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絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体524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530に接して設けることにより、酸化物530中の酸素欠損を低減し、トランジスタ500の信頼性を向上させることができる。   Here, the insulator 524 in contact with the oxide 530 is preferably an insulator containing more oxygen than that in the stoichiometric composition. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 524. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 530, oxygen vacancies in the oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 500 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 that desorbs oxygen by heating means that the amount of desorbed oxygen in terms of oxygen atom is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. The oxide film has a thickness of 0.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 , or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.

また、絶縁体524が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体522は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)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)ことが好ましい。   In the case where the insulator 524 has an excess oxygen region, the insulator 522 preferably has a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, oxygen atoms and oxygen molecules) (the oxygen is difficult to transmit).

絶縁体522が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物530が有する酸素は、絶縁体520側へ拡散することがなく、好ましい。   The insulator 522 has a function of suppressing diffusion of oxygen and impurities, so that the oxygen included in the oxide 530 does not diffuse to the insulator 520 side and is preferable.

絶縁体522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、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 For example, the insulator 522 is so-called high 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 including a -k material in a single layer or a stacked layer. As transistor miniaturization and higher integration progress, problems such as leakage current may occur due to a thinner gate insulating film. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulating film, the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness.

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およ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。アルミニウムおよ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絶縁体522を形成した場合、絶縁体522は、酸化物530からの酸素の放出や、トランジスタ500の周辺部から酸化物530への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。   In particular, an insulator including one or both of oxides of aluminum and hafnium, which is an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the oxygen hardly transmits), may be used. As the insulator containing one or both of aluminum and hafnium, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used. In the case where the insulator 522 is formed using such a material, the insulator 522 suppresses release of oxygen from the oxide 530 and entry of impurities such as hydrogen from the periphery of the transistor 500 to the oxide 530. Acts as a layer.

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よい。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. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、絶縁体520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材料の絶縁体と絶縁体520とを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。   In addition, the insulator 520 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having a high thermal stability and a high dielectric constant can be obtained by combining an insulator of a high-k material and the insulator 520. Can do.

なお、絶縁体520、絶縁体522、および絶縁体524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。   Note that the insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, it is not limited to the laminated structure which consists of the same material, The laminated structure which consists of a different material may be sufficient.

トランジスタ500は、チャネル形成領域を含む酸化物530に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物530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、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530として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。   In the transistor 500, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor is preferably used for the oxide 530 including a channel formation region. For example, the oxide 530 includes an In-M-Zn oxide (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium) It is preferable to use a metal oxide such as one or a plurality selected from hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. Further, as the oxide 530, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

酸化物530においてチャネル形成領域にとして機能する金属酸化物は、バンドギャップが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、バンドギャップの大き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。   A metal oxide functioning as a channel formation region in the oxide 530 preferably has a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. In this manner, off-state current of a transistor can be reduced by using a metal oxide having a large band gap.

酸化物530は、酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。   When the oxide 530 includes the oxide 530a below the oxide 530b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, by including the oxide 530c over the oxide 530b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed.

なお、酸化物530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530a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530b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530a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530b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530b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530a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530cは、酸化物530aまたは酸化物530b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。   Note that the oxide 530 preferably has a stacked structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic ratio of the element M in the constituent element is larger than the atomic ratio of the element M in the constituent element in the metal oxide used for the oxide 530b. It is preferable. In the metal oxide used for the oxide 530a, 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 530b. In the metal oxide used for the oxide 530b, 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 530a. For the oxide 530c, a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.

また、酸化物530aおよび酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物530b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530aおよび酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。   The energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c is preferably higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530b. In other words, the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 530b.

ここで、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部において、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、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、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530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530c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, at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that the energy level at the lower end of the conduction band in the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c is continuously changed or continuously joined. In order to achieve this, the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c is preferably low.

具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物530c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530bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物530aおよび酸化物530c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 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) in addition to oxygen, so that a mixed layer with a low density of defect states is formed. be able to. For example, in the case where the oxide 530b is an In—Ga—Zn oxide, an In—Ga—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, a gallium oxide, or the like may be used as the oxide 530a and the oxide 530c.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物530bとなる。酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530c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。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ500は高いオン電流を得られる。   At this time, the main path of carriers is the oxide 530b. When the oxide 530a and the oxide 530c have the above structure, the density of defect states at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be reduced. Therefore, the influence on carrier conduction due to interface scattering is reduced, and the transistor 500 can obtain a high on-state current.

酸化物530b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体542(導電体542a、および導電体542b)が設けられる。導電体542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、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。   Over the oxide 530b, a conductor 542 (a conductor 542a and a conductor 542b) functioning as a source electrode and a drain electrode is provided. As the conductor 542, aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, It is preferable to use a metal element selected from lanthanum, an alloy containing the above metal element as a component, or an alloy combining the above metal elements. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, or the like is used. It is preferable. Also, tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, and oxide containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. A conductive material or a material that maintains conductivity even when oxygen is absorbed is preferable.

また、図11(A)に示すように、酸化物530の、導電体542との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域543(領域543a、および領域543b)が形成される場合がある。このとき、領域543aはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域543bはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域543aと領域543bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。   In addition, as illustrated in FIG. 11A, a region 543 (a region 543a and a region 543b) may be formed as a low resistance region at and near the interface between the oxide 530 and the conductor 542. is there. At this time, the region 543a functions as one of a source region and a drain region, and the region 543b functions as the other of the source region and the drain region. In addition, a channel formation region is formed in a region between the region 543a and the region 543b.

酸化物530と接するように上記導電体542を設けることで、領域543の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域543に導電体542に含まれる金属と、酸化物530の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域543のキャリア密度が増加し、領域543は、低抵抗領域となる。   When the conductor 542 is provided so as to be in contact with the oxide 530, the oxygen concentration in the region 543 may be reduced in some cases. In addition, a metal compound layer including the metal contained in the conductor 542 and the component of the oxide 530 may be formed in the region 543 in some cases. In such a case, the carrier density in the region 543 increases, and the region 543 becomes a low resistance region.

絶縁体544は、導電体542を覆うように設けられ、導電体542の酸化を抑制する。このとき、絶縁体544は、酸化物530の側面を覆い、絶縁体524と接するように設けられてもよい。   The insulator 544 is provided so as to cover the conductor 542 and suppresses oxidation of the conductor 542. At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover a side surface of the oxide 530 and to be in contact with the insulator 524.

絶縁体544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。   As the insulator 544, a metal oxide containing one or more kinds selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, and the like is used. it can.

特に、絶縁体544として、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。なお、導電体542が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体544は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。   In particular, the insulator 544 is preferably formed using aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than a hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in a heat history in a later process. Note that the insulator 544 is not an essential component in the case where the conductor 542 is a material having oxidation resistance or the conductivity is not significantly lowered even when oxygen is absorbed. What is necessary is just to design suitably according to the transistor characteristic to request | require.

絶縁体550は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、酸化物530cの内側(上面および側面)接して配置することが好ましい。絶縁体550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 550 functions as a gate insulating film. The insulator 550 is preferably provided in contact with the inside (upper surface and side surfaces) of the oxide 530c. The insulator 550 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. For example, in the temperature programmed desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis), the amount of desorbed oxygen converted to oxygen molecules is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19. An oxide film having 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 during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or more and 700 ° C. or less.

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 voids Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable against heat.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体550として、酸化物530cの上面に接して設けることにより、絶縁体550から、酸化物530cを通じて、酸化物530bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体524と同様に、絶縁体550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550の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。   An insulator from which oxygen is released by heating is provided as the insulator 550 so as to be in contact with the top surface of the oxide 530c, so that oxygen can be effectively supplied from the insulator 550 to the channel formation region of the oxide 530b through the oxide 530c. Can be supplied. Further, similarly to the insulator 524, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is preferably reduced. The thickness of the insulator 550 is preferably greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 20 nm.

また、絶縁体550が有する過剰酸素を、効率的に酸化物530へ供給するために、絶縁体550と導電体560との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体550から導電体560への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金属酸化物を設けることで、絶縁体550から導電体560への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530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560の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体544に用いることができる材料を用いればよい。   Further, a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560 in order to efficiently supply excess oxygen included in the insulator 550 to the oxide 530. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 550 to the conductor 560. By providing the metal oxide that suppresses diffusion of oxygen, diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. Further, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed. As the metal oxide, a material that can be used for the insulator 544 may be used.

ゲート電極として機能する導電体560は、図11(A)、(B)では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。   The conductor 560 functioning as a gate electrode is illustrated as a two-layer structure in FIGS. 11A and 11B, but may have a single-layer structure or a stacked structure including three or more layers.

導電体560a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。導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体550に含まれる酸素により、導電体560bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。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。 The conductor 560a has a function of suppressing diffusion of impurities such as a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitric oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2, and the like) and a copper atom. It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (for example, oxygen atoms and oxygen molecules). When the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the conductivity of the conductor 560b can be suppressed from being oxidized by oxygen contained in the insulator 550 and thus reduced. For example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide is preferably used as the conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion.

また、導電体560b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560bは、配線としても機能するため、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560bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。   The conductor 560b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. The conductor 560b also functions as a wiring, and thus a conductor having high conductivity is preferably used. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 560b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.

絶縁体580は、絶縁体544を介して、導電体542上に設けられる。絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体580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、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。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。   The insulator 580 is provided over the conductor 542 with the insulator 544 provided therebetween. The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. For example, as the insulator 580, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and silicon oxide having a hole Or a resin or the like. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having holes are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.

絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体580を、酸化物530cと接して設けることで、絶縁体580中の酸素を、酸化物530cを通じて、酸化物530へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体580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。   The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. By providing the insulator 580 from which oxygen is released by heating in contact with the oxide 530c, oxygen in the insulator 580 can be efficiently supplied to the oxide 530 through the oxide 530c. Note that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 580 is preferably reduced.

絶縁体580の開口は、導電体542aと導電体542bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。   The opening of the insulator 580 is formed so as to overlap with a region between the conductors 542a and 542b. Thus, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductors 542a and 542b.

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体560の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体560の膜厚を大きくすると、導電体560はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体560を絶縁体580の開口に埋め込むように設けるため、導電体560をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体560を倒壊させることなく、形成することができる。   In miniaturization of a semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 560 from decreasing. Therefore, when the thickness of the conductor 560 is increased, the conductor 560 can have a shape with a high aspect ratio. In this embodiment mode, since the conductor 560 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 580, the conductor 560 can be formed without collapsing during the process even when the conductor 560 has a high aspect ratio. Can do.

絶縁体574は、絶縁体580の上面、導電体560の上面、および絶縁体550の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体574をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体550および絶縁体580へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物530中に酸素を供給することができる。   The insulator 574 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 580, the upper surface of the conductor 560, and the upper surface of the insulator 550. By depositing the insulator 574 by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided in the insulator 550 and the insulator 580. Accordingly, oxygen can be supplied into the oxide 530 from the excess oxygen region.

例えば、絶縁体574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。   For example, as the insulator 574, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like is used. Can do.

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。   In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film of 0.5 nm to 3.0 nm. Therefore, aluminum oxide formed by a sputtering method can serve as an oxygen supply source and function as a barrier film for impurities such as hydrogen.

また、絶縁体574の上に、層間膜として機能する絶縁体581を設けることが好ましい。絶縁体581は、絶縁体524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。   In addition, an insulator 581 functioning as an interlayer film is preferably provided over the insulator 574. As in the case of the insulator 524 and the like, the insulator 581 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.

また、絶縁体581、絶縁体574、絶縁体580、および絶縁体544に形成された開口に、導電体540aおよび導電体540bを配置する。導電体540aおよび導電体540bは、導電体560を挟んで対向して設ける。導電体540aおよび導電体540bは、後述する導電体546および導電体548と同様の構成である。   The conductors 540a and 540b are provided in openings formed in the insulator 581, the insulator 574, the insulator 580, and the insulator 544. The conductors 540a and 540b are provided to face each other with the conductor 560 interposed therebetween. The conductor 540a and the conductor 540b have the same structure as a conductor 546 and a conductor 548 described later.

絶縁体581上には、絶縁体582が設けられている。絶縁体582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。したがって、絶縁体582には、絶縁体514と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体582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 582 is provided over the insulator 581. The insulator 582 is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. Therefore, the insulator 582 can be formed using a material similar to that of the insulator 514. For example, the insulator 582 is preferably formed using a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide.

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500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500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500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 that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.

また、絶縁体582上には、絶縁体586が設けられている。絶縁体586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586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。   An insulator 586 is provided over the insulator 582. The insulator 586 can be formed using a material similar to that of the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant for the insulating film as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 586, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

また、絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、絶縁体544、絶縁体580、絶縁体574、絶縁体581、絶縁体582、および絶縁体586には、導電体546、および導電体548等が埋め込まれている。   The insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 581, the insulator 582, and the insulator 586 include the conductor 546, the conductor 548, and the like. Is embedded.

導電体546、および導電体548は、容量素子600、トランジスタ500、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体546、および導電体548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 546 and the conductor 548 function as plugs or wirings connected to the capacitor 600, the transistor 500, or the transistor 300. The conductor 546 and the conductor 548 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500の上方には、容量素子600が設けられている。容量素子600は、導電体610と、導電体620、絶縁体630とを有する。   Subsequently, a capacitor 600 is provided above the transistor 500. The capacitor 600 includes a conductor 610, a conductor 620, and an insulator 630.

また、導電体546、および導電体548上に、導電体612を設けてもよい。導電体612は、トランジスタ500と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体610は、容量素子600の電極としての機能を有する。なお、導電体612、および導電体610は、同時に形成することができる。   The conductor 612 may be provided over the conductor 546 and the conductor 548. The conductor 612 functions as a plug connected to the transistor 500 or a wiring. The conductor 610 functions as an electrode of the capacitor 600. Note that the conductor 612 and the conductor 610 can be formed at the same time.

導電体612、および導電体610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(窒化タンタル膜、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。または、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。   The conductor 612 and the conductor 610 include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing any of the above elements as a component (Tantalum nitride film, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Or 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 oxide added It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.

図10では、導電体612、および導電体610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。   In FIGS. 10A and 10B, the conductor 612 and the conductor 610 have single-layer structures; however, the structure is not limited thereto, and a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a conductor having a high barrier property and a conductor having a high barrier property may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

絶縁体630を介して、導電体610と重畳するように、導電体620を設ける。なお、導電体620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。   A conductor 620 is provided so as to overlap with the conductor 610 with the insulator 630 interposed therebetween. Note that the conductor 620 can be formed using a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has 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), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.

導電体620、および絶縁体630上には、絶縁体650が設けられている。絶縁体650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650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 650 is provided over the conductor 620 and the insulator 630. The insulator 650 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. The insulator 650 may function as a planarization film that covers the concave and convex shapes below the insulator 650.

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ともに、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。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。   By using this structure, in a semiconductor device including 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-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, miniaturization or high integration can be achieved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor.

<トランジスタの構造例>
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ500は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ500に用いることができる構造例について説明する。
<Example of transistor structure>
Note that the transistor 500 of the semiconductor device described in this embodiment is not limited to the above structure. Hereinafter, structural examples that can be used for the transistor 500 will be described.

<トランジスタの構造例1>
図12(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図12(A)はトランジスタ510Aの上面図である。図12(B)は、図12(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図12(C)は、図12(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図12(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Structure Example 1 of Transistor>
A structural example of the transistor 510A will be described with reference to FIGS. 12A, 12B, and 12C. FIG. 12A is a top view of the transistor 510A. FIG. 12B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 12C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 12A, some elements are omitted for clarity.

図12(A)、(B)および(C)では、トランジスタ510Aと、層間膜として機能する絶縁体511、絶縁体512、絶縁体514、絶縁体516、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584を示している。また、トランジスタ510Aと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体546(導電体546a、および導電体546b)を示している。   12A, 12B, and 12C, the transistor 510A, the insulator 511 functioning as an interlayer film, the insulator 512, the insulator 514, the insulator 516, the insulator 580, the insulator 582, and the insulator A body 584 is shown. In addition, a conductor 546 (a conductor 546a and a conductor 546b) that is electrically connected to the transistor 510A and functions as a contact plug is illustrated.

トランジスタ510Aは、ゲート電極として機能する導電体560(導電体560a、および導電体560b)と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体550と、チャネルが形成される領域を有する酸化物530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体542aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体542bと、絶縁体574とを有する。   The transistor 510A includes a conductor 560 functioning as a gate electrode (conductors 560a and 560b), an insulator 550 functioning as a gate insulating film, and an oxide 530 (oxide 530a) having a region where a channel is formed. , An oxide 530b, and an oxide 530c), a conductor 542a functioning as one of a source and a drain, a conductor 542b functioning as the other of a source and a drain, and an insulator 574.

また、図12に示すトランジスタ510Aでは、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560が、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して配置される。また、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560は、導電体542a、および導電体542bとの間に配置される。   In the transistor 510A illustrated in FIG. 12, the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are provided in an opening provided in the insulator 580 with an insulator 574 interposed therebetween. The oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are disposed between the conductor 542a and the conductor 542b.

絶縁体511、および絶縁体512は、層間膜として機能する。   The insulator 511 and the insulator 512 function as an interlayer film.

層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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よい。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。 As the interlayer film, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) An insulator such as TiO 3 (BST) can be used in a single layer or a stacked layer. 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. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

例えば、絶縁体511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510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体511は、水素原子、水素分子、水分子、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。また、例えば、絶縁体511として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体511よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。   For example, the insulator 511 preferably functions as a barrier film which prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. Therefore, the insulator 511 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, and a copper atom (the impurity is difficult to transmit). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (for example, oxygen atoms and oxygen molecules) (the oxygen is difficult to transmit). For example, aluminum oxide, silicon nitride, or the like may be used as the insulator 511. With this structure, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the substrate side to the transistor 510A side than the insulator 511 can be suppressed.

例えば、絶縁体512は、絶縁体511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。   For example, the insulator 512 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 511. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

トランジスタ510Aにおいて、導電体560は、ゲート電極として機能する場合がある。   In the transistor 510A, the conductor 560 may function as a gate electrode.

絶縁体514、および絶縁体516は、絶縁体511または絶縁体512と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体514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510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体514よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体516は、絶縁体514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 514 and the insulator 516 function as interlayer films similarly to the insulator 511 or the insulator 512. For example, the insulator 514 preferably functions as a barrier film which prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. With this structure, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the substrate side to the transistor 510A side than the insulator 514 can be suppressed. For example, the insulator 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 514. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

また、絶縁体522は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体522がバリア性を有することで、トランジスタ510Aの周辺部からトランジスタ510Aへの水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。   The insulator 522 preferably has a barrier property. Since the insulator 522 has a barrier property, the insulator 522 functions as a layer that suppresses entry of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 510A to the transistor 510A.

絶縁体522は、例えば、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)、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、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 522 includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, aluminum and an oxide containing hafnium (hafnium aluminate), tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or ( An insulator including a so-called high-k material such as Ba, Sr) TiO 3 (BST) is preferably used in a single layer or a stacked layer. As transistor miniaturization and higher integration progress, problems such as leakage current may occur due to a thinner gate insulating film. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulating film, the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness.

例えば、絶縁体521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材料の絶縁体と絶縁体522とを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。   For example, the insulator 521 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having a high thermal stability and a high relative dielectric constant can be obtained by combining an insulator of a high-k material and an insulator 522. Can do.

チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物530は、酸化物530aと、酸化物530a上の酸化物530bと、酸化物530b上の酸化物530cと、を有する。酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物530として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。   The oxide 530 having a region functioning as a channel formation region includes an oxide 530a, an oxide 530b over the oxide 530a, and an oxide 530c over the oxide 530b. By including the oxide 530a below the oxide 530b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, by including the oxide 530c over the oxide 530b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed. As the oxide 530, an oxide semiconductor which is a kind of the metal oxide described above can be used.

なお、酸化物530cは、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して設けられることが好ましい。絶縁体574がバリア性を有する場合、絶縁体580からの不純物が酸化物530へと拡散することを抑制することができる。   Note that the oxide 530c is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 with the insulator 574 interposed therebetween. In the case where the insulator 574 has barrier properties, diffusion of impurities from the insulator 580 into the oxide 530 can be suppressed.

導電体542は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。   One of the conductors 542 functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.

導電体542aと、導電体542bとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。   For the conductor 542a and the conductor 542b, a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the metal as a main component can be used. . In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.

また、図12では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。   Further, although a single layer structure is shown in FIG. 12, a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride film and a tungsten film are preferably stacked. Further, a titanium film and an aluminum film may be stacked. Also, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, and a tungsten film A two-layer structure in which copper films are stacked may be used.

また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。   In addition, a titanium film or a titanium nitride film and a three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is laminated on the titanium film or the titanium nitride film, and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or There is a three-layer structure in which a molybdenum nitride film and an aluminum film or a copper film are stacked over the molybdenum film or the molybdenum nitride film and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

また、導電体542上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体574を成膜する際に、導電体542が酸化することを抑制することができる。   Further, a barrier layer may be provided over the conductor 542. The barrier layer is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. With this structure, the conductor 542 can be prevented from being oxidized when the insulator 574 is formed.

バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。   For the barrier layer, for example, a metal oxide can be used. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide, is preferably used. Alternatively, silicon nitride formed by a CVD method may be used.

バリア層を有することで、導電体542の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体542に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。   By having the barrier layer, the material selection range of the conductor 542 can be widened. For example, the conductor 542 can be formed using a material that has low oxidation resistance but high conductivity, such as tungsten or aluminum. For example, a conductor that can be easily formed or processed can be used.

絶縁体550は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、絶縁体580に設けられた開口部内に、酸化物530c、および絶縁体574を介して設けられることが好ましい。   The insulator 550 functions as a gate insulating film. The insulator 550 is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 with the oxide 530c and the insulator 574 interposed therebetween.

トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体550は、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、high−k材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、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。   As transistor miniaturization and higher integration progress, problems such as leakage current may occur due to a thinner gate insulating film. In that case, the insulator 550 may have a stacked structure. The insulator that functions as a gate insulating film has a stacked structure of a high-k material and a thermally stable material, so that the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness. It becomes. In addition, it is possible to obtain a laminated structure that is thermally stable and has a high relative dielectric constant.

ゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、水素原子、水素分子、水分子、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。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。   The conductor 560 functioning as a gate electrode includes a conductor 560a and a conductor 560b over the conductor 560a. For the conductor 560a, a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms is preferably used. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (for example, oxygen atoms and oxygen molecules). Note that in this specification, the function of suppressing diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing diffusion of any one or all of the impurities and oxygen.

導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。   When the conductor 560a has a function of suppressing diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by including the conductor 560a, oxidation of the conductor 560b can be suppressed and reduction in conductivity can be prevented.

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。また、導電体560aとして、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体560bをスパッタリング法で成膜することで、導電体560aの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。   As a conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide is preferably used. As the conductor 560a, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used. In that case, by forming the conductor 560b by a sputtering method, the electrical resistance value of the conductor 560a can be reduced to obtain a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

導電体560b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560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560bは積層構造としてもよく、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 560b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. In addition, since the conductor 560 functions as a wiring, a conductor having high conductivity is preferably used. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 560b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.

絶縁体580と、トランジスタ510Aとの間に絶縁体574を配置する。絶縁体574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散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。また、他にも、例えば、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ることができる。   An insulator 574 is provided between the insulator 580 and the transistor 510A. As the insulator 574, an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen is preferably used. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. In addition, for example, a metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.

絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物が酸化物530c、絶縁体550を介して、酸化物530bに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体580が有する過剰酸素により、導電体560が酸化するのを抑制することができる。   By including the insulator 574, it is possible to suppress diffusion of water and impurities such as hydrogen included in the insulator 580 into the oxide 530b through the oxide 530c and the insulator 550. Further, the conductor 560 can be prevented from being oxidized by excess oxygen which the insulator 580 has.

絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584は、層間膜として機能する。   The insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584 function as an interlayer film.

絶縁体582は、絶縁体514と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。   The insulator 582 preferably functions as a barrier insulating film which prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the outside, like the insulator 514.

また、絶縁体580、および絶縁体584は、絶縁体516と同様に、絶縁体582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 580 and the insulator 584 preferably have a dielectric constant lower than that of the insulator 582 as in the case of the insulator 516. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.

また、トランジスタ510Aは、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584に埋め込まれた導電体546などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。   The transistor 510A may be electrically connected to another structure through a plug or a wiring such as the insulator 580, the insulator 582, and the conductor 546 embedded in the insulator 584.

また、導電体546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。例えば、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 the conductor 546, a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material can be used as a single layer or a stacked layer. For example, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Alternatively, it is preferably formed using a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low-resistance conductive material.

例えば、導電体546としては、例えば、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。   For example, as the conductor 546, for example, by using a stacked structure of tantalum nitride which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen and tungsten having high conductivity, conductivity as a wiring is increased. While being held, diffusion of impurities from outside can be suppressed.

上記構造を有することで、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。   With the above structure, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.

<トランジスタの構造例2>
図13(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図13(A)はトランジスタ510Bの上面図である。図13(B)は、図13(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図13(C)は、図13(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図13(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。
<Structural Example 2 of Transistor>
A structural example of the transistor 510B will be described with reference to FIGS. 13A, 13B, and 13C. FIG. 13A is a top view of the transistor 510B. FIG. 13B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 13C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 13A, some elements are omitted for clarity.

トランジスタ510Bはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。   The transistor 510B is a modification of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent repetition of description, points different from the transistor 510A are mainly described.

トランジスタ510Bは、導電体542(導電体542a、および導電体542b)と、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。   The transistor 510B includes a region where the conductor 542 (the conductor 542a and the conductor 542b) overlaps with the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560. With such a structure, a transistor with high on-state current can be provided. In addition, a transistor with high controllability can be provided.

ゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、水素原子、水素分子、水分子、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。   The conductor 560 functioning as a gate electrode includes a conductor 560a and a conductor 560b over the conductor 560a. For the conductor 560a, a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms is preferably used. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of at least one of oxygen (for example, oxygen atoms and oxygen molecules).

導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。   When the conductor 560a has a function of suppressing diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by including the conductor 560a, oxidation of the conductor 560b can be suppressed and reduction in conductivity can be prevented.

また、導電体560の上面および側面、絶縁体550の側面、および酸化物530cの側面を覆うように、絶縁体574を設けることが好ましい。なお、絶縁体574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散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。また、他にも、例えば、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ることができる。   The insulator 574 is preferably provided so as to cover the top surface and the side surface of the conductor 560, the side surface of the insulator 550, and the side surface of the oxide 530c. Note that the insulator 574 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. In addition, for example, a metal oxide such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.

絶縁体574を設けることで、導電体560の酸化を抑制することができる。また、絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ510Bへ拡散することを抑制することができる。   By providing the insulator 574, oxidation of the conductor 560 can be suppressed. Further, with the insulator 574, diffusion of water and impurities such as hydrogen included in the insulator 580 into the transistor 510B can be suppressed.

また、導電体546と、絶縁体580との間に、バリア性を有する絶縁体576(絶縁体576a、および絶縁体576b)を配置してもよい。絶縁体576を設けることで、絶縁体580の酸素が導電体546と反応し、導電体546が酸化することを抑制することができる。   Further, an insulator 576 having a barrier property (the insulator 576a and the insulator 576b) may be provided between the conductor 546 and the insulator 580. By providing the insulator 576, it is possible to suppress the oxygen of the insulator 580 from reacting with the conductor 546 and oxidizing the conductor 546.

また、バリア性を有する絶縁体576を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体546に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。   In addition, by providing the insulator 576 having a barrier property, the selection range of a material for a conductor used for a plug or a wiring can be widened. For example, a low power consumption semiconductor device can be provided by using a metal material that absorbs oxygen and has high conductivity for the conductor 546. Specifically, a material having high conductivity while having low oxidation resistance such as tungsten or aluminum can be used. For example, a conductor that can be easily formed or processed can be used.

<トランジスタの構造例3>
図14(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図14(A)はトランジスタ510Cの上面図である。図14(B)は、図14(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図14(C)は、図14(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図14(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。
<Structure Example 3 of Transistor>
An example of a structure of the transistor 510C is described with reference to FIGS. 14A, 14B, and 14C. FIG. 14A is a top view of the transistor 510C. FIG. 14B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 14C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 14A, some elements are omitted for clarity.

トランジスタ510Cはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。   The transistor 510C is a modification of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent repetition of description, points different from the transistor 510A are mainly described.

図14に示すトランジスタ510Cは、導電体542aと酸化物530bの間に導電体547aが配置され、導電体542bと酸化物530bの間に導電体547bが配置されている。ここで、導電体542a(導電体542b)は、導電体547a(導電体547b)の上面および導電体560側の側面を越えて延在し、酸化物530bの上面に接する領域を有する。ここで、導電体547は、導電体542に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体547の膜厚は、少なくとも導電体542より厚いことが好ましい。   In the transistor 510C illustrated in FIG. 14, the conductor 547a is disposed between the conductor 542a and the oxide 530b, and the conductor 547b is disposed between the conductor 542b and the oxide 530b. Here, the conductor 542a (conductor 542b) extends beyond the upper surface of the conductor 547a (conductor 547b) and the side surface on the conductor 560 side, and has a region in contact with the upper surface of the oxide 530b. Here, as the conductor 547, a conductor that can be used for the conductor 542 may be used. Further, the thickness of the conductor 547 is preferably greater than that of the conductor 542 at least.

図14に示すトランジスタ510Cは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ510Aよりも、導電体542を導電体560に近づけることができる。または、導電体542aの端部および導電体542bの端部と、導電体560を重ねることができる。これにより、トランジスタ510Cの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。   The transistor 510C illustrated in FIG. 14 has the above structure, whereby the conductor 542 can be closer to the conductor 560 than the transistor 510A. Alternatively, the conductor 560 can overlap the end portion of the conductor 542a and the end portion of the conductor 542b. Thus, the substantial channel length of the transistor 510C can be shortened, and the on-state current and frequency characteristics can be improved.

また、導電体547a(導電体547b)は、導電体542a(導電体542b)と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体546a(導電体546b)を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体547a(導電体547b)がストッパとして機能し、酸化物530bがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。   The conductor 547a (conductor 547b) is preferably provided so as to overlap with the conductor 542a (conductor 542b). With such a structure, in etching for forming an opening in which the conductor 546a (conductor 546b) is embedded, the conductor 547a (conductor 547b) functions as a stopper, and the oxide 530b is over-etched. Can be prevented.

また、図14に示すトランジスタ510Cは、絶縁体544の上に接して絶縁体545を配置する構成にしてもよい。絶縁体544としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体580側からトランジスタ510Cに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体545としては、絶縁体544に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体544としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。   Further, the transistor 510C illustrated in FIG. 14 may have a structure in which the insulator 545 is provided in contact with the insulator 544. The insulator 544 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of impurities such as water or hydrogen and excess oxygen into the transistor 510C from the insulator 580 side. As the insulator 545, an insulator that can be used for the insulator 544 can be used. As the insulator 544, for example, a nitride insulator such as aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride oxide may be used.

<トランジスタの構造例4>
図15(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図15(A)はトランジスタ510Dの上面図である。図15(B)は、図15(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図15(C)は、図15(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図15(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。
<Structural Example 4 of Transistor>
A structural example of the transistor 510D will be described with reference to FIGS. 15A, 15B, and 15C. FIG. 15A is a top view of the transistor 510D. FIG. 15B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 15C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 15A, some elements are omitted for clarity.

トランジスタ510Dは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。   A transistor 510D is a modification of the transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, differences from the above transistor will be mainly described.

図15(A)乃至(C)では、酸化物530c上に絶縁体550を有し、絶縁体550上に金属酸化物552を有する。また、金属酸化物552上に導電体560を有し、導電体560上に絶縁体570を有する。また、絶縁体570上に絶縁体571を有する。   15A to 15C, the insulator 550 is provided over the oxide 530c, and the metal oxide 552 is provided over the insulator 550. In addition, the conductor 560 is provided over the metal oxide 552 and the insulator 570 is provided over the conductor 560. In addition, the insulator 571 is provided over the insulator 570.

金属酸化物552は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体550と、導電体560との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物552を設けることで、導電体560への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。   The metal oxide 552 preferably has a function of suppressing oxygen diffusion. By providing the metal oxide 552 that suppresses diffusion of oxygen between the insulator 550 and the conductor 560, diffusion of oxygen into the conductor 560 is suppressed. That is, a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. Further, oxidation of the conductor 560 due to oxygen can be suppressed.

なお、金属酸化物552は、ゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物552として用いることができる。その場合、導電体560をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物552の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。   Note that the metal oxide 552 may function as part of the gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the metal oxide 552. In that case, by forming the conductor 560 by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide 552 can be reduced to form a conductive layer. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

また、金属酸化物552は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体550に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物552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。当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。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。   The metal oxide 552 may function as a part of the gate insulating film. Therefore, in the case where silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulator 550, the metal oxide 552 is preferably a metal oxide that is a high-k material with a high relative dielectric constant. By setting it as the said laminated structure, it can be set as the laminated structure stable with respect to a heat | fever, and a high dielectric constant. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness. Further, the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulating layer functioning as the gate insulating film can be reduced.

トランジスタ510Dにおいて、金属酸化物552を単層で示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。   In the transistor 510D, the metal oxide 552 is illustrated as a single layer; however, a stacked structure including two or more layers may be employed. For example, a metal oxide that functions as part of the gate electrode and a metal oxide that functions as part of the gate insulating film may be stacked.

金属酸化物552を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体560からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ510Dのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体550と、金属酸化物552との物理的な厚みにより、導電体560と、酸化物530との間の距離を保つことで、導電体560と酸化物530との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体550、および金属酸化物552との積層構造を設けることで、導電体560と酸化物530との間の物理的な距離、および導電体560から酸化物530へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。   In the case where the metal oxide 552 serves as the gate electrode, the on-state current of the transistor 510D can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 560. Alternatively, in the case of functioning as a gate insulating film, the distance between the conductor 560 and the oxide 530 is maintained by the physical thickness of the insulator 550 and the metal oxide 552, so that the conductor 560 Leakage current with the oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing a stacked structure of the insulator 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductor 560 and the oxide 530 and the electric field strength applied from the conductor 560 to the oxide 530 can be reduced. It can be easily adjusted as appropriate.

具体的には、金属酸化物552として、酸化物530に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物552として用いることができる。または、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, the metal oxide 552 can be used as the metal oxide 552 by reducing the resistance of an oxide semiconductor that can be used for the oxide 530. Alternatively, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, and the like 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層である、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。なお、金属酸化物552は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。   In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulating layer containing one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than a hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in a heat history in a later process. Note that the metal oxide 552 is not an essential component. What is necessary is just to design suitably according to the transistor characteristic to request | require.

絶縁体570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570よりも上方からの酸素で導電体560が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体570よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体560および絶縁体550を介して、酸化物530に混入することを抑制することができる。   The insulator 570 may be formed using 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. Thus, oxidation of the conductor 560 with oxygen from above the insulator 570 can be suppressed. In addition, impurities such as water or hydrogen from above the insulator 570 can be prevented from entering the oxide 530 through the conductor 560 and the insulator 550.

絶縁体571はハードマスクとして機能する。絶縁体571を設けることで、導電体560の加工の際、導電体560の側面が概略垂直、具体的には、導電体560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度以下とすることができる。   The insulator 571 functions as a hard mask. By providing the insulator 571, when the conductor 560 is processed, the side surface of the conductor 560 is substantially vertical. Specifically, the angle formed between the side surface of the conductor 560 and the substrate surface is 75 ° to 100 °, Preferably, it can be set to 80 degrees or more and 95 degrees or less.

なお、絶縁体571に、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ことで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体570は設けなくともよい。   Note that the insulator 571 may also have a function as a barrier layer by using an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. In that case, the insulator 570 is not necessarily provided.

絶縁体571をハードマスクとして用いて、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、および酸化物530cの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物530b表面の一部を露出させることができる。   By using the insulator 571 as a hard mask, a part of the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and the oxide 530c is selectively removed, so that these side surfaces are substantially matched. In addition, a part of the surface of the oxide 530b can be exposed.

また、トランジスタ510Dは、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。   In addition, the transistor 510D includes a region 531a and a region 531b in part of the exposed oxide 530b surface. One of the region 531a and the region 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region.

領域531aおよび領域531bの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物530b表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。   The formation of the region 531a and the region 531b is performed by introducing an impurity element such as phosphorus or boron into the exposed oxide 530b surface by using, for example, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, or a plasma treatment. This can be achieved. Note that the “impurity element” in this embodiment and the like refers to an element other than the main component elements.

また、酸化物530b表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物530bに拡散させて領域531aおよび領域531bを形成することもできる。   In addition, a metal film is formed after part of the surface of the oxide 530b is exposed, and then heat treatment is performed, whereby elements contained in the metal film are diffused into the oxide 530b, so that the regions 531a and 531b are formed. You can also

酸化物530bの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域531aおよび領域531bを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。   In the region where the impurity element of the oxide 530b is introduced, the electrical resistivity decreases. Therefore, the region 531a and the region 531b may be referred to as “impurity region” or “low resistance region”.

絶縁体571および/または導電体560をマスクとして用いることで、領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することができる。よって、領域531aおよび/または領域531bと、導電体560が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域(領域531aまたは領域531b)の間にオフセット領域が形成されない。領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。   By using the insulator 571 and / or the conductor 560 as a mask, the region 531a and the region 531b can be formed in a self-alignment manner. Thus, the region 531a and / or the region 531b and the conductor 560 do not overlap with each other, and parasitic capacitance can be reduced. Further, no offset region is formed between the channel formation region and the source / drain region (the region 531a or the region 531b). By forming the region 531a and the region 531b in a self-aligned manner, an increase in on-state current, a reduction in threshold voltage, an improvement in operating frequency, and the like can be realized.

なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体575の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体575も絶縁体571などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物530bの絶縁体575と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。   Note that an offset region may be provided between the channel formation region and the source / drain region in order to further reduce the off-state current. The offset region is a region having a high electrical resistivity and is a region where the impurity element is not introduced. The offset region can be formed by introducing the impurity element described above after the insulator 575 is formed. In this case, the insulator 575 functions as a mask similarly to the insulator 571 and the like. Therefore, the impurity element is not introduced into the region overlapping with the insulator 575 of the oxide 530b, and the electrical resistivity of the region can be kept high.

また、トランジスタ510Dは、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、および酸化物530cの側面に絶縁体575を有する。絶縁体575は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。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、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、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体575に用いると、後の工程で絶縁体575中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、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好ましい。また、絶縁体575は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。   The transistor 510D includes the insulator 575 on the side surfaces of the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and the oxide 530c. The insulator 575 is preferably an insulator having a low relative dielectric constant. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having voids, or resin Preferably there is. In particular, it is preferable to use silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having a hole for the insulator 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 575 in a later step. Silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. The insulator 575 preferably has a function of diffusing oxygen.

また、トランジスタ510Dは、絶縁体575、酸化物530上に絶縁体574を有する。絶縁体574は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体574として、酸化アルミニウムを用いるとよい。   In addition, the transistor 510D includes the insulator 574 over the insulator 575 and the oxide 530. The insulator 574 is preferably formed by a sputtering method. By using a sputtering method, an insulator with few impurities such as water or hydrogen can be formed. For example, aluminum oxide may be used as the insulator 574.

なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体574が酸化物530および絶縁体575から水素および水を吸収することで、酸化物530および絶縁体575の水素濃度を低減することができる。   Note that an oxide film formed by a sputtering method may extract hydrogen from a deposition target structure. Therefore, the insulator 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 530 and the insulator 575, whereby the hydrogen concentration in the oxide 530 and the insulator 575 can be reduced.

<トランジスタの構造例5>
図16(A)乃至図16(C)を用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図16(A)はトランジスタ510Eの上面図である。図16(B)は、図16(A)に一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図16(C)は、図16(A)に一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、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。
<Structure Example 5 of Transistor>
A structural example of the transistor 510E will be described with reference to FIGS. FIG. 16A is a top view of the transistor 510E. FIG. 16B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line L1-L2 in FIG. FIG. 16C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line W1-W2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 16A, some elements are omitted for clarity.

トランジスタ510Eは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。   The transistor 510E is a modified example of the transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, differences from the above transistor will be mainly described.

図16(A)乃至図16(C)では、導電体542を設けずに、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物530bと、絶縁体574の間に、絶縁体573を有する。   16A to 16C, the conductor 542 is not provided and a region 531a and a region 531b are included in part of the exposed surface of the oxide 530b. One of the region 531a and the region 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region. An insulator 573 is provided between the oxide 530b and the insulator 574.

図16に示す、領域531(領域531a、および領域531b)は、酸化物530bに下記の元素が添加された領域である。領域531は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。   A region 531 (a region 531a and a region 531b) illustrated in FIG. 16 is a region where the following element is added to the oxide 530b. The region 531 can be formed by using, for example, a dummy gate.

具体的には、酸化物530b上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物530bを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物530が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域531が形成される。なお、当該元素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。   Specifically, a dummy gate may be provided over the oxide 530b, and the dummy gate may be used as a mask, and an element for reducing the resistance of the oxide 530b may be added. In other words, the element is added to a region where the oxide 530 does not overlap with the dummy gate, so that the region 531 is formed. In addition, as an addition method of the element, an ion implantation method in which an ionized source gas is added by mass separation, an ion doping method in which an ionized source gas is added without mass separation, a plasma immersion ion implantation method, or the like Can be used.

なお、酸化物530を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。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。当該元素の濃度は、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。   Note that typically, boron or phosphorus is given as an element for reducing the resistance of the oxide 530. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, rare gas, or the like may be used. Typical examples of the rare gas element include helium, neon, argon, krypton, and xenon. The concentration of the element may be measured using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like.

特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。   In particular, boron and phosphorus are preferable because an amorphous silicon or low-temperature polysilicon production line apparatus can be used. Existing equipment can be diverted, and capital investment can be suppressed.

続いて、酸化物530b、およびダミーゲート上に、絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体574となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体574となる絶縁膜を積層して設けることで、領域531と、酸化物530cおよび絶縁体550とが重畳する領域を設けることができる。   Subsequently, an insulating film to be the insulator 573 and an insulating film to be the insulator 574 may be formed over the oxide 530b and the dummy gate. By stacking the insulating film to be the insulator 573 and the insulating film to be the insulator 574, a region where the region 531 overlaps with the oxide 530c and the insulator 550 can be provided.

具体的には、絶縁体574となる絶縁膜上に絶縁体580となる絶縁膜を設けた後、絶縁体580となる絶縁膜にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、絶縁体580となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体573の一部も除去するとよい。従って、絶縁体580に設けられた開口部の側面には、絶縁体574、および絶縁体573が露出し、当該開口部の底面には、酸化物530bに設けられた領域531の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体580が露出するまでCMP処理などにより、酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜の一部を除去することで、図16に示すトランジスタを形成することができる。   Specifically, after an insulating film to be the insulator 580 is provided over the insulating film to be the insulator 574, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process is performed on the insulating film to be the insulator 580, whereby the insulator 580 and the insulator 580 are formed. A part of the insulating film is removed to expose the dummy gate. Subsequently, when the dummy gate is removed, part of the insulator 573 in contact with the dummy gate may be removed. Therefore, the insulator 574 and the insulator 573 are exposed on the side surface of the opening provided in the insulator 580, and a part of the region 531 provided in the oxide 530b is exposed on the bottom surface of the opening. To do. Next, after an oxide film to be the oxide 530c, an insulating film to be the insulator 550, and a conductive film to be the conductor 560 are sequentially formed in the opening, CMP treatment or the like is performed until the insulator 580 is exposed. The transistor illustrated in FIG. 16 can be formed by removing part of the oxide film to be the oxide 530c, the insulating film to be the insulator 550, and the conductive film to be the conductor 560.

なお、絶縁体573、および絶縁体574は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。   Note that the insulator 573 and the insulator 574 are not essential components. What is necessary is just to design suitably according to the transistor characteristic to request | require.

図16に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体542を設けないため、コストの低減を図ることができる。   In the transistor illustrated in FIGS. 16A and 16B, an existing device can be diverted and the conductor 542 is not provided, so that cost can be reduced.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   Note that this embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したOSトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a structure of a metal oxide that can be used for the OS transistor described in the above embodiment will be described.

<金属酸化物の構成>
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。
<Composition of metal oxide>
In the present specification and the like, there are cases where they are described as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material structure.

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、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(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 the CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and the whole material has a function as a semiconductor. Note that in the case where a CAC-OS or a CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers and the insulating function is a carrier. This function prevents electrons from flowing. By performing the conductive function and the insulating function in a complementary manner, a switching function (function to turn on / off) can be given to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, 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。   Further, the CAC-OS or the CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-described conductive function, and the insulating region has the above-described insulating function. In the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material, respectively. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

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

また、CAC−OS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形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。   Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide includes a component having a wide gap caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of the configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts in a complementary manner to the component having a wide gap, and the carrier flows through the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or the CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving capability, that is, high on-state current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC−OS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 referred to as a matrix composite or a 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>
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As the non-single-crystal oxide semiconductor, for example, a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), or a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-liquid oxide semiconductor) is used. OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.

トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。   As the oxide semiconductor used for the semiconductor of the transistor, a thin film with high crystallinity is preferably used. By using the thin film, the stability or reliability of the transistor can be improved. Examples of the thin film include a single crystal oxide semiconductor thin film and a polycrystalline oxide semiconductor thin film. However, in order to form a single crystal oxide semiconductor thin film or a polycrystalline oxide semiconductor thin film on a substrate, a high temperature or laser heating step is required. Therefore, the cost of the manufacturing process increases and the throughput also decreases.

2009年に、CAAC構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(CAAC−IGZOと呼ぶ)が発見されたことが、非特許文献2および非特許文献3で報告されている。ここでは、CAAC−IGZOは、c軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、CAAC−IGZOを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。   It was reported in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 that an In—Ga—Zn oxide having a CAAC structure (referred to as CAAC-IGZO) was discovered in 2009. Here, it has been reported that CAAC-IGZO can be formed on a substrate at a low temperature with c-axis orientation, crystal grain boundaries are not clearly confirmed. Furthermore, it has been reported that a transistor using CAAC-IGZO has excellent electrical characteristics and reliability.

また、2013年には、nc構造を有するIn−Ga−Zn酸化物(nc−IGZOと呼ぶ)が発見された(非特許文献4参照)。ここでは、nc−IGZOは、微小な領域(例えば、1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。   In 2013, an In—Ga—Zn oxide having an nc structure (referred to as nc-IGZO) was discovered (see Non-Patent Document 4). Here, it is reported that nc-IGZO has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 3 nm or less), and regularity is not observed in crystal orientation between different regions. Yes.

非特許文献5および非特許文献6では、上記のCAAC−IGZO、nc−IGZO、および結晶性の低いIGZOのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いIGZOの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、1nm程度の結晶性IGZOが観察されている。よって、ここでは、IGZOにおいて、完全な非晶質構造(completely amorphous structure)の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いIGZOの薄膜と比べて、CAAC−IGZOの薄膜およびnc−IGZOの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、CAAC−IGZOの薄膜またはnc−IGZOの薄膜を用いることが好ましい。   Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6 show the transition of the average crystal size due to electron beam irradiation on the thin films of CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO having low crystallinity. In an IGZO thin film with low crystallinity, crystalline IGZO of about 1 nm has been observed even before irradiation with an electron beam. Therefore, it is reported here that the existence of a complete amorphous structure in IGZO could not be confirmed. Furthermore, it has been shown that the CAAC-IGZO thin film and the nc-IGZO thin film have higher stability against electron beam irradiation than the low crystalline IGZO thin film. Therefore, a CAAC-IGZO thin film or an nc-IGZO thin film is preferably used as a semiconductor of the transistor.

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 a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have a strain. Note that the strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned in a region where a 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。   Nanocrystals are based on hexagons, but are not limited to regular hexagons and may be non-regular hexagons. In addition, there may be a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in the distortion. Note that in the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen 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 ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. This is probably because of this.

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。   The CAAC-OS includes a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer including elements M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layers) are stacked. There is a tendency to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. Further, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed 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。また、CAAC−OSは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対しても安定である。したがって、OSトランジスタにCAAC−OSを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。   The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, since CAAC-OS cannot confirm a clear crystal grain boundary, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary hardly occurs. In addition, since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated due to entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the physical properties of the oxide semiconductor including a CAAC-OS are stable. Therefore, an oxide semiconductor including a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability. In addition, the CAAC-OS is stable even at a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process. Therefore, when a CAAC-OS is used for the OS transistor, the degree of freedom in the manufacturing process can be increased.

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 (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.

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 the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or a low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and the 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。本発明の一形態の酸化物半導体は、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 different properties. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include 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>
Next, the case where the above oxide semiconductor is used for a transistor is 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 oxide semiconductor for a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、上記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、具体的には、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流がyA/μm(10−24A/μm)オーダである、ことが非特許文献7に示されている。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(非特許文献8参照)。 In addition, a transistor including the oxide semiconductor has extremely small leakage current in a non-conducting state. Specifically, an off-current per 1 μm of channel width of the transistor is on the order of yA / μm (10 −24 A / μm). This is shown in Non-Patent Document 7. For example, a low power consumption CPU using a characteristic in which a transistor including an oxide semiconductor has low leakage current is disclosed (see Non-Patent Document 8).

また、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利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている(非特許文献9参照)。表示装置では、表示される画像が1秒間に数十回切り換っている。1秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ(IDS)駆動と呼ぶ。   In addition, an application of a transistor using an oxide semiconductor to a display device using a characteristic of low leakage current of the transistor has been reported (see Non-Patent Document 9). In the display device, the displayed image is switched several tens of times per second. The number of switching of images per second is called a refresh rate. In addition, the refresh rate may be referred to as a drive frequency. Such high-speed screen switching that is difficult for human eyes to perceive is considered as a cause of eye fatigue. In view of this, it has been proposed to reduce the number of times of image rewriting by lowering the refresh rate of the display device. In addition, power consumption of the display device can be reduced by driving at a reduced refresh rate. Such a driving method is called idling stop (IDS) driving.

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。 For the transistor, an oxide semiconductor with low carrier density is preferably used. In the case where the carrier density of the oxide semiconductor film is decreased, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be decreased and the defect level density may be decreased. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the 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 / What is necessary is just to 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, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, and thus may have a low density of trap states.

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形成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 as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed in an oxide semiconductor with a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

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 impurity concentration in the oxide semiconductor. In order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in an adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, 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。
<Impurity>
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 Group 14 elements is included, 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 (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 level is formed and carriers may be generated in some cases. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing 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 alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、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 serving as carriers are generated, the carrier density is increased, and the oxide semiconductor is likely to be n-type. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor is likely to be normally on. Accordingly, nitrogen in the oxide semiconductor 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 in SIMS, preferably 5 × 10 18. atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、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。 In addition, hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that an oxygen vacancy may be formed in some cases. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing hydrogen is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor be 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 3. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

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

CAAC構造およびnc構造の発見は、CAAC構造またはnc構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびLSIへの応用研究が進められている。   The discovery of the CAAC structure and the nc structure contributes to improvement in electrical characteristics and reliability of a transistor including an oxide semiconductor having a CAAC structure or an nc structure, and a reduction in manufacturing process cost and throughput. In addition, research on application of the transistor to a display device and an LSI utilizing the characteristic that the leakage current of the transistor is low is underway.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   Note that this embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、半導体装置の一例として、電子部品、及び電子部品を具備する電子機器等について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an electronic component, an electronic device including the electronic component, and the like will be described as an example of a semiconductor device.

<電子部品の作製方法例>
図17(A)は、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
<Example of electronic component manufacturing method>
FIG. 17A is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing an electronic component. The electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. This electronic component has a plurality of standards and names depending on the terminal take-out direction and the shape of the terminal. Therefore, in this embodiment, an example will be described.

トランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程(後工程)を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。後工程については、図17(A)に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成(ステップS31)した後、基板の裏面を研削する(ステップS32)。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図る。   A semiconductor device including a transistor is completed by combining a plurality of parts that can be attached to and detached from a printed circuit board through an assembly process (post-process). The post-process can be completed through each process shown in FIG. Specifically, after the element substrate obtained in the previous process is completed (step S31), the back surface of the substrate is ground (step S32). By reducing the thickness of the substrate at this stage, it is possible to reduce the warpage of the substrate in the previous process and reduce the size of the component.

基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う(ステップS33)。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。   A dicing process is performed in which the back surface of the substrate is ground to separate the substrate into a plurality of chips. Then, a die bonding process is performed in which the separated chips are individually picked up and mounted on the lead frame and bonded (step S33). For the bonding between the chip and the lead frame in this die bonding process, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. The die bonding step may be mounted on the interposer and bonded.

次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う(ステップS34)。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。   Next, wire bonding is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip are electrically connected with a thin metal wire (step S34). A silver wire or a gold wire can be used as the metal thin wire. For wire bonding, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される(ステップS35)。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対する損傷を低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。   The wire-bonded chip is subjected to a molding process that is sealed with an epoxy resin or the like (step S35). By performing the molding process, the inside of the electronic component is filled with resin, and it is possible to reduce damage to built-in circuit parts and wires due to mechanical external force, and to reduce deterioration of characteristics due to moisture and dust. it can.

次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する(ステップS36)。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。   Next, the lead of the lead frame is plated. Then, the lead is cut and molded (step S36). By this plating treatment, rusting of the lead can be prevented, and soldering when mounting on a printed circuit board can be performed more reliably.

次いでパッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す(ステップS37)。そして最終的な検査工程(ステップS38)を経て電子部品が完成する(ステップS39)。   Next, a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S37). An electronic component is completed through a final inspection process (step S38) (step S39).

以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることができる。そのため、消費電力の低減、及び小型化が図られた電子部品を実現することができる。   The electronic component described above can include the semiconductor device described in the above embodiment. Therefore, an electronic component with reduced power consumption and reduced size can be realized.

完成した電子部品の斜視模式図を図17(B)に示す。図17(B)には、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図17(B)に示すように、電子部品700は、リード701及び回路部703を有する。電子部品700は、例えばプリント基板702に実装される。このような電子部品700が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板702上で電気的に接続されることで電子機器の内部に搭載することができる。完成した回路基板704は、電子機器等の内部に設けられる。例えば、電子部品700は、データを記憶するランダムアクセスメモリ、および、MCU(マイクロコントローラユニット)やRFIDタグ、等の各種の処理を実行するプロセッシングユニットとして用いることができる。   A perspective schematic view of the completed electronic component is shown in FIG. FIG. 17B is a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. As shown in FIG. 17B, the electronic component 700 includes a lead 701 and a circuit portion 703. The electronic component 700 is mounted on a printed circuit board 702, for example. A plurality of such electronic components 700 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 702 so that the electronic component 700 can be mounted inside the electronic device. The completed circuit board 704 is provided inside an electronic device or the like. For example, the electronic component 700 can be used as a random access memory that stores data and a processing unit that executes various processes such as an MCU (microcontroller unit) and an RFID tag.

よって、電子部品700は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス(通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器)、ASICのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス(生物情報科学)、機械装置のエミュレータ、および電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の電子部品(ICチップ)に適用することが可能である。このような電子機器としては、表示機器、パーソナルコンピュータ(PC)、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)を挙げることができる。その他に、本発明の一形態に係る電子部品を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、カメラ(ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等)、ウエアラブル型表示装置または端末(ヘッドマウント型、ゴーグル型、眼鏡型、腕章型、ブレスレッド型、ネックレス型等)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図18に示す。   Therefore, the electronic component 700 includes digital signal processing, software defined radio, avionics (electronic equipment related to aviation such as communication equipment, navigation system, autopilot, and flight management system), ASIC prototyping, medical image processing, voice recognition, It can be applied to electronic parts (IC chips) of electronic devices in a wide range of fields such as cryptography, bioinformatics (biological information science), emulators of mechanical devices, and radio telescopes in radio astronomy. Such an electronic device includes a display device, a personal computer (PC), an image playback device including a recording medium (typically a display that can play back a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc, and display the image. Apparatus). In addition, as an electronic device that can use the electronic component according to one embodiment of the present invention, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book terminal, a camera (a video camera, a digital still camera, or the like), Wearable type display device or terminal (head mount type, goggles type, glasses type, armband type, bracelet type, necklace type, etc.), navigation system, sound reproduction device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer , Printer multifunction peripherals, automatic teller machines (ATMs), vending machines, and the like. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

<電子機器>
図18(A)−図18(F)は、表示部を備え、またバッテリーで駆動される電子機器の例である。
<Electronic equipment>
18A to 18F illustrate examples of electronic devices each including a display portion and driven by a battery.

図18(A)に示す携帯型ゲーム機900は、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロホン905、スピーカー906、操作キー907等を有する。表示部903は、入力装置としてタッチスクリーンが設けられており、スタイラス908等により操作可能となっている。   A portable game machine 900 illustrated in FIG. 18A includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, operation keys 907, and the like. The display unit 903 is provided with a touch screen as an input device and can be operated with a stylus 908 or the like.

図18(B)に示す情報端末910は、筐体911に、表示部912、マイク917、スピーカー部914、カメラ913、外部接続部916、および操作用のボタン915等を有する。表示部912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。情報端末910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PC、電子書籍端末等として用いることができる。   An information terminal 910 illustrated in FIG. 18B includes a display portion 912, a microphone 917, a speaker portion 914, a camera 913, an external connection portion 916, an operation button 915, and the like in a housing 911. The display portion 912 includes a display panel using a flexible substrate and a touch screen. The information terminal 910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet information terminal, a tablet PC, an electronic book terminal, or the like.

図18(C)に示すノート型PC920は、筐体921、表示部922、キーボード923、およびポインティングデバイス924等を有する。   A laptop PC 920 illustrated in FIG. 18C includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図18(D)に示すビデオカメラ940は、筐体941、筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、および接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は筐体941に設けられており、表示部943は筐体942に設けられている。そして、筐体941と筐体942は、接続部946により接続されており、筐体941と筐体942の間の角度は、接続部946により変えることが可能な構造となっている。筐体941に対する筐体942の角度によって、表示部943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 940 illustrated in FIG. 18D includes a housing 941, a housing 942, a display portion 943, operation keys 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation key 944 and the lens 945 are provided on the housing 941, and the display portion 943 is provided on the housing 942. The housing 941 and the housing 942 are connected to each other by a connection portion 946. The angle between the housing 941 and the housing 942 can be changed by the connection portion 946. Depending on the angle of the housing 942 with respect to the housing 941, the orientation of the image displayed on the display portion 943 can be changed and the display / non-display of the image can be switched.

図18(E)にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末950は、筐体951、および表示部952等を有する。表示部952は、曲面を有する筐体951に支持されている。表示部952には、可撓性基板が用いられ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950を提供することができる。   FIG. 18E illustrates an example of a bangle information terminal. The information terminal 950 includes a housing 951, a display unit 952, and the like. The display portion 952 is supported by a housing 951 having a curved surface. Since the display portion 952 includes a display panel using a flexible substrate, an information terminal 950 that is flexible, light, and easy to use can be provided.

図18(F)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末960は、筐体961、表示部962、バンド963、バックル964、操作ボタン965、入出力端子966などを備える。情報端末960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. 18F illustrates an example of a wristwatch-type information terminal. The information terminal 960 includes a housing 961, a display portion 962, a band 963, a buckle 964, operation buttons 965, an input / output terminal 966, and the like. The information terminal 960 can execute various applications such as a mobile phone, electronic mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.

表示部962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962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962に表示されたアイコン967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。操作ボタン965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960に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン965の機能を設定することもできる。   The display surface of the display portion 962 is curved, and display can be performed along the curved display surface. The display portion 962 includes a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, an application can be activated by touching an icon 967 displayed on the display unit 962. The operation button 965 can have various functions in addition to time setting, such as power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution and release, and power saving mode execution and release. . For example, the function of the operation button 965 can be set by an operating system incorporated in the information terminal 960.

また、情報端末960は、通信規格に準拠する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960は入出力端子966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966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966を介さずに無線給電により行ってもよい。   In addition, the information terminal 960 can execute short-range wireless communication conforming to the communication standard. For example, it is possible to talk hands-free by communicating with a headset capable of wireless communication. In addition, the information terminal 960 includes an input / output terminal 966, and can directly exchange data with other information terminals via a connector. Charging can also be performed through the input / output terminal 966. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the input / output terminal 966.

図18(G)に家庭用電気製品の一例として電気冷凍冷蔵庫を示す。電気冷凍冷蔵庫970は、筐体971、冷蔵室用扉972、および冷凍室用扉973等を有する。   FIG. 18G illustrates an electric refrigerator-freezer as an example of a home appliance. The electric refrigerator-freezer 970 includes a housing 971, a refrigerator door 972, a refrigerator door 973, and the like.

図18(H)は、自動車の構成の一例を示す外観図である。自動車980は、車体981、車輪982、ダッシュボード983、およびライト984等を有する。   FIG. 18H is an external view illustrating an example of a structure of an automobile. The automobile 980 includes a vehicle body 981, wheels 982, a dashboard 983, lights 984, and the like.

本実施の形態に示す電子機器には、上掲の実施の形態に係る半導体装置を有する電子部品が搭載されている。よって、消費電力の低減された、または安定して動作が可能な電子機器を提供することが可能になる。   An electronic component including the semiconductor device according to any of the above embodiments is mounted on the electronic device described in this embodiment. Therefore, it is possible to provide an electronic device with reduced power consumption or capable of stable operation.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   Note that this embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.

(本明細書等の記載に関する付記)
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
(Additional notes regarding the description of this specification etc.)
The above embodiment and description of each component in the embodiment will be added below.

各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、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。   The structure described in each embodiment can be combined with the structure described in any of the other embodiments as appropriate, for one embodiment of the present invention. In the case where a plurality of structure examples are given in one embodiment, any of the structure examples can be combined as appropriate.

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

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

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

また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、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 and the like, in the block diagram, the constituent elements are classified by function and shown as independent blocks. However, in an actual circuit or the like, it is difficult to separate the components for each function, and there may be a case where a plurality of functions are involved in one circuit or a case where one function is involved over a plurality of circuits. Therefore, the blocks in the block diagram are not limited to the components described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。   In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is shown in an arbitrary size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. Note that the drawings are schematically shown for the sake of clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, variation in signal, voltage, or current due to noise, variation in signal, voltage, or current due to timing shift can be included.

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

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

また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧(接地電圧)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。   In this specification and the like, voltage and potential can be described as appropriate. The voltage is a potential difference from a reference potential. For example, when the reference potential is a ground voltage (ground voltage), the voltage can be rephrased as a potential. The ground potential does not necessarily mean 0V. Note that the potential is relative, and the potential applied to the wiring or the like may be changed depending on the reference potential.

なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。   Note that in this specification and the like, terms such as “film” and “layer” can be interchanged with each other depending on the case or circumstances. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

本明細書等において、スイッチとは、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するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。   In this specification and the like, a switch refers to a switch that is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state) and has a function of controlling whether or not to pass current. Alternatively, the switch refers to a switch having a function of selecting and switching a current flow path.

本明細書等において、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)とゲートとが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。   In this specification and the like, the channel length means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate overlap with each other, or a channel is formed. This is the distance between the source and drain in the region.

本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、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。   In this specification and the like, the channel width refers to, for example, a source in a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed And the length of the part where the drain faces.

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

100 半導体装置
101 Siトランジスタ層
102 OSトランジスタ層
103 電源回路
104 入力回路
111 演算処理回路
112 タイマ
113 スイッチ
121 電源管理回路
122 メモリ回路
123 メモリ回路
130 入力回路
130A 入力回路
130B 入力回路
140 ANDゲート回路
141 プログラマブルスイッチアレイ
150 ORゲート回路
151 プログラマブルスイッチアレイ
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
500 トランジスタ
510 絶縁体
510A トランジスタ
510B トランジスタ
510C トランジスタ
510D トランジスタ
510E トランジスタ
511 絶縁体
512 絶縁体
514 絶縁体
516 絶縁体
518 導電体
520 絶縁体
521 絶縁体
522 絶縁体
524 絶縁体
530 酸化物
530a 酸化物
530b 酸化物
530c 酸化物
531 領域
531a 領域
531b 領域
540a 導電体
540b 導電体
542 導電体
542a 導電体
542b 導電体
543 領域
543a 領域
543b 領域
544 絶縁体
545 絶縁体
546 導電体
546a 導電体
546b 導電体
547 導電体
547a 導電体
547b 導電体
548 導電体
550 絶縁体
552 金属酸化物
560 導電体
560a 導電体
560b 導電体
570 絶縁体
571 絶縁体
573 絶縁体
574 絶縁体
575 絶縁体
576 絶縁体
576a 絶縁体
576b 絶縁体
580 絶縁体
581 絶縁体
582 絶縁体
584 絶縁体
586 絶縁体
600 容量素子
610 導電体
612 導電体
620 導電体
630 絶縁体
650 絶縁体
700 電子部品
701 リード
702 プリント基板
703 回路部
704 回路基板
900 携帯型ゲーム機
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロホン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
910 情報端末
911 筐体
912 表示部
913 カメラ
914 スピーカー部
915 ボタン
916 外部接続部
917 マイク
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
940 ビデオカメラ
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
950 情報端末
951 筐体
952 表示部
960 情報端末
961 筐体
962 表示部
963 バンド
964 バックル
965 操作ボタン
966 入出力端子
967 アイコン
970 電気冷凍冷蔵庫
971 筐体
972 冷蔵室用扉
973 冷凍室用扉
980 自動車
981 車体
982 車輪
983 ダッシュボード
984 ライト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor device 101 Si transistor layer 102 OS transistor layer 103 Power supply circuit 104 Input circuit 111 Arithmetic processing circuit 112 Timer 113 Switch 121 Power supply management circuit 122 Memory circuit 123 Memory circuit 130 Input circuit 130A Input circuit 130B Input circuit 140 AND gate circuit 141 Programmable Switch array 150 OR gate circuit 151 programmable switch array 300 transistor 311 substrate 313 semiconductor region 314a low resistance region 314b low resistance region 315 insulator 316 conductor 320 insulator 322 insulator 324 insulator 326 insulator 328 conductor 330 conductor 350 Insulator 352 insulator 354 insulator 356 conductor 360 insulator 362 insulator 364 insulator 366 conductor 370 insulator 372 insulator 74 insulator 376 conductor 380 insulator 382 insulator 384 insulator 386 conductor 500 transistor 510 insulator 510A transistor 510B transistor 510C transistor 510D transistor 510E transistor 511 insulator 512 insulator 514 insulator 516 insulator 518 conductor 520 insulator Body 521 insulator 522 insulator 524 insulator 530 oxide 530a oxide 530b oxide 530c oxide 531 region 531a region 531b region 540a conductor 540b conductor 542 conductor 542a conductor 542b conductor 543 region 543a region 543b region 544 Insulator 545 insulator 546 conductor 546a conductor 546b conductor 547 conductor 547a conductor 547b conductor 548 conductor 550 insulator 552 gold Metal oxide 560 Conductor 560a Conductor 560b Conductor 570 Insulator 571 Insulator 573 Insulator 574 Insulator 575 Insulator 576 Insulator 576a Insulator 576b Insulator 580 Insulator 581 Insulator 582 Insulator 584 Insulator 586 Insulator Body 600 capacitor 610 conductor 612 conductor 620 conductor 630 insulator 650 insulator 700 electronic component 701 lead 702 printed circuit board 703 circuit portion 704 circuit board 900 portable game machine 901 housing 902 housing 903 display portion 904 display portion 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 910 Information terminal 911 Case 912 Display portion 913 Camera 914 Speaker portion 915 Button 916 External connection portion 917 Microphone 921 Case 922 Display portion 923 Keyboard 924 Poi Video device 941 Case 942 Case 943 Display unit 944 Operation key 945 Lens 946 Connection unit 950 Information terminal 951 Case 952 Display unit 960 Information terminal 961 Case 962 Display unit 963 Band 964 Buckle 965 Operation button 966 Input / output Terminal 967 Icon 970 Electric refrigerator-freezer 971 Housing 972 Refrigeration room door 973 Freezing room door 980 Car 981 Car body 982 Wheel 983 Dashboard 984 Light

Claims (5)

電源回路と、
電源管理回路と、
演算処理回路と、
パワースイッチと、を有し、
前記電源回路は、電源電位を生成する機能を有し、
前記パワースイッチは、前記演算処理回路への前記電源電位の供給および停止を制御できる機能を有し、
演算処理回路は、第1回路と第2回路を有し、
前記第1回路は、前記演算処理回路で生成されるデータを保持できる機能を有し、
前記第2回路は、前記第1回路で保持されているデータを退避し、保持することができる機能、および退避しているデータを前記第1回路に復帰できる機能を有し、
前記第2回路および前記電源管理回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路を有することを特徴とする半導体装置。
A power circuit;
A power management circuit;
An arithmetic processing circuit;
A power switch,
The power supply circuit has a function of generating a power supply potential,
The power switch has a function of controlling supply and stop of the power supply potential to the arithmetic processing circuit,
The arithmetic processing circuit has a first circuit and a second circuit,
The first circuit has a function of holding data generated by the arithmetic processing circuit,
The second circuit has a function of saving and holding the data held in the first circuit, and a function of returning the saved data to the first circuit,
The semiconductor device, wherein the second circuit and the power management circuit include a logic circuit including a transistor including a metal oxide in a channel formation region.
請求項1において、
前記電源管理回路は、入力回路、ANDゲート回路、およびORゲート回路を有するプログラマブルロジックアレイである半導体装置。
In claim 1,
The power supply management circuit is a semiconductor device which is a programmable logic array having an input circuit, an AND gate circuit, and an OR gate circuit.
請求項2において、
前記ANDゲート回路およびORゲート回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有し、当該トランジスタはオフ状態とすることでコンフィギュレーションデータに応じた電荷を記憶する機能を有する半導体装置。
In claim 2,
The AND gate circuit and the OR gate circuit each include a transistor having a metal oxide in a channel formation region, and the transistor has a function of storing charges according to configuration data by turning off the transistor.
請求項1乃至3のいずれか一に記載の半導体装置と、
リードと、を有する電子部品。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 3;
And an electronic component having a lead.
請求項1乃至3に記載の半導体装置、及び請求項4に記載の電子部品の何れか一と、
表示装置、タッチパネル、マイク、スピーカ、操作キー、及び筐体の少なくとも一と、を有する電子機器。
Any one of the semiconductor device according to claim 1 and the electronic component according to claim 4;
An electronic apparatus having at least one of a display device, a touch panel, a microphone, a speaker, operation keys, and a housing.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015080187A (en) * 2012-12-06 2015-04-23 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
JP2016042352A (en) * 2014-06-20 2016-03-31 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
JP2017041867A (en) * 2015-01-29 2017-02-23 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device, electronic component, and electronic equipment
JP2017121051A (en) * 2015-12-25 2017-07-06 株式会社半導体エネルギー研究所 Circuit, semiconductor device, processor, electronic component, and electronic equipment

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015080187A (en) * 2012-12-06 2015-04-23 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
JP2016042352A (en) * 2014-06-20 2016-03-31 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device
JP2017041867A (en) * 2015-01-29 2017-02-23 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device, electronic component, and electronic equipment
JP2017121051A (en) * 2015-12-25 2017-07-06 株式会社半導体エネルギー研究所 Circuit, semiconductor device, processor, electronic component, and electronic equipment

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